JPH085318A - 位置に依存する信号を発生する装置 - Google Patents

位置に依存する信号を発生する装置

Info

Publication number
JPH085318A
JPH085318A JP7030885A JP3088595A JPH085318A JP H085318 A JPH085318 A JP H085318A JP 7030885 A JP7030885 A JP 7030885A JP 3088595 A JP3088595 A JP 3088595A JP H085318 A JPH085318 A JP H085318A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
plate
scanning
scale
scanning plate
light source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP7030885A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2818800B2 (ja
Inventor
Wolfgang Holzapfel
ヴオルフガング・ホルツアプフエル
Walter Huber
ヴアルター・フーバー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE4431899A external-priority patent/DE4431899A1/de
Application filed by Dr Johannes Heidenhain GmbH filed Critical Dr Johannes Heidenhain GmbH
Publication of JPH085318A publication Critical patent/JPH085318A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP2818800B2 publication Critical patent/JP2818800B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36Forming the light into pulses
    • G01D5/38Forming the light into pulses by diffraction gratings
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B5/1866Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G02B5/1871Transmissive phase gratings

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Vehicle Body Suspensions (AREA)
  • Body Structure For Vehicles (AREA)
  • Eye Examination Apparatus (AREA)
  • Television Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 乱れに敏感でなく、同時に簡単で、構造形状
が小さく形成できる、位置に依存する信号、つまり増分
信号、符号化された信号あるいは基準信号を発生する装
置を提示する。 【構成】 光源、目盛板M,およびこの目盛板を走査す
る少なくとも一つの走査板Aを備え、前記目盛板Mが振
幅格子あるいは位相格子TMを有し、前記少なくとも一
つの走査板Aが位相目盛TAを有し、前記目盛板が位相
格子のマークGSを有し、このマークの線条方向が測定
方向Xに対して 90 °より異なる或る角度をなし、前記
少なくとも一つの走査板Aにより横方向に分離された部
分ビーム束が位置に依存する信号を発生させるため検出
器で検出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、位置に依存する信号
を発生する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ドイツ特許第 34 16 864-C2 号明細書に
よれば、目盛板上の目盛マークを横方向位相格子として
形成された基準マークが開示されている。基準マーク同
期信号(基準位置で最大値を有する信号)や反転基準マ
ーク同期信号(基準位置で最小値を有し、基準マーク同
期信号とは反転している信号)は基準マークから導くこ
とができる。
【0003】スイス特許第 1292181 A1 号明細書によれ
ば、似たような装置が開示されている。この装置では、
符号化された目盛板の目盛が走査され、この目盛マーク
が横方向位相格子の形にして形成されている。個々の目
盛マークの横方向位相格子の格子定数はそれぞれ異なっ
ているので、出て往く光が異なった方向に偏向され、異
なった光電素子により検出される。出て往く平行な光を
一定の方向に集束させるため、横方向位相格子は非周期
的に形成されている。
【0004】上記二つの明細書に共通することは、光源
から出た光ビーム束がただ一度目盛板の横方向位相格子
と相互作用する点にある。この場合、ビーム束は横方向
に異なった部分ビーム束に分離される。これ等の部分ビ
ーム束はそれ以上のビーム波進行でもはや重ならない。
これ等の部分ビーム束を横方向に十分分離するために
は、横方向位相格子の格子定数が非常に小さくなくては
ならない。従って、これは、特に望ましくない。何故な
ら、この微細な横方向位相格子を目盛板に装着する必要
で、この目盛が相当大きくなるため、製造方法に高度な
要求を設定する必要があり、製造コストが著しく上昇す
る。
【0005】更に、ドイツ特許第 34 16 864-C2 号明細
書に開示されている基準マークは影投影原理(幾何光学
的に波動干渉性を無視した原理)に基づいていることが
分かる。それ故、短いパルスが非常に小さい走査間隔で
のみ発生する。
【0006】欧州特許第 0 363 620-B号明細書は、短い
基準パルスが二つの僅かにずれた基準マーク走査視野に
より影投影走査で発生することを示している。ビーム束
を互いに基準マーク信号と増分信号に分離することは一
定の光学配置を必要とし、この配置は走査ヘッドの寸法
を大きくする。更に、少なくとも3つの光電素子と対応
する多数の電気信号導線が基準マークだけに必要にな
る。
【0007】欧州特許第 0 513 427-A1 号明細書によれ
ば、測定方向に単調に変化する目盛と干渉走査によりよ
り短い基準パルスが大きな走査間隔で発生する。この走
査原理は目盛装置から発生する合成回折字数を異なった
光電素子に分離するこを必要とする。広い基準パルスを
発生させいのであれば、測定方向に単調に変化する目盛
の大きな局部的な目盛周期が必要で、回折字数を分離す
るにはそれに応じて長いレンズ焦点距離が必要である。
その時、小さい構造形状の走査ヘッドも実現できない。
【0008】ドイツ特許第 42 12 281-C2 号明細書には
干渉基準マークが開示されている。この基準マークは、
位相目盛の代わりに振幅走査目盛を使用するため、合成
回折字数を分離する必要はもはやない。こうして、基準
マークは、構造形状が小さい場合、約 1μm ょり大きい
幅の基準パルスを発生する。もっとも、振幅構造パター
ンによる走査は基準パルスの有効成分を低減するので、
一つの目盛走査視野から基準マーク同期信号と反転基準
マーク同期信号を同時に発生させるだけで乱れに十分な
不敏感であることを保証する。しかし、このような目盛
板の共通領域から基準マーク同期信号と反転基準マーク
同期信号が生じる走査は説明した基準マークで不可能で
ある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、乱
れに敏感でなく、同時に簡単で、構造形状が小さく形成
できる、位置に依存する信号、つまり増分信号、符号化
された信号あるいは基準信号を発生する装置を提示する
ことにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、光源L,目盛板M,M′およびこの目盛板M,
M′を走査する少なくとも一つの走査板A,A′,A″
を備え、前記目盛板M,M′が振幅格子あるいは位相格
子TM,TM′を有し、前記少なくとも一つの走査板
A,A′,A″が位相目盛TAを有し、前記目盛板が位
相格子のマークGSを有し、このマークの線条方向が測
定方向Xに対して 90 °より異なる或る角度をなし、前
記少なくとも一つの走査板A,A′,A″により横方向
に分離された部分ビーム束が位置に依存する信号ST,
SGを発生する検出器D0,D+1,D−1 で検出される、
位置に依存する信号を発生させる装置によって解決され
ている。
【0011】更に、この発明による他の有利な構成は、
特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【0012】
【実施例】以下では、この発明の実施例を図面に基づき
より詳しく説明する。図1は基準マーク配置のある増分
測定装置を模式的に示す。光源Lの光はレンズKで平行
ビームにされ、走査板Aと反射目盛板Mから成る装置を
照らす。光は走査板Aを二回通過する。コリメータレン
ズKは出てきた光束を複数の光電素子D0,D±1 に向
け、これ等の光電素子は基準マーク同期信号あるいは反
転基準マーク同期信号を出力する。目盛板Mには、図3
と図4のように、測定方向Xに交互に配置されている反
射・非反射ウェブを有する測定方向に単調に変化する位
相目盛TMが付けてあり、これ等のウェブは測定目盛ー
に垂直に延びている。走査板Aの目盛TAは透明な隙間
GLとパターン化されたウェブGSで構成される測定方
向に測定方向に単調に変化する位相パターン構造体を有
し、ウェブGSの幅と間隔は測定方向に絶えず変化す
る。パターン化されたウェブGSは帯状の周期的な位相
格子であり、そのウェブは測定方向に対して少なくとも
大部分平行である。格子の帯GSの各々は光を異なった
「横方向」の回折次数で測定方向に対して少なくとも大
部分垂直に偏向させる。このウェブGSは格子帯の零次
の横方向回折次数を抑制するように構成されている。こ
の走査パターン構造体の作用は、走査板Aを通過した、
あるいは測定方向Xに垂直に偏向した光束の方向を遠距
離場で(即ち、フラウンホーハー領域で)、つまり異な
った横方向回折次数で偏向した光束を考察すると、最も
簡単に理解できる。零次の横方向回折次数では、光は隙
間GLを通過するが、パターン化されたウェブGSは通
過しない。従って、走査パターン構造体は透明な隙間G
Lと不透明なウェブGSを有する測定方向に単調に変化
する振幅目盛のように見える。±1.次の横方向回折次
数で考察すると、隙間GLから光は得られないが、ウェ
ブGSからは光が得られる。走査パターン構造体は不透
明な隙間GLと透明なウェブGSを有する測定方向に単
調に変化する反転振幅目盛のように見える。隙間GLの
代わりに、ウェブが測定方向に平行に延びる横方向の帯
状体を使用することもでき、領域GSの格子の目盛周期
が領域GLの格子の目盛周期とは異なる。
【0013】次に、走査板Aを n次の横方向回折次数で
最初に通過し、m 次の横方向回折次数で二回目に通過し
た時に偏向されるビーム束を n/mビーム束と表す。 0/0
ビーム束は零次の合成回折次数で目盛装置から出射し、
光電素子D0 に入射する。このビーム束は二回の通過時
に走査パターン構造体を正規の(非反転)振幅目盛と
「見做し」、それに応じた信号成分を発生する。特に、
測定方向に単調に変化する目盛のウェブの角位置はこの
信号成分の信号波形を決め、例えば基準マーク同期信号
あるいは反転基準マーク同期信号を発生するように選択
される。この処置は欧州特許第 0 513 427-A1 号明細書
に説明されている。これにはこの明細書を参照された
い。ここではこれ以上の説明を省く。
【0014】+1/−1 のビーム束および−1/+1 のビー
ム束も同じように零次の合成回折次数で出射し、光電素
子D0 に入射する。これ等の場合では、走査パターン構
造体は二回反転振幅目盛として働く。局部的に見れば、
正規の振幅目盛から反転振幅目盛への移行は走査板Aを
半目盛周期ほど移動させることに相当する。ここでの干
渉走査原理(目盛板Mの+1.次と−1.次の回折次数、つ
まり測定方向の回折;目盛周期= 2信号周期)では、こ
のようなずれは信号の 360°の位相変化、つまり元の位
相位置になる。それ故、反転位相目盛への移行は信号波
形を変えないので、+1/−1 のビーム束と−1/+1 のビ
ーム束は 0/0ビーム束と同じように変調される。同じこ
とは、光電素子D0 に達する他の全ての+n/−n ビーム
束にも当てはまる。これ等のビーム束も同じように零次
の合成回折次数で、つまり走査板Aに垂直に出射する。
【0015】±1/0 次のビーム束および 0/ ±1 次のビ
ーム束は±1.次の合成回折次数で出射し、光電素子D±
1 に達する。これ等のビーム束では、走査パターン構造
体が一度は正規振幅目盛として、また一度は反転振幅目
盛として働く。D+1 およびD−1 の付属する信号成分
の信号波形は対称性により同一である。正確に解析する
と、これ等の信号成分は光電素子D0 の信号に対して反
転するように変調されていることが分かる。光電素子D
0 が例えば基準マーク同期信号(反転基準マーク同期信
号)を出力すると、光電素子D+1 あるいはD−1 によ
り付属する反転基準マーク同期信号(基準マーク同期信
号)が得られる。従って、望ましい目盛板の共通領域か
ら反転基準マーク同期信号と基準マーク同期信号を発生
する走査が得られる。
【0016】任意の全ての n/mビーム束を考えると、パ
ターン化されたウェブGSを例えばウェブと隙間の幅が
同じ階段格子として形成して、これ等のウェブの全ての
偶数横方向回折次数を抑制すると特に有利である。更
に、測定方向に単調に変化する目盛のウェブGSと隙間
GLの局部的は幅を等しく選ぶと有利である。
【0017】測定装置が測定方向Xに対称に回折する±
n 次数、主に±1.次のビームが互いに干渉する場合、説
明した干渉走査法で動作させるなら、更に、零次の回折
次数を抑制するように目盛板Mを構成すると有利であ
る。
【0018】走査板Aを最初に通過した時、種々の横方
向回折次数に分離するビーム束は、二回目の通過で重な
って、それぞれ個別の合成回折次数となる。この重なり
は非可干渉的に行われる必要がある。何故なら、可干渉
性の重畳では、異なった光路長が信号波形を走査間隔に
強く依存させる。この場合、非可干渉性の重なりは、重
なっている個々の部分ビーム束が干渉しないことを意味
しない。これは、互いに干渉する部分ビーム束の多数の
異なった光路差を平均して行われるので、光源から放出
され各光電素子で受光されたビーム束を集めて、統一的
に形成される干渉が生じないか、あるいは破壊的な干渉
が生じる。つまり、部分ビーム束の和を非可干渉的に重
ねることができる。種々の光路差を発生させること、つ
まり非可干渉的に重ねることは、種々の処置で行われ
る。その場合、増分信号、符号化された信号、あるいは
基準信号を使用する測定装置であるかは問題ではない。
【0019】同じ合成回折次数を非可干渉的に重ねるこ
とは、ただ一つの照明部分ビーム束が走査板Aを最初に
通過して横方向に回折する部分ビーム束が走査板Aを二
回目に通過して多数の同じ合成回折次数(方向に関し
て)に分離されることによって達成される。その場合、
得られたこれ等の回折次数が互いに干渉しない。これ
は、光源Lが広い波長スペクトルと短い干渉長を有する
ことにより達成される。
【0020】従って、走査間隔D,つまり走査板Aと目
盛板Mの間の間隔は、図10aで光路差 S1 − S2 が光
源の干渉長より長く、走査板Aを最初に通過して異なっ
た横方向の回折次数に分離し、走査板Aを二回目に通過
して重なるビーム束が互いに干渉できないように選択さ
れる。他の処置を組み合わせない場合、走査間隔Dは横
方向格子定数 dy と光源Lのスペクトル幅Δλに応じて
以下の条件、
【0021】
【外2】 により選択する必要がある。非可干渉性の重畳の他の可
能性は、ただ一つの照明部分ビーム束の合成回折次数が
相互に干渉するが、加算してこの種の多数の干渉を平均
する効果により壊れることにある。以下に詳細に説明す
るように、多数の照明部分束が異なった光路差を発生さ
える処置がある。
【0022】非可干渉性の重畳は、測定方向に(即ちy
方向に)垂直に空間的に延びている光源Lおよび/また
は広い波長スペクトル、つまり短い干渉長で特に有利に
達成される。このように空間的にしかも時間的に非可干
渉性の光源としては、主にLEDが使用される。この発
光素子は発光面に対して測定方向Xに垂直な縦断面を有
する。
【0023】図10bの部分ビーム束の(y方向の)異
なった入射方向によっても、上に述べた部分ビーム束の
干渉性が壊れる。それに応じた発散により、間隔に依存
する干渉項が平均化されて一定値になる。この拡散は、
光源Lが空間的に広がっている場合、コリメータKの適
当な短い焦点距離で達成される。コリメータKの焦点距
離に対するy方向の光源の延びの比が重要である。この
比はできる限り大きいとよい。この発散は、少なくとも
y方向に集束あるいは発散する照明ビーム通路によって
も例えば非点収差を有する照明光学系で発生させること
ができる。最初の走査板の前に配置されたy方向に集束
する円筒レンズは、特に有利であり、y方向に生じるビ
ームに大きな発散(傾き)を与える。
【0024】円筒シリンダを用いるのと同じ作用は、図
9の測定方向に単調に変化する横方向格子A″で達成で
きる。図10cでは、走査板Aを最初に通過してy方向
に測定方向に単調に変化する横方向格子A″の異なった
偏向角度により、y方向に発散する(第一横方向回折次
数の)ビーム束が生じるので、同じように平均化が生じ
る。最小局部横方向格子周期( dymin)と最大局部横方
向格子周期( dymax)は、平行ビーム照明では、条件
【0025】
【外3】 を満たす必要がある。横方向の格子パターン構造体をフ
レネル円筒レンズ(フレネルゾーンプレート)のように
構成すると、例えばコリメータレンズの像面湾曲を補償
して得られる作用が使用できる。
【0026】走査板Aは、図10dにより目盛板に対し
て傾いている(傾斜軸=目盛方向=x方向)。入射ビー
ム束の(y方向の)高さに応じて、横方向に分離した部
分ビーム束の異なった光路差が生じるので、同じように
望ましい平均化が生じる。
【0027】上に説明した図9は走査板A″の変形種を
示す。この走査板では、目盛マークGS″が測定方向X
に周期的に配置されているが、横方向yには回折用のパ
ターン構造体が設けてあり、その局部目盛周期は位置と
共に絶えず変わる。走査板A″は測定方向Xに周期的で
あるが、横方向Yには「測定方向に単調に変化」してい
る。しかし、この走査板は更に測定方向Xにも単調に変
化させて形成してもよい。
【0028】図5〜8には、増分測定装置が模式的に示
してある。この測定装置は干渉性に関して上に説明した
原理に基づいている。光源Lと検出器D0,D+1,D−1
は、図1と2で説明したものと同じである。
【0029】この場合、走査板A′には測定方向Xに対
して横に位相格子として形成された目盛マークがある。
図7の回折部材GS′の間隔は、特に一つの基準マーク
に関する図3と4の実施例の場合のようには、測定方向
Xに位置と共に絶えず変わらない。
【0030】図11は可干渉性の重畳が壊れることを特
に説明する、つまり特に図10bに関連して説明するよ
うに非可干渉性の重畳を得る測定装置を示す。y方向
(測定方向Xに垂直)に延びた光源Lの各発光点は、レ
ンズK,Kを通してコリメートした後、発光点の位置に
依存する光軸に対する一定のビームの傾きを有するビー
ム束を与える。
【0031】これ等のビーム束の各々は、走査目盛Aを
最初に通過すると、種々の横方向回折次数に分離する。
目盛板Mは横方向のビームの傾きに影響を与えない。何
故なら、目盛板は回折を与える横方向パターン構造体を
有していないからである。走査目盛Aを二回目に通過す
ると、異なった横方向の回折次数が重なり、異なった最
終横方向回折次数に偏向する。レンズKを二回目に通過
すると、異なった横方向の回折次数が分裂する。焦点面
Bでは各合成回折次数に対して光源像が生じる。
【0032】重なった横方向回折次数は、光路差に応じ
て、干渉が生じたり壊れる。光路差はビームの傾きに依
存する(同じ傾きの干渉縞)ので、レンズKの焦点面B
に図12に示すストライプ系S,S′は個々の光源像の
中に得られる。
【0033】走査間隔が変化すると、これ等のストライ
プ系S,S′やストライプ系の強度変調が振幅に関して
振動するが、ストライプは同じ位置にある。検出器D0,
D+1,D−1 により一ストライプ周期の数分の1が検出
されるだけで、前記二つの場合の間隔が変化すると、信
号が変化する。検出器D0,D+1,D−1 により一つまた
はそれ以上のストライプ周期が得られると、平均して間
隔に依存する信号が生じる。
【0034】検出器D0,D+1,D−1 は、走査板Aに入
射する部分ビーム束の発散角ΘDivで決まる(図10b
の)横方向のビームの傾きΔΘを有する部分ビーム束を
検出するのに適している必要がある。この場合、
【0035】
【外4】 となる。測定方向に分離された部分ビーム束の干渉を保
証するには、これ等の部分ビーム束は同じ光学通路を有
するか、横方向の位相目盛GSの格子定数が測定方向X
の目盛TAの格子定数より十分小さくなくてはならな
い。その結果、同じ横方向回折次数の部分ビーム束の間
の光路差が小さく、光源Lの時間的な干渉性あるいは異
なったビームの傾きが干渉を余り低減させない。しか
し、これは異なった横方向回折次数の部分ビーム束には
当てはまらない。
【0036】この発明は、零次の合成回折次数の外に、
±一次の回折次数を検出することに限定されるものでは
ない。それ以外の合成回折次数を検出する検出器こ使用
できる。
【0037】図1〜4の基準マークとして構成すること
に関して、目盛パターン構造体の異なった修正が可能で
ある。即ち、 −光電素子D0 が反転基準マーク同期信号を出力し、光
電素子D±1 がそれぞれ基準マーク同期信号を出力する
か、この逆となるように、測定方向Xに測定方向に単調
に変化する目盛のウェブの角位置を選ぶ。
【0038】−光電素子D+1 とD−1 が同一の信号波
形を発生するので、これ等の光電素子を並列に接続でき
る。これ等の光電素子の一つを省くこともできる。 −測定方向Xへの光電素子D0,D+1,D−1 の延びは、
測定方向に単調に変化する目盛TA,TMの±1次の合
成(縦方向)回折次数が走査板Aと目盛板Mに完全に、
つまり特に最小の局部目盛周期に関して完全に当たり、
高い信号レベルと少なくともなる程度である。
【0039】目盛板Mの目盛マークM1 の少なくとも一
方の側にこの目盛板とは異なる付加的な目盛パターン構
造体M2 を付けて、基準マークの乱れに対する鈍感性が
更に改善される。図4の装置では、光電素子D0 で反転
基準マーク同期信号を発生する測定方向に単調に変化す
る目盛の検出視野A1 とM1 に隣接して走査板Aの上に
何もない窓領域A2 が、また目盛板Mに付属する周期目
盛検出視野M2 が配置されている。原点位置では、何も
ない窓領域A2 を経由して周期的な目盛検出視野M2 に
達する光は、光電素子D0 に到達しないほど偏向する
(目盛周期が小さい)。原点位置の外では、光は検出視
野A2 を経由して反射された目盛板の領域M3 に、従っ
て光電素子D0 に達し、この目盛位置で基準マーク同期
信号と反転基準マーク同期信号の信号間隔を大きくす
る。
【0040】位相差を付けて接続されている基準マーク
同期信号と反転基準マーク同期信号は乱れに同感な基準
パルスを形成する。このパルスは安定性のため零レベル
でトリガーされる。仕上げ許容公差は通常基準信号の相
殺を要求する。特に、直流電圧成分を調整する必要があ
る。検出視野領域A2 が付属する部分視野M2 より大き
い図4に似た装置では、この調整はネジで行われる。そ
の場合、このネジは何もない目盛位置領域M3 上の拡大
された検出視野領域M3 によりビーム通路を制限するた
め、反転基準マーク同期用の光電素子D0 の直流光レベ
ルを決める。
【0041】この種の相殺の他の変形種を図13が示
す。目盛板Mと走査板Aの一部のみが示してある。目盛
板M上には、主に図4に示すようなそれ自体周知の基準
マークRMがある。測定方向に基準マークから間隔を置
いて目盛検出視野FMがある。この検出視野の格子線は
測定方向に延びている。これに隣接する目盛板Mの表面
の領域C1,C2,C3 は、例えばクロム層を付けて反射す
るように設計されている。
【0042】目盛板Mの目盛検出視野FMには、走査板
A上の同じ大きさの透明検出視野FAが付属している。
目盛板Mの基準マークRMには走査板Aの上にある走査
検出視野RAが、例えば図3に示すように付属してい
る。目盛板Mの領域C1,C2,C3 には、走査板A上に吸
収領域C4,C5,C6 が付属している。
【0043】基準マークRMが走査検出視野RAで、ま
た目盛検出視野FMが検出視野FAで少なくとも大部分
覆われる基準パルスの最大値の近くで、光が検出視野F
Aを通過して目盛検出視野FMに当たり、±1.の横方
向回折次数となって偏向し、検出器D+1,D−1に達
する。その場合、横方向格子TAは領域FMの格子と同
じ格子パラメータを有する。
【0044】これ等の検出器D+1,D−1 は図15aに
示す前記位置P1 に最大値を有する制御信号のクロック
RSTを出力する。目盛検出視野FMの光ビーム束を偏
向して、検出器D0 で発生する図16aの制御信号の反
転基準マーク同期クロックRSGは前記位置P1 で信号
の最大値を有する。基準マークRMに属する光ビーム束
は、図1〜4の説明のように検出器D0,D+1,D−1 に
入射する部分ビーム束を走査区分RAで発生する。図1
5a,16aの信号波形となる部分ビームを考えること
なく、検出器D0 により基準マーク信号の反転基準マー
ク同期クロックRMGと検出器D+1,D−1 によりそれ
ぞれ基準マーク信号のクロックRMTが得られる。基準
マーク信号の反転基準マーク同期クロックRMGは図1
6bに示してある。検出器D+1,D−1 の信号RSTと
RMTを重ねて、図15cに示す加算信号としての基準
マーク同期信号STが発生する。検出器D0 で信号RS
GとRMGを重ねて、図16cに示す加算信号としての
反転基準マーク同期信号SGが生じる。
【0045】走査時の検出視野FAとFMの作用によ
り、付属検出視野RM,RAあるいはFM,FAの被覆
検出視野の外に制御信号の反転基準マーク同期信号RS
Gが上昇するので、基準マーク同期信号STと反転基準
マーク同期信号SGの信号レベルが拡大する。こうし
て、測定装置の擾乱感度が低下する。他方、被覆領域で
制御信号のクロックRSTの作用により基準マーク同期
信号STが上昇する。ネジまたは他の可変絞りBによ
り、区分FAとFMを通過するビーム通路が部分的に被
覆されているので、基準パルスはトリガレベルに対して
調節できる。ネジまたは絞りBは集束レンズKと走査板
Aの間、あるいは光源Lと集束レンズKの間の領域のと
ころにある。この構成は基準パルスの本来の平衡の外
に、図14に示すように基準パルスの最大値の外で基準
マーク同期信号STと反転基準マーク同期信号SGの間
の上端間隔の拡大を与える。信号レベルJは目盛板Mの
位置の関数として記入されている。
【0046】図17には、目盛板Mの上に反射領域C1,
C2,C3 および目盛検出視野FMが取り替えてある。従
って、0.次横方向回折次数で基準マーク同期信号ST
が発生するように基準マークRMを構成すると、図13
〜16で説明したようのと似たような望ましい信号波形
となる。図13に対して説明したように、平衡をとるた
め絞りが透明な検出視野FAに付属していてもよい。
【0047】この発明によれば、平衡は走査板Aと目盛
板Mの上でそれぞれ基準マークの外にある補助的な検出
視野の作用により実現する。これ等の検出視野は回折格
子、プリズム、ホログラム光学部材、回折光学部材等と
して透明であったり、反射するように形成され、結像特
性や非結像特性を有する。一定の濃淡(異なった絞りや
ネジ)は基準マーク同期信号あるいは反転基準マーク同
期信号の信号レベルを調節する。
【0048】平衡機構は基準マーク信号の平衡に限定す
るのでなく、この発明の増分あるいは符号化された測定
系の平衡のためにも有効に使用できる。この発明は測長
系あるいは測角系で利用でき、走査は透過光あるいは反
射光で行える。
【0049】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明の利点
は、格子定数が小さいため、光リソグラフィー複写に高
度な要求を設定する横方向位相格子を目盛板でなく、よ
り小さい走査板に装着する必要があることにある。この
発明の測定装置はビーム束が走査板を二度通過する垂直
入射原理で動作するので、この発明の構成により、許容
範囲でないあるいは許容範囲内でただ僅かに走査間隔に
依存する測定信号が得られることにある。
【0050】この発明の他の利点は、走査板の目盛マー
クが目盛板のように位相構造パターンで実現されること
にある。特に、基準マークあるいは符号化された測定装
置として構成することにより、増分測定装置の位相構造
パターンと一緒に特に簡単に作製することができる。そ
の場合、位置精度の高い付加的な複写工程はもはや必要
でない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 模式的に示す測定装置である。
【図2】 90°ほど回転して見た図1の測定装置であ
る。
【図3】 測定装置の走査板と測定目盛である。
【図4】 図3の変形種である。
【図5】 模式的に示す増分式測定装置である。
【図6】 90°回転した図5の測定装置である。
【図7】 図8に示す測定目盛に対する走査板を示す。
【図8】 目盛板を示す。
【図9】 走査板の変形種を示す。
【図10】 種々のビーム通路(a〜d)を示す。
【図11】 光学系の光線図である。
【図12】 焦点面内での強度分布である。
【図13】 基準マーク信号を相殺するための目盛板と
走査板の一部分を示す。
【図14】 基準パルスを発生する基準マーク同期信号
と反転基準マーク同期信号の信号波形を示す。
【図15】 図14の基準マーク同期信号を発生する信
号波形である。
【図16】 図14の反転基準マーク同期信号を発生す
る信号波形である。
【図17】 平衡のための他の目盛板と他の走査板を示
す。
【符号の説明】
L 光源 K コリメータレンズ A,A′,A″ 走査板 M,M′ 目盛板 D0,D+1,D−1 光電素子 TA 走査板の位相目盛 TM,TM′ 目盛板の位相目盛 GL 隙間(割れ目) GS ウェブ X 測定方向 ST,SG 位置に依存する信号 D 走査間隔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴオルフガング・ホルツアプフエル ドイツ連邦共和国、83119 オービング、 ブルーメンストラーセ、24 (72)発明者 ヴアルター・フーバー ドイツ連邦共和国、83278 トラウンシユ タイン、ヴアルトベルクフエルトストラー セ、20

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源(L),目盛板(M,M′)および
    この目盛板(M,M′)を走査する少なくとも一つの走
    査板(A,A′,A″)を備え、前記目盛板(M,
    M′)が振幅格子あるいは位相格子(TM,TM′)を
    有し、前記少なくとも一つの走査板(A,A′,A″)
    が位相目盛(TA)を有し、前記目盛板(M,M′)が
    位相格子のマーク(GS)を有し、このマークの線条方
    向が測定方向(X)に対して 90 °より異なる或る角度
    をなし、前記少なくとも一つの走査板(A,A′,
    A″)により横方向に分離された部分ビーム束が位置に
    依存する信号(ST,SG)を発生する検出器(D0,D
    +1,D−1 )で検出されることを特徴とする位置に依存
    する信号を発生させる装置。
  2. 【請求項2】 光源(L)の光は走査板(A,A′,
    A″)に、この走査板(A,A′,A″)から目盛板
    (M,M′)に、そして目盛板(M,M′)から前記走
    査板(A,A′,A″)あるいは他の走査板(A,
    A′,A″)に、そして更に測定方向に垂直に間隔を置
    いて配置された複数の検出器(D0,D+1,D−1 )に指
    向していることを特徴とする請求項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】 走査板(A,A′,A″)を二回目に通
    過した後、横方向に分離する部分ビーム束が互いに非干
    渉的に重なることを特徴とする請求項2に記載の装置。
  4. 【請求項4】 非干渉性は広い波長スペクトルと短い干
    渉長を有する光源(L)によって達成されることを特徴
    とする請求項3に記載の装置。
  5. 【請求項5】 光源(L)はLEDであることを特徴と
    する請求項4に記載の装置。
  6. 【請求項6】 走査板(A)と目盛板(M)の間の間隔
    (D)は、部分ビーム束の光路差(S1 −S2 )が光源
    (L)の干渉長より長いように選択され、走査板(A)
    を一回目に通過すると種々の横方向回折次数に分離さ
    れ、走査板(A)を二回目に通過して重畳する部分ビー
    ム束が互いに干渉しないことを特徴とする請求項4また
    は5に記載の装置。
  7. 【請求項7】 走査間隔(D)は次の関係式、 【外1】 に従って、横方向位相目盛(GS)の格子定数(dy
    および光源(L)のスペクトル幅(Δλ)に依存するこ
    とを特徴とする請求項4に記載の装置。
  8. 【請求項8】 互いに重なる部分ビーム束は多数の異な
    った光路差を有することを特徴とする請求項3に記載の
    装置。
  9. 【請求項9】 走査板(A)の照明は異なった傾斜角
    (ΔΘ)の多数の部分ビーム束を用いて行われることを
    特徴とする請求項8に記載の装置。
  10. 【請求項10】 光源(L)の発光領域は測定方向
    (X)に垂直に空間的に延びていることを特徴とする請
    求項9に記載の装置。
  11. 【請求項11】 光源(L)は測定方向(X)に垂直な
    長手方向に延びた断面を有することを特徴とする請求項
    10に記載の装置。
  12. 【請求項12】 走査板(A)の照明は測定方向(X)
    に垂直に発散ないしは集束する光ビーム束を用いて行わ
    れることを特徴とする請求項9に記載の装置。
  13. 【請求項13】 光源(L)の後ろには、非点収差照明
    光学系が設けてあることを特徴とする請求項12に記載
    の装置。
  14. 【請求項14】 走査板(A″)のマーク(GS)の目
    盛周期は測定方向(X)に垂直に漸次変化することを特
    徴とする請求項9に記載の装置。
  15. 【請求項15】 走査板のマークの目盛周期は測定方向
    に垂直に変化するため、マークがフレネル円柱レンズを
    形成することを特徴とする請求項9に記載の装置。
  16. 【請求項16】 走査板(A)が目盛板(M)に対して
    傾いていて、傾斜軸が測定方向(X)に延びていること
    を特徴とする請求項9に記載の装置。
  17. 【請求項17】 目盛板(M,M′)および/または走
    査板(A′,A″)は測定方向(X)に増分目盛(T
    A′,TM′)を有し、これ等の増分目盛の目盛周期は
    それぞれ一定であることを特徴とする請求項1〜16の
    何れか1項に記載の装置。
  18. 【請求項18】 目盛板(M)は目盛領域(M1 )を有
    し、この領域の目盛周期は位置に依存して測定方向
    (X)に常時変化することを特徴とする請求項1〜16
    の何れか1項に記載の装置。
  19. 【請求項19】 前記少なくとも一つの走査板(A)は
    目盛領域(A1 )を有し、この領域の目盛周期は位置に
    依存して測定方向(X)に常時変化することを特徴とす
    る請求項18に記載の装置。
  20. 【請求項20】 走査板(A,A′,A″)のマーク
    (GS)は零次の横方向回折次数が生じないように構成
    されていることを特徴とする請求項1〜19の何れか1
    項に記載の装置。
  21. 【請求項21】 目盛板(M,M′)の目盛(TM,T
    M′)は零次の縦方向回折次数が生じないように構成さ
    れていることを特徴とする請求項1〜20の何れか1項
    に記載の装置。
  22. 【請求項22】 走査板(A)および/または目盛板
    (M)には、少なくとも一つの他の光学部材(A2,M2,
    M3;FM,FA,C1 〜C6 )が装着されていて、この
    光学部材は光源(L)から出射した光束を検出器(D0,
    D+1,D−1 )の少なくとも一つに指向させ、少なくと
    も一つの位置に依存する信号(ST,SG)に影響を与
    えることを特徴とする請求項1〜21の何れか1項に記
    載の装置。
  23. 【請求項23】 前記光束は光路中にある絞り(B)で
    制限されることを特徴とする請求項22に記載の装置。
JP7030885A 1994-02-23 1995-02-20 位置に依存する信号を発生する装置 Expired - Fee Related JP2818800B2 (ja)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4405843 1994-02-23
DE4405843:8 1994-09-07
DE4431899A DE4431899A1 (de) 1994-02-23 1994-09-07 Meßvorrichtung
DE4431899:5 1994-09-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH085318A true JPH085318A (ja) 1996-01-12
JP2818800B2 JP2818800B2 (ja) 1998-10-30

Family

ID=25934080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7030885A Expired - Fee Related JP2818800B2 (ja) 1994-02-23 1995-02-20 位置に依存する信号を発生する装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US5648658A (ja)
EP (2) EP0669518B1 (ja)
JP (1) JP2818800B2 (ja)
AT (2) ATE189057T1 (ja)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19521295C2 (de) * 1995-06-10 2000-07-13 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung
DE19748802B4 (de) * 1996-11-20 2010-09-09 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Optische Positionsmeßeinrichtung
DE19855307B4 (de) 1998-02-20 2005-09-29 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Abtasteinheit für eine optische Positionsmeßeinrichtung
DE19815241A1 (de) * 1998-04-04 1999-10-07 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Positionsmeßeinrichtung
EP1028309B1 (de) * 1999-02-04 2003-04-16 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Optische Positionsmesseinrichtung
DE10132521A1 (de) 2001-07-09 2003-01-30 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Positionsmesseinrichtung
WO2003021185A1 (de) * 2001-09-04 2003-03-13 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Positionsmesseinrichtung und verfahren zum betrieb einer positionsmesseinrichtung
DE10233063A1 (de) * 2002-07-19 2004-01-29 Optolab Licensing Gmbh Optisches Geberelement mit Positionierungsvorrichtung
US7573580B2 (en) 2003-11-17 2009-08-11 Asml Holding N.V. Optical position measuring system and method using a low coherence light source
JP4880893B2 (ja) * 2004-11-08 2012-02-22 株式会社ミツトヨ 光電式エンコーダ
DE102007023300A1 (de) * 2007-05-16 2008-11-20 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Positionsmesseinrichtung und Anordnung derselben
DE102008025870A1 (de) * 2008-05-31 2009-12-03 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Optische Positionsmesseinrichtung
JP5795532B2 (ja) * 2008-07-07 2015-10-14 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ レーザ自己混合測定装置
DE102010041556A1 (de) 2010-09-28 2012-03-29 Carl Zeiss Smt Gmbh Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie und Verfahren zur mikrolithographischen Abbildung
DE102010043469A1 (de) * 2010-11-05 2012-05-10 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Optische Positionsmesseinrichtung
EP2920649B1 (en) 2012-11-19 2023-03-29 ASML Netherlands B.V. Position measurement system and grating for a position measurement system
ES2701307T3 (es) * 2016-06-07 2019-02-21 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Medida materializada así como dispositivo de medición de posición

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3007311C2 (de) * 1980-02-27 1985-11-28 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Digitales lichtelektrisches Längen- oder Winkelmeßsystem
DE3229846C2 (de) * 1982-08-11 1984-05-24 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Längen- oder Winkelmeßeinrichtung
JPS6070311A (ja) * 1983-09-27 1985-04-22 Mitsubishi Electric Corp 光学式エンコ−ダ
DE3416864C2 (de) * 1984-05-08 1986-04-10 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Photoelektrische Meßeinrichtung
DE3417176C2 (de) * 1984-05-09 1986-07-31 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Photoelektrische Meßeinrichtung
US4943716A (en) * 1988-01-22 1990-07-24 Mitutoyo Corporation Diffraction-type optical encoder with improved detection signal insensitivity to optical grating gap variations
DE3834676A1 (de) * 1988-10-12 1990-04-19 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Photoelektrische positionsmesseinrichtung
DE3901534C1 (ja) * 1989-01-20 1990-04-26 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut, De
GB2238865B (en) * 1989-12-04 1994-01-26 Mitutoyo Corp Photoelectric displacement detector
JPH04136716A (ja) * 1990-09-28 1992-05-11 Okuma Mach Works Ltd 光学式エンコーダ
US5204524A (en) * 1991-03-22 1993-04-20 Mitutoyo Corporation Two-dimensional optical encoder with three gratings in each dimension
AT395914B (de) * 1991-04-18 1993-04-26 Rsf Elektronik Gmbh Photoelektrische positionsmesseinrichtung
DE59102126D1 (de) * 1991-05-18 1994-08-11 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Interferentielle Positionsmessvorrichtung.
DE4212281A1 (de) * 1991-07-11 1993-10-14 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Interferentielle Positionsmeßvorrichtung
JP3170902B2 (ja) * 1992-09-30 2001-05-28 キヤノン株式会社 信号処理方法及びそれを用いたエンコーダ

Also Published As

Publication number Publication date
EP0669518B1 (de) 2000-01-19
ATE192566T1 (de) 2000-05-15
EP0669519A3 (de) 1997-01-02
EP0669518A3 (de) 1996-12-27
EP0669518A2 (de) 1995-08-30
ATE189057T1 (de) 2000-02-15
EP0669519B1 (de) 2000-05-03
US5648658A (en) 1997-07-15
EP0669519A2 (de) 1995-08-30
JP2818800B2 (ja) 1998-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2818800B2 (ja) 位置に依存する信号を発生する装置
JP2501714B2 (ja) 干渉位置測定装置
JP3121539B2 (ja) 光電位置測定装置
US7348546B2 (en) Position measuring system with a scanning unit having a reference pulse signal detection unit
US5214280A (en) Photoelectric position detector with offset phase grating scales
JP4503822B2 (ja) 位置測定装置
US7714273B2 (en) Position-measuring device
US6541761B1 (en) Optical position measuring system with a graduation that causes essentially only first orders of diffraction
US8604413B2 (en) Optical encoder including displacement sensing normal to the encoder scale grating surface
US8492703B2 (en) Lens aberration correction in a doubly telecentric displacement sensor
US7858922B2 (en) Position-measuring device
US5120132A (en) Position measuring apparatus utilizing two-beam interferences to create phase displaced signals
US20080062431A1 (en) Interferometric optical position encoder employing spatial filtering of diffraction orders for improved accuracy
JP2001208566A (ja) 測定装置
KR102425154B1 (ko) 광학적 위치 측정 장치
US4025197A (en) Novel technique for spot position measurement
US20090279100A1 (en) Scale and readhead
US7404259B2 (en) Optical position measuring instrument
JP4936980B2 (ja) 光学エンコーダ
JPH095026A (ja) 光電位置測定装置
US20190120609A1 (en) Optical position-measuring device
JP2000230803A (ja) 光学的位置測定装置
JP5128364B2 (ja) 位置測定装置
JPH09113213A (ja) 高調波信号成分を濾波する装置
JPH06174424A (ja) 測長または測角装置

Legal Events

Date Code Title Description
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 19980616

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080828

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090828

Year of fee payment: 11

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100828

Year of fee payment: 12

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110828

Year of fee payment: 13

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120828

Year of fee payment: 14

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees