JPH03148015A

JPH03148015A - 位置測定装置

Info

Publication number: JPH03148015A
Application number: JP2279470A
Authority: JP
Inventors: Alfons Spies; アルフォンス・シュピース; Arnold Teimel; アルノルド・タイメル
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1989-11-02
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1991-06-24
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: US5120132A; EP0425726B1; DE58904369D1; EP0425726A1; JPH0820275B2; ATE89411T1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、一方の対象物に付属する少なくとも一個の
照明装置と一個の検出装置と、他方の対象物に回折格子
として形成され、ビーム束を測定目盛で回折させ、干渉
性の部分ビーム束に分解させる測定目盛とを備え、回折
した部分ビーム束が光学部材によって測定目盛に偏向し
、新たに回折して、対になって干渉し、これ等の二つの
ビーム干渉の強度変調が検出装置によって電気信号に変
換される、二つの対象物の相対位置を測定する装置に関
する。

〔従来の技術〕

位置測定装置は、種々の構成のものが知られている。例
として、ヨーロンパ特許第１１６３３６２号明細書を挙
げることができる。この明細書には、所謂三個の格子の
測定原理で動作する装置が開示されている。この装置で
は、目盛格子が反射式に構成されていて、基準格子には
回折次数の位相位置に互いに影響する選択された特徴部
分がある。

Ｆ、１ｏｃｋの学位論文「回折格子による長さまたは角
度位置の変化の光電測定」シュトツガルト大学、１９７
５には、第１３０と１３１頁に二つのコヒーレントな部
分ビームを層状の位相格子で再変換することが図示され
（第５５図）、記載されている。

しかし、そこには測定格子が図示してない。位相格子は
０次および整数次の回折次数を消去するように構成され
ている。

西独特許箱３７００９０６号明細書には、干渉で動作す
る位置測定装置が示しである。この装置では、測定信号
の位相のずれが部分ビーム束の通路に設置された偏光光
学部材によって生じる。

〔発明の課題〕

それ故、この発明の課題は簡単な構造で、偏光光学手段
なしで互いに位相のずれた二つの信号をもたらす装置を
提供することにある。

〔課題を解決する手段〕

上記の課題は、この発明により、冒頭に述べた種類の相
対位置測定装置の場合、少なくともニビーム干渉の一つ
を形成する場合、少なくとも一つの００次の回折次数の
部分ビーム束が関与するように、位相格子として形成し
た測定目盛（１ｎ）の物理特性が選択され、測定目盛（
１ｎ）が測定方向に移動した時、生じるニビーム干渉の
強度変調が互いに位相をずらしていることによって解決
されている。

〔発明の効果〕

この発明の利点は、装置にだた一個の回折格子しか装備
する必要がなく、偏光光学部材をなしで済ませ、このこ
とが構造を非常に単純し、経費を低減させる点にある。

更に、周期が目盛板の周期の４分の１になる走査信号が
得られる。

この発明による装置から有利な構成で得られる特徴は従
属請求項に記載されている。

〔実施例〕

図面に示した実施例に基づき、この発明を更に詳しく説
明する。

第１図に示す測定装置Ｍ１には、垂直に入射する光束り
を±１次の回折次数に回折させる位相格子１がある。他
の回折次数の光は消滅する。±１次の回折次数の部分ビ
ーム束は三重鏡２と３の形状の逆反射部材に入射する。

これ等の三重鏡２と３は±１次の回折次数の部分ビーム
束をそれ自体に平行にして位相格子に戻す。そこでは、
これ等のビーム束が新たに回折し、第二の過程の後位相
格子１によって以下の回折次数の光が互いに干渉する。

第一回折の一１次と第二回折の第０次は第一回折の＋１
次および第二回折の＋２次と干渉し、第一回折の＋１次
と第二回折の第０次は第一の回折お一１次と第二回折の
一２次と干渉する。

位相格子ｌが移動すると強度が変調し、第二の過程のと
き０次の回折次数を考慮して位相格子１によって互いに
位相のずれる二つのビームの干渉が生じる。

これ等の位相のずれは、位相格子の特性に依存している
。これ等のずれは１対ｌからずれた目盛線対隙間の幅の
比および位相被膜の屈折率及び／又は膜の厚さの差によ
って変わる。

検出器４と５によって、強度の変調は互いに位相のずれ
た電気信号に偏見される。

第１図で説明した基本原理は全ての実施例に当てはまる
ので、ここでは明確にするため各図面で基本になる変更
のみを説明する。

第２図では、似たような構成であるが、互いに位相のず
れた三つの信号を発生し、第二過程の後で、位相格子１
２によって３方向に二つのビーム干渉が生じ、三個の検
出器４２，５２．６２で互いに位相のずれた三つの電気
信号に変換する。干渉したビームはその検出器の方向に
与えらる。つまり、検出器４２の方向では、＋１．　、　＋１．の回折次数の一方のビームが１、、
−１．の回折次数の二番目のビームと干渉し、検出器５２の方向では、１、、−２．の回折次数の一方のビームが＋１．、Ｏ，
の回折次数の二番目のビームと干渉し、検出器６２の方向では、＋１．、＋２．の回折次数の一方のビームが−１，、Ｏ
，の回折次数の二番目のビームと干渉する。

これ等の信号の位相のずれは、この場合、１２０゜であ
る。

この場合でも、注意すべきことは、位相格子１２（分割
させる格子）を最初に通過したとき、０゜、＋２．およ
び高次の回折次数の光束は吸収されか、薄くなり、位相
格子１２（＝・致させる格子）を通過する第二の過程で
初めて、０．と高次の回折次数の光束が干渉する部分ビ
ーム束を形成する場合、再び一緒になる。

第３図に示す実施例では、位相格子１３が９０゜からず
れたある角度で照明される。ここでは、１、の回折次数
の光束が位相格子１３を通過する第一過程の時消滅し、
０．及び−２，の回折次数が、これ等の回折次数の光束
を位相格子１３に戻す三重鏡２３と３３に導入される。

新たな回折によって、検出器４３の方向で、回折次数０．　、　＋２．の一方のビームが回折次数−
２，、Ｏ，の第二ビームと干渉し、検出器５３の方向で
、回折次数−２，、−２，の一方のビームが回折次数０．
．０．の第二ビームと干渉する。

第４Ａ図には、反射鏡２４と３４を用いる実施例が示し
である。この場合、回折ビーム束２４は再び測定方向に
垂直に位相格子１４に入射し、そこで部分ビーム束に分
裂する。

これに反して、第４Ｂ図にはこの図で回折ビーム束が法
線からずれた角度の下に位相格子１４の部分１４Ａに入
射し、反射鏡２４．３４によって他の部分１４Ｖに当た
る。その場合、回折した部分ビーム束はもう一度回折し
、再び互いに干渉する。

この配置では、位相格子の部分領域が回折ビーム通路の
分裂と回折した部分ビーム束に対してそれぞれ発生する
部分ビーム束の回折次数に関して最適にされている。干
渉した部分ビーム束は、前に説明した実施例と同じよう
に形成される。

第５図には、第３図の実施例の変形が示しである。この
場合、Ｏ２と＋１．の回折次数のビームが使用される。

この配置では、格子周期の１７２になる信号周期が生じ
る。生じたニビーム干渉が、前記の例と同じように発生
する。

第６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂ図の実施例では、第２．４Ａ
、４Ｂ図の例の反射形としての変形が示しである。照明
部材、反射部材２６，３６；２７゜０３７および検出器４６，５６，６６；４７，５７゜６７
は、全て位相格子１６．１７の同じ側に設置してあり、
この点が第一実施例とは逆で所謂反射式に相当する。

構造上の構成を透過光装置とは反対に反射光装置の場合
に普通な変形に合わせるであるので、ここでは詳しい説
明をしない。

第８図と第９図の実施例でも、同じ振る舞いをする。こ
こでは、所謂直径走査のそれ自体公知の走査原理が、特
に有利な方法でこの発明に結び付いている。

直径走査に対する例は、西独特許筒３６３３５７４号明
細書に見られる。

測定格子としては、公知の方法でこの発明に要する物理
特性を有する位相格子１８を装着したシリンダ筒体が使
用されている。

位相格子１８を通過する第一過程では、入射光ビームＬ
８が再び回折する。＋１１次の部分ビーム束が生じ、偏
向プリズム２８に入射する。このプルダム中で部分ビー
ムが二回偏向する。

偏向プリズム２８に入射した角度と同じ角度で再び前記
部分ビームで出射し、位相格子１８を一回目に、最初の
格子通過に対して対向円周上で通過する。その後、部分
ビーム束は既に説明した方式でもう一度回折し、再び干
渉して、ニビーム干渉となる組み合わせが検出器４８．
５８．６８上で生じる。つまり、検出器４８の方向で、回折次数−１，、−２，の一方のビームが回折次数＋１
．、Ｏ，の第二ビームと干渉する。

検出器５８の方向で、回折次数子ｉ、、＋ｉ、の一方のビームが回折次数−１
，、−１，の第二ビームと干渉する。

検出器６８の方向で、回折次数−１，，０，の一方のビームが回折次数＋１．
、＋２．の第二ビームと干渉する。

第９図の実施例は、核心部分で第８図のそれに一致して
いる。しかし、回折した±１の次数の部分ビーム束の偏
向は、ここでは、偏向格子３９が１２前置又は後置接続されている所謂「ドープ」プリズム２
９によって行われる。回折した部分ビーム束の通過道筋
は第９図から判る。また、干渉する部分ビーム束は第８
図に示すニビーム干渉と一致している。これ等の干渉ビ
ームは公知の方法で検出器４９．５９と６９によって互
いに位相のずれた信号に変換される。

光源は、ＨｅＮｅレーザー、コリメータ光学系を有する
半導体レーザー、コリメータ光学系を有するルミネセン
スダイオード等で形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、位相のずれた二つの測定信号用の測定装置の模
式構成図。第２図、位相のずれた三つの測定信号用の測定装置の模
式構成図。第３図、垂直入射する照明ビーム束を用いる測定装置の
模式構成図。第４Ａ図、反射鏡を備えた測定装置の模式構成図。第４Ｂ図、第４Ａ図の測定装置の側面図。第５図、三重鏡を装備した第３図の測定装置の変形実施
例を示す模式構成図。第６Ａ図、反射鏡を備えた反射測定装置の模式第６Ｂ図
、第６Ａ図の測定装置の側面図。第７Ａ図、三重鏡を備えた反射測定装置の模式第７Ｂ図
、第７Ａ図の測定装置の側面図。第８図、直径走査部を有する角度測定の測定装置の模式
構成図。第９図、直径走査装置の変形種の模式構成図。図中参照符号：１．１２，１３，１４，１６，１７．１８・・・位相格
子、・・三重鏡、４８；５，５２，５３゜６８・・・検出器、２．２３；４．４２゜５６．５８２４；３４２６．２７２８　・　・３、３３　・４３．４６゜；６２，６７・・・反射鏡、；３６．３７・・・反射部材、偏向プリズム、３４２９　・ドーブプルズム、３９　・・偏向格子。

Claims

【特許請求の範囲】１、一方の対象物に付属する少なくとも一個の照明装置
と一個の検出装置と、他方の対象物に回折格子として形
成され、ビーム束を測定目盛で回折させ、干渉性の部分
ビーム束に分解させる測定目盛とを備え、回折した部分
ビーム束が光学部材によって測定目盛に偏向し、新たに
回折して、対になって干渉し、これ等の二つのビーム干
渉の強度変調が検出装置によって電気信号に変換される
、二つの対象物の相対位置を測定する装置において、少
なくとも二ビーム干渉の一つを形成する場合、少なくと
も一つの０．次の回折次数の部分ビーム束が関与するよ
うに、位相格子として形成した測定目盛（１ｎ）の物理
特性が選択され、測定目盛（１ｎ）が測定方向に移動し
た時、生じる二ビーム干渉の強度変調が互いに位相をず
らしていることを特徴とする装置。２、光学部材は、三重プリズム、三重鏡、バック反射鏡
等のような逆反射部材（２ｎ、３ｎ）であることを特徴
とする請求項１記載の装置。３、光学部材は、平面鏡（２ｋ、３ｋ）であることを特
徴とする請求項１記載の装置。４、測角装置の場合、光学部材は偏向ブリズム（２８）
であることを特徴とする請求項１記載の装置。５、測角装置の場合、光学部材はそれぞれ一個の偏向格
子（３９）を前置および後置接続しているドーブプルズ
ム（２９）によって形成されていることを特徴とする請
求項１記載の装置。６、検出装置は、少なくとも二個の光電素子（４ｎ、５
ｎ、６ｎ）を有し、これ等の素子は少なくとも二つの二
ビーム干渉を互いに位相のずれた二つの電気信号に変換
することを特徴とする請求項１記載の装置。７、回折格子としては、ビーム束を二回回折させるただ
一個の測定目盛（１ｎ）を装備していることを特徴とす
る請求項１記載の装置。８、位相格子（１ｎ）の部分領域は、それぞれビーム束
の分裂と一致のために異なる物理特性を有することを特
徴とする請求項１記載の装置。９、電気信号の周期が測定目盛（１ｎ）の目盛周期の１
／４となるように干渉する回折次数を選択することを特
徴とする請求項１又は６記載の装置。１０、電気信号の周期が測定目盛（１ｎ）の目盛周期の
１／２となるように干渉する回折次数を選択することを
特徴とする請求項１又は６記載の装置。