JPH0820275B2

JPH0820275B2 - 位置測定装置

Info

Publication number: JPH0820275B2
Application number: JP2279470A
Authority: JP
Inventors: アルフォンス・シュピース; アルノルド・タイメル
Original assignee: ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクテル・ハフツング
Priority date: 1989-11-02
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: US5120132A; ATE89411T1; EP0425726B1; JPH03148015A; DE58904369D1; EP0425726A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、少なくとも一つの光源、少なくとも一つ
の光学ユニットおよび少なくとも一つの検出器を一方の
物体に付属させ、一つの回折格子として形成された測定
目盛を他方の物体に付属させ、前記光源から放出された
ビーム束を測定目盛で回折させて干渉性の部分ビーム束
に分解し、回折した部分ビーム束を前記光学ユニットに
より測定目盛に向けて偏向させ、そこでもう一度回折さ
せて対にして二ビーム干渉させ、二ビーム干渉の変調強
度を前記検出器で電気信号に変換する、二つの物体の相
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、欧州特許第1163 362号明細書を挙げることが
できる。この明細書には、所謂三重格子測定原理で動作
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、基準格子は相互に回折次数の
位相角に影響を与える選択された特性を有する。

F.Hock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」シュトッガルト大学、1975年に
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
示されていない。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。

ドイツ特許第37 00 906号明細書には、干渉で動作す
る位置測定装置が示してある。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
手段を用いることなく互いに位相のずれた少なくとも二
つの信号を出力する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、少なくとも一つの光源L,Ln;n＝２〜9,少なくとも一つ
の光学ユニット2,2n;3,3n;n＝２〜９および少なくとも
一つの検出器4,4n;5,5n;6n;n＝２〜９を一方の物体に付
属させ、一つの回折格子として形成された測定目盛1;1
n;n＝２〜９を他方の物体に付属させ、前記光源から放
出されたビーム束を測定目盛で回折させて干渉性の部分
ビーム束に分解し、回折した部分ビーム束を前記光学ユ
ニットにより測定目盛に向けて偏向させ、そこでもう一
度回折させて対にして二ビーム干渉させ、各二ビーム干
渉の変調強度を前記検出器で電気信号に変換する、二つ
の物体の相対位置を測定する装置において、前記光学ユニットが偏光手段を含まない単純な光学反
射部材で構成され、少なくとも一つの０次の回折次数の部分ビーム束が、
各二ビーム干渉の少なくとも一つの二ビーム干渉の形成
要素に含まれ、測定目盛が測定方向に移動する時に二ビ
ーム干渉に生じる強度変調が互いに位相がずれているよ
うに、前記測定目盛が設計されている装置によって解決
されている。

この発明による装置の他の有利な構成は特許請求の範
囲の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は、回折格子１を有する。こ
の回折格子１で垂直に入射する光束Ｌを±１次の回折を
波ずる。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回折格子に戻す。
そこでは、これ等のビーム束が新たに回折し、回折格子
１を二回通過した後、以下の回折次数の光が互いに干渉
する。第一回折の−１次ビーム束および第二回折の第０
次ビーム束は、第一回折の＋１次ビーム束および第二回
折の＋２次ビーム束と干渉し、第一回折の＋１次ビーム
束および第二回折の第０次ビーム束は第一の回折の−１
次ビーム束および第二回折の−２次ビーム束と干渉す
る。

回折格子１が移動すると、強度が変調され、０次の回
折次数を入れて回折格子１に二回通過した後、互いに位
相のずれた二ビーム干渉が生じる。

これ等の位相のずれは回折格子の特性に依存し、１対
１からずれた目盛線対隙間の幅の比および位相被膜の屈
折率の差や膜厚によって変わる。

検出器４と５により変調強度は互いに位相のずれた電
気信号に変換される。

第１図に基づき説明した基本原理は全ての実施例に当
て嵌まるので、ここでは明確にするため各図面で基本と
なる実施例のみを説明する。

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、回折格子12を３方向に二回
通過した後、二ビーム干渉が生じ、三個の検出器42,52,
62により互いに位相のずれた三つの電気信号に変換され
る。干渉したビームが検出器の方向に生じる。つまり、検出器42の方向では、回折次数＋1.,＋1.の第一ビームが回折次数−1.,−1.
の第二ビームと干渉し、検出器52の方向では、回折次数−1.,−2.の第一ビームが回折次数＋1.,0.の
第二ビームと干渉し、検出器62の方向では、回折次数＋1.,＋2.の第一ビームが回折次数−1.,0.の
第二ビームと干渉する。

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、回折格子12（分離
格子）を最初に通過したとき、0.,±2.およびより高次
の回折次数の光束は吸収されるか、ないしは絞りで除去
され、回折格子12（合体格子）を二回通過するとき初め
で、0.次とより高次の回折次数の光束が干渉する部分ビ
ーム束を形成するとき、再び一緒になる。

第３図に示す実施例では、回折格子13が90゜からずれ
た或る角度で照明される。ここでは、−1.の回折次数の
光束が回折格子13を最初に通過するとき消滅し、0.およ
び−2.の回折次数のビーム束が三重鏡23と33に導入さ
れ、これ等の三重鏡が前記回折次数の光束を位相格子13
に戻す。新たな回折した後、検出器43の方向で、回折次数0.,＋2.の第一ビームが回折次数−2.,0.の第
二ビームと干渉し、検出器53の方向で、回折次数−2.,−2.の第一ビームが回折次数0.,0.の第
二ビームと干渉する。

第4A図には、平面鏡24と34を用いる実施例が示してあ
る。この場合、照射ビーム束L4は再び測定方向に垂直に
回折格子14に入射し、そこで部分ビーム束に分離する。

これに反して、第4B図はこの図で照射ビーム束L4が法
線からずれた角度で回折格子14の一部14Aに入射し、平
面鏡24,34により他の部分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、回折格子の部分領域が部分ビーク束に
発生すべき回折次数に対してそれぞれ回折ビーム通路を
分離するため、および回折した部分ビーム束の合体に対
するそれぞれの回折格子の部分領域が部分ビーム束の発
生すべき回折次数に対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、0.と±1.の回折次数のビーム束が使用さ
れる第３図の実施例の変形が示してある。この配置は、
格子周期の1/2になる信号周期を与える。得られた二ビ
ーム干渉は前記の例と同じようになる。

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てある。照明部材、反射部材2
6,36;27,37および検出器46,56,66;47,57,67は、全て回
折格子16,17の同じ側に設置してあり、この点が第一実
施例とは異なり所謂反射式に相当する。

構造上の構成は透過光装置に対して反射光装置で通常
の変形に一致するので、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、同じ状況である。ここ
では、所謂直径走査である公知の走査原理が、特に有利
な方法でこの発明に結び付いている。

直径走査の例は、ドイツ特許第36 33 574号明細書に
開示されている。

測定格子としては円筒ケースが使用され、このケース
の上にこの発明に必要な物理特性を備えた回折格子18が
周知の方法で装着されている。

位相格子18を通過する第一過程では、入射光ビームL8
が再び回折し、±1.次の部分ビーム束が生じ、偏向プリ
ズム28に入射する。このプリズム中で部分ビーム束が二
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
部分ビーム束が出射し、回折格子18を二回、つまり最初
の格子通過に対して対向円周上を通過する。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、二ビーム干渉となる次の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.の第一ビームが回折次数＋1.,0.の
第二ビームと、検出器58の方向で、回折次数＋1.,＋1.の第一ビームが回折次数−1.,−1.
の第二ビームと、検出器68の方向で、回折次数−1.,0.の第一ビームが回折次数＋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図の実施例に一致
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が前置または後置接続
されている所謂「ドーブ」プリズム29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図に示す二ビー
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ガスレーザー源、コリメータ光学系を有
する半導体レーザー源、コリメータ光学系を有するルミ
ネッセンスダイオード等で形成できる。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、この発明の利点は、装置にた
だ一個の回折格子しか装備する必要がなく、偏光光学部
材を用いなくても十分で、このことが構造を非常に単純
にし、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。

【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構成図、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構成図、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測角装置の模式構成図、第９図、直径走査部を有する他の測角装置の模式構成
図。図中参照符号： 1,12,13,14,16,17,18……回折格子、 2,23;3,33……三重鏡、 4,42,43,46,48;5,52,53,56,58;62,67,68……検出器、 24;34……平面鏡、 26,27;36,37……反射部材、 28……偏向プリズム、 29……ドーブプリズム、 39……偏向格子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−260813（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−191907（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−45506（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一つの光源（L,Ln;n＝２〜
９），少なくとも一つの光学ユニット（2,2n;3,3n;n＝
２〜９）および少なくとも一つの検出器（4,4n;5,5n;6
n;n＝２〜９）を一方の物体に付属させ、一つの回折格
子として形成された測定目盛（1;1n;n＝２〜９）を他方
の物体に付属させ、前記光源から放出されたビーム束を
測定目盛で回折させて干渉性の部分ビーム束に分解し、
回折した部分ビーム束を前記光学ユニットにより測定目
盛に向けて偏向させ、そこでもう一度回折させて対にし
て二ビーム干渉させ、各二ビーム干渉の変調強度を前記
検出器で電気信号に変換する、二つの物体の相対位置を
測定する装置において、前記光学ユニットが偏光手段を含まない単純な光学反射
部材で構成され、少なくとも一つの０次の回折次数の部分ビーム束が、各
二ビーム干渉の少なくとも一つの二ビーム干渉の形成要
素に含まれ、測定目盛が測定方向に移動する時に二ビー
ム干渉に生じる強度変調が互いに位相がずれているよう
に、前記測定目盛が設計されていることを特徴とする装
置。
【請求項２】前記光学ユニットは三重プリズム、三重鏡
等のような逆反射部材（2,3;2n,3n;n＝2,3,5,7）である
ことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】前記光学ユニットは平面鏡（2n,3n;n＝4,
6）であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】測角装置の場合、前記光学ユニットは偏向
プリズム（28）であることを特徴とする請求項１記載の
装置。
【請求項５】測角装置の場合、前記光学ユニットはそれ
ぞれ一つの偏向格子（39）を前後に配置するドーブプリ
ズム（29）で形成されていることを特徴とする請求項１
記載の装置。
【請求項６】検出器は少なくとも二つの光電素子（4,5;
4n,5n,6n;n＝２〜９）を有し、これ等の光電素子は少な
くとも２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。
【請求項７】回折格子（14）の部分領域はそれぞれビー
ム束を分離するための領域（14V）と合体させるための
領域（14A）に対してそれぞれ異なった物理特性を有す
ることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】両方の電気信号の周期が測定目盛（13）の
目盛周期の1/4となるように干渉する回折次数が選択さ
れていることを特徴とする請求項１または６記載の装
置。
【請求項９】電気信号の周期が測定目盛（15）の目盛周
期の1/2となるように干渉する回折次数が選択されてい
ることを特徴とする請求項１または６記載の装置。