光学式角度測定装置
【課題】少なくとも一つの走査検知格子および少なくとも一つの測定目盛を有する目盛板の間の相対移動を検出するための光学式角度測定装置を提供する。
【解決手段】その走査検知格子は直線走査検知格子として構成されており、目盛板には測定目盛として、第一および第二組合せラジアル円環格子を含み、そしてミラーを有している。それにより入射する光束が走査検知格子で、まず二つの分光光束に分割される。その分光光束が、第一組合せラジアル円環格子の方向に進み、そこで回折される。その回折された分光光束が、ミラーの方向に進み、そこで第二組合せラジアル円環格子の方向に反射される。その分光光束が、引き続いて第二組合せラジアル円環格子の方向に進み、そこで回折される。その回折された分光光束が走査検知格子の方向に進み、そこで分光光束の重ね合わせが生じる。
【解決手段】その走査検知格子は直線走査検知格子として構成されており、目盛板には測定目盛として、第一および第二組合せラジアル円環格子を含み、そしてミラーを有している。それにより入射する光束が走査検知格子で、まず二つの分光光束に分割される。その分光光束が、第一組合せラジアル円環格子の方向に進み、そこで回折される。その回折された分光光束が、ミラーの方向に進み、そこで第二組合せラジアル円環格子の方向に反射される。その分光光束が、引き続いて第二組合せラジアル円環格子の方向に進み、そこで回折される。その回折された分光光束が走査検知格子の方向に進み、そこで分光光束の重ね合わせが生じる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式角度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
干渉による走査検知原理をベースにしている高分解能の光学式角度測定装置は、上に測定目盛を配設した目盛板に対して有する取り付け許容度は極く僅かである。この問題を解決する測定装置は、本出願人によるＤＥ １０ ２０１０ ０２９ ２１１．７号で開示されている。ラジアル目盛の走査検知から生じると共に取り付け許容度が小さいことの原因となる光波前面歪みは、リフレクタと光波前面補正器を意図して使用することにより最小化できる。しかしながら、そのために必要な光波前面補正器は基本的に、走査検知する測定目盛の特定目盛半径ないし完全に特定された測定用途に対して最適化する。従って、その光学式角度測定装置の該当走査検知光学系は走査検知する色々な目盛半径に万能でない、ないし色々な測定用途に万能で使用することができないということが、問題として起きる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、高い分解能および大きな取付許容度を有する光学式角度測定装置を提供することであり、走査検知する測定目盛の異なった目盛半径と関連して、ないし異なった測定用途において万能で使用できるが、そのために走査検知光学系の著しい適合化を必要とするものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題を本発明に従って、請求項１の特徴を有する光学式角度測定装置により解決する。
本発明による光学式角度測定装置の利点ある実施方法は、従属請求項に記載の処置で得られる。
【０００５】
本発明による光学式角度測定装置は、少なくとも一つの走査検知格子および少なくとも一つの測定目盛を有する目盛板の間の相対移動を検出するために使用される。そのとき走査検知格子が、直線走査検知格子として構成されている。目盛板には測定目盛として、第一および第二組合せラジアル円環格子を含み、そしてミラーを有している。それにより入射する光束が走査検知格子で、まず二つの分光光束に分割される。その分光光束が、第一組合せラジアル円環格子の方向に進み、そこで回折される。その回折された分光光束が、引き続いてミラーの方向に進み、そこで第二組合せラジアル円環格子の方向に反射される。そしてその分光光束が、第二組合せラジアル円環格子の方向に進み、そこで回折される。その回折された分光光束が最終的に、走査検知格子の方向に進み、そこで分光光束の重ね合わせが生じる。
【０００６】
組み合された第一および第二ラジアル円環格子が、少なくとも一つの方位方向光学的屈曲作用を、リング状に曲げられたラジアル方向円筒レンズの光学的作用と一緒に備えていると好ましい。
【０００７】
そこで第一組合せラジアル円環格子が、分光光束に対する長手方向および横方向の屈曲作用の他に、更にミラーへの分光光束の集束を生じるように構成されていることがある。
第二組合せラジアル円環格子が、分光光束に対する長手方向および横方向の屈曲作用の他に、走査検知格子の方向に進む分光光束の再平行光線化が生じるように構成されていると利点がある。
【０００８】
可能性ある実施形態では、組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子が、目盛板の全周に亘ってリング状で配設されており、リング全周に亘って一定の方位方向格子周期を有し、そしてラジアル方向では変化するラジアル格子周期を有している。
【０００９】
ミラーが、目盛板の全周に亘ってリング状で配設されていると好ましい。
可能性のあることは、目盛板が透明な材料で出来ており、第一側には組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子が配設されており、反対側の第二側にはミラーが配設されており、その反射面が第一側に向けられていることである。
【００１０】
可能性のある実施形態では、走査検知格子が、反射性走査検知格子として構成されている。
光源および複数の光電子式ディテクタ要素が、走査検知ユニットに配設されており、そこで光源から発せられた光束を走査検知格子に送ることができ、重ね合わされた分光光束を光電子式ディテクタ要素に送ることができると好ましい。
【００１１】
別の実施形態では、走査検知ユニットに更に走査検知格子が配設されており、目盛板が走査検知ユニットに対して可動で配設されている。
それに対する代替として走査検知格子に対して、少なくとも一つの走査検知ユニットがスライド自在で、そして目盛板が回転自在で配設されているようにしていることがある。
【００１２】
別の変形例では少なくとも一つの走査検知ユニットが、走査検知格子と一緒に目盛板に対して、目盛板の中心を通過する軸に沿って相対的に可動で配設されていることがある。
更に、複数の走査検知ユニットおよびその走査検知ユニットに関連配置された複数の走査検知格子が設けられ、その走査検知ユニットと走査検知格子が、色々な方位方向位置で目盛板に対して相対的に配設されていることがある。
【００１３】
更に、目盛板が複数の目盛板セグメントで出来ていることがある。
最後に、走査検知ユニットから来る光束を、屈曲ユニットを介して目盛板の方向に向けることができ、そして目盛板から来る光束を、屈曲ユニットを介して走査検知ユニットの方向に向けることができるようにしていることもある。
【００１４】
本発明による光学式角度測定装置は、異なった目盛半径を有する彎曲した測定目盛を高分解能且つ万能で走査検知するために適しており、そのために走査検知光学系をそれぞれ適合化する必要がない。それどころか基本的に、本発明による光学式角度測定装置の走査検知光学系を、直線測定目盛を走査検知するためにも使用することができる。
【００１５】
更に本発明による光学式角度測定装置は、回転角検出のための一般的な用途にも、以下において更に詳細に説明する特殊な機械運動における位置検出のためにも使用することができる。即ち、本発明による光学式角度測定装置は、異なった用途に関しても万能で使用可能である。それにより例えば、直線テーブル上で横方向に沿ってスライド自在で配設されている回転テーブルの回転角を、高精度で特定できる。そのとき同時に、直線テーブルのガイド偏差も検出する。更に本発明による光学式角度測定装置は、当該種類の運動において回転角検出の他に、スライド自在である回転テーブルの横方向ＸＹ位置の特定も可能にする。回転角の検出もオプションとしての横方向ＸＹ位置検出も、即ち、組み合わされた回転および直線運動の検出は、従来技術とは違ってシーケンシャルではなく、直接且つ小さな測定サークルで行う。
【００１６】
本発明による光学式角度測定装置の更なる利点として挙げられることは、可能性ある高分解能の他に、加えて測定目盛の側で走査検知面が比較的大きい時に、同時に目盛板に対して大きな取り付け許容度を有していることである。
【００１７】
本発明の更なる利点および詳細は、添付の図面を使った以下の実施例についての説明で分かる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による光学式角度測定装置の構成要素の、種々の幾何形状量を含む概略図示。
【図２】それぞれ本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図３】それぞれ本発明による光学式角度測定装置の第一実施形態の、展開された走査検知光路。
【図４】図４ａは上にミラーが配設された本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態における目盛板の下側の部分外観であり、図４ｂは上にラジアル円環格子が配設された本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態における目盛板の上側の部分外観であり、図４ｃは本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態の走査検知格子の部分外観である。
【図５】本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態のラジアル円環格子の寸法を説明するための図示。
【図６】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第二実施形態が使用される極座標運動を有する機械の外観。
【図７】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第二実施形態が使用される極座標運動を有する機械の外観。
【図８】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の、第二実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図９】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第二実施形態の、展開された走査検知光路。
【図１０】図１０ａは上にミラーが配設された本発明による光学式角度測定装置の、第二実施形態の目盛板の下側の部分外観であり、図１０ｂは上にラジアル円環格子が配設された本発明による光学式角度測定装置の、第二実施形態の目盛板の上側の部分外観であり、図１０ｃは本発明による光学式角度測定装置の、第二実施形態の走査検知格子の部分外観である。
【図１１】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の、第三実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図１２】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第三実施形態の、展開された走査検知光路。
【図１３】図１３ａは上にミラーが配設された本発明による光学式角度測定装置の、第三実施形態の目盛板の下側の部分外観であり、図１３ｂは上にラジアル円環格子が配設された本発明による光学式角度測定装置の、第三実施形態の目盛板の上側の部分外観であり、図１３ｃは本発明による光学式角度測定装置の第三実施形態の、走査検知格子の部分外観である。
【図１４】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の、第四実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図１５】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の、第四実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図１６】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第五実施形態を有する測定配設の外観。
【図１７】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第五実施形態を有する測定配設の外観。
【図１８】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第六実施形態が使用され極座標運動を有する別の機械の外観。
【図１９】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第六実施形態が使用され極座標運動を有する別の機械の外観。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明による光学式角度測定装置について、以下において種々の具体的な実施例ないし用途例を詳細に説明する前に、ある程度の基本的な考え方をまず図１を使って説明することにする。図１においては更に、以下の説明経過の中で使う個々の幾何形状量を分かるようにしている。
【００２０】
本発明による光学式角度測定装置は、干渉による走査検知原理をベースにしており、それに含まれるのは、走査検知ユニット２０および、これに対して相対的にＸＹ面で回転すると共に上に測定目盛が配設された目盛板１０である。ここで図１においては測定目盛を図示していない。走査検知ユニット２０に対して相対的な目盛板１０の回転角Θを特定するために、測定目盛としてラジアル格子が目盛板１０上に設けられている。走査検知光路においてラジアル格子が、回折された光束の光波前面を歪ませる。よって、二つの分光光束を干渉させて高変調度の走査検知信号を生成するためには、走査検知ユニット２０において補正性のある走査検知格子が不可欠である。目盛板１０と走査検知ユニット２０の相対位置に関して、組み付けおよび運転許容度が大きいことを望む場合には、追加の逆反射要素および光波前面補正器を走査検知光路で走査検知ユニット２０に配設することが、基本的に可能である。そのためには、例えば本出願人による最初に言及したＤＥ １０ ２０１０ ０２９ ２１１．７号を参照されたい。その場合には基本的に、目盛板１０の測定目盛の目盛半径Ｒに走査検知ユニット２０の光学要素を特別に適合化することが不可欠である。
【００２１】
本発明は一つの走査検知光学系を提案しており、それはＤＥ １０ ２０１０ ０２９ ２１１．７号による光波前面補正器と逆反射要素の機能を、目盛板１０上に組合せラジアル円環格子として構成されている測定目盛で実施するものである。走査検知格子としては走査検知ユニット２０において必要となるのは直線格子のみである。このようにすることにより、一つの同じ走査検知ユニット２０を、上に測定目盛が配設され異なった目盛半径Ｒを有する色々な目盛板１０を走査検知するために使用することができる。それどころか更に、本発明による光学式角度測定装置の走査検知ユニット２０を、直線測定目盛（Ｒ→∞）を備えた基準尺体を走査検知するためにも使用することが可能である。これに適した基準尺体は、例えば本出願人によるＷＯ ２００８／１３８５０２ Ａ１号で開示されている。
【００２２】
走査検知格子が直線格子として構成されているので、この走査検知格子の横方向スライド量が走査検知信号の信号強度に影響を与えない。よって、それを走査検知ユニット２０から空間的に分離して配設し、その長手または横方向の大きさを任意に大きくすることもできる。即ち、本発明による角度測定装置を介することにより、走査検知格子および上に測定目盛が配設された目盛板との間、ないし走査検知格子と目盛板と繋がる機械構成部品間の相対移動を特定することができる。このようにすることにより、本発明による光学式角度測定装置の特別な実施形態では、走査検知格子に対して相対的に目盛板の横方向ＸＹスライドが大きい時にも、角度測定を実施することが可能である。その場合に許容できる横方向ＸＹスライド量は、走査検知ユニット２０が目盛板１０と一緒にスライドするが一緒に回転しない時、走査検知格子の大きさによってのみ制限されている。走査検知信号の信号強度は、この範囲内で変わらず高い。よって、本発明による光学式角度測定装置のこの実施形態は、上記で言及した特殊な運動をする機械に特に適している。ここで複数の走査検知ユニットを、場合により複数の走査検知格子も配設することにより、横方向ＸＹスライド量の同時特定も可能である。
【実施形態１】
【００２３】
図２ａと２ｂは、それぞれ本発明による光学式角度測定装置の第一実施形態の走査検知光路を有する断面外観を示している。
走査検知ユニット２０に配設された平行光線光源２１、例えば適切なレーザ光源が光学軸Ｚに沿って、走査検知プレート２４の下側に設けられている第一直線格子２３．１を照らす。ここで走査検知プレート２４の下側として解釈するのは、走査検知プレート２４で走査検知される目盛板１０に対向している側とする；走査検知プレートのそれとは反対の側を上側と表すことにする。入射する光束は、走査検知格子２４の位置Ｐ３で二つの分光光束に分割される。そして二つの分光光束は測定目盛の、第一組合せラジアル円環格子１１．１として構成されていると共に目盛板１０の前側に配設されている第一部分の方向に進む。そこで分光光束が、位置Ｐ４ａないしＰ４ｂで第一組合せラジアル円環格子１１．１に当たる。
【００２４】
第一組合せラジアル円環格子１１．１は、目盛板１０の全周に亘ってリング状に配設されており、透過光格子として構成されている。それは、本発明により複数の光学的機能を合わせ持っている；それは、それに衝突する二つの分光光束を、ＹＺ面で再び光学軸Ｚに平行（長手方向屈曲作用）に屈曲する共に、それらをＸ方向（横方向屈曲作用）に屈曲する。更にその二つの衝突する分光光束を、ラジアル方向円筒レンズ作用によりラジアル方向で、透明な目盛板１０の背面側にあるミラー１２に集束する。そのミラーは、−図４ａの部分外観で分かるように−目盛板１０の全周に亘ってリング状に配設されている。
【００２５】
以上により、第一組合せラジアル円環格子１１．１により回折された、ないし先に説明したように影響を受けた分光光束はミラー１２の方向に進み、そこでミラー１２上の位置Ｐ５ａないしＰ５ｂにおいて測定目盛の第二部分の方向へ、即ち、目盛板１０上の第二組合せラジアル円環格子１１．２に反射される。以上により、ミラー１２上の位置Ｐ５ａないしＰ５ｂで反射された後に分光光束は、目盛板１０上の第二組合せラジアル円環格子１１．２の方向に進む。
【００２６】
本発明により第二組合せラジアル円環格子１１．２も、複数の光学的機能を合わせ持っている；それは、それに入射する二つの分光光束を、ＹＺ面で再び反対方向に屈曲（長手方向屈曲作用）するので、それらは共通の位置Ｐ７において、走査検知プレート２４の第二走査検知格子２３．２に当たる。二つの分光光束は加えて、ＸＺ面で再び光学軸Ｚに平行に向けられる（横方向屈曲作用）。その他に光学的な円筒レンズ作用を介して、二つの分光光束の再平行光線化が行われる。
【００２７】
呈示の実施例では目盛板１０が、透明な材料で出来ている。目盛板１０の第一側（上側）には、組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子が配設されている；目盛板１０で反対側の第二側（下側）にはミラー１２が配設されており、その反射面は第一側に向けられている。
【００２８】
第二組合せラジアル円環格子１１．２で回折ないし影響された後に、分光光束は直線走査検知格子２３．３の方向に進み、そこで重ね合わせないし干渉させられて、三つのそれぞれ組み合わされた分光光束に分割される。その三つの組み合わされた分光光束は、結果として０次および±１次回折次数で走査検知格子２３．２を出て行き、走査検知ユニット２０にある共にスライド量に関係して変調された走査検知信号を出す光電子式ディテクタ要素２２．１，２２．２，２２．３に到達する。第二直線走査検知格子２３．２の特別な構成により、走査検知信号が互いの間で１２０°位相のずれていることを達成できる。そのために公知の方法でそれを、格子線高さを１８０°に等しくない位相ズレに相当して選び格子線幅が格子周期の半分だけ偏っている位相格子として構成する。走査検知信号は引き続いて、位置の値を生成する評価ユニット−図示していない−に送られる。
【００２９】
呈示の第一実施例では、光源２１および光電子式ディテクタ要素２２．１，２２．２，２２．３の他に更に、直線走査検知格子２３．１，２３．２が走査検知ユニット２０に配設されている。その場合に光源２１から発せられた光束を、第一走査検知格子２３．１に送ることができ、重ね合わされた分光光束を、第二走査検知格子２３．２から光電子式ディテクタ要素２２．１，２２．２，２２．３に送ることができる。目盛板１０は、走査検知ユニット２０に対して相対移動できるように配設されている、即ち、目盛板１０の中心点を通る光学軸Ｚに平行に走る目盛板１０の中心軸を中心にして回転自在である。
【００３０】
図３ａと３ｂではこの実施例の走査検知光路を、引き延ばした又は展開した形態で図示している。図３ａで分かることは、位置Ｐ４ａ，Ｐ４ｂとＰ６ａ，Ｐ６ｂにおける組合せラジアル円環格子１１．１と１１．２の横方向屈曲作用であり、それがＸ方向において分光光束に対する光線ズレとなっている。図３ｂで図示しているのは、位置Ｐ３において第一走査検知格子２３．１を介した二つの分光光束への分割、位置Ｐ４ａ，Ｐ４ｂとＰ６ａ，Ｐ６ｂにおける組合せラジアル円環格子１１．１，１１．２を介した長手方向屈曲、そして第二走査検知格子２３．２の位置Ｐ７における二つの分光光束の重ね合わせである。
【００３１】
図４ａは、目盛板１０の下側にありリング状に曲がったミラー１２の上部外観ないし部分外観および、組合せラジアル円環格子１１．１の円筒レンズ作用により線状に集束されて位置Ｐ５ａとＰ５ｂで反射される二つの分光光束を示している。
【００３２】
図４ｂにおいては、目盛板１０の上側にあるリング状組合せラジアル円環格子１１．１と１１．２を、概略的な部分外観で示している。これらの格子１１．１，１１．２の部分的チェス盤状構造は、好ましくは１８０°の位相高さを有する位相格子として構成されている。それは方位方向で、即ちリング形状に沿って、ラジアル格子のように周期的に光学構造化されている。従って格子１１．１は全周に亘ってＮ１の、そして格子１１．２はＮ２の方位方向格子周期を有している。ラジアル方向では格子構造が、リング状に曲げられた回折円筒レンズのそれに相当している。よってそれを、ラジアル方向格子周期が対応してラジアル方向で変化する円環格子として見なすことができる。
【００３３】
図４ｃは、走査検知プレート２４の下側にある二つの直線走査検知格子２３．１と２３．２の部分外観を示している。この実施形態で二つの走査検知格子２３．１，２３．２は、同じ格子定数および格子方向を有している。走査検知格子２３．２の特別な構成は、既に上記で説明した。走査検知格子２３．１は好ましくは、１８０°の位相変化量および概ね格子定数の半分に等しい格子線幅を有する位相格子として構成されている。走査検知格子２３．１に対して、走査検知格子２３．２に対するものと同じ格子構造を選択することも基本的に可能であり、それにより二つの走査検知格子を、共通した走査検知格子として実施していることもある。
【００３４】
以下においては図５を使って、組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子１１．１と１１．２の特別な寸法を詳細に説明することにする。そのために、二つの分光光束でｋベクトルのＸとＹ成分に注目する。位置Ｐ４ａに入射する分光光束は、格子定数ｄＡを有する直線走査検知格子２３．１での回折により、
【００３５】
【数１】
【００３６】
のｋベクトルｋＡ１を有している。
このｋベクトルは、まず第一屈曲関数により、即ち組合せラジアル円環格子１１．１の格子定数−ｋＡ１により補正する必要がある。そのために、この格子定数−ｋＡ１をラジアル方向成分ｋＡ１ｒと方位方向成分ｋＡ１ａに分解する。ラジアル方向成分ｋＡ１ｒは対応するラジアル方向格子定数により、そして方位方向成分ｋＡ１ａは対応する方位方向格子定数により得ることができる。第一屈曲関数だけなら、入射する分光光束を光学軸Ｚに対して平行に向けるであろう。それにラジアル方向円筒レンズ作用を重ね合わせるが、その作用は次の関係に従って相当する格子位相ΦＬ（ｒ）により説明される：
【００３７】
【数２】
【００３８】
そこで
λ レーザ光源の波長
ｎＴ 目盛板の屈折率
Ｒ 目盛板の目盛半径
Δａ 焦点位置の方位方向スライド量（下記を参照）
ＺＴ 目盛板の厚み
この円筒レンズの焦点位置は、目盛半径Ｒにある。目盛半径Ｒからの衝突点Ｐ４ａの間隔により、この円筒レンズが分光光束をラジアル方向に屈曲する。この屈曲の付属する格子ベクトルは、ｋＬ１で表される：
【００３９】
【数３】
【００４０】
そこで、 ｒＰ４ａ 衝突位置Ｐ４ａの半径
この実施例におけるように、円筒レンズ作用がＸ方向での屈曲のみを起こす時には、格子ベクトルｋＬ１のＹ成分を相当方位方向格子ベクトルｋＬ１ａにより補正せねばならない。この方位方向格子ベクトルｋＬ１ａが、焦点位置で相当する方位方向スライド量Δａを示している。円筒レンズの結像品質を最適にするためには、上記の式に従った格子位相ΦＬ（ｒ）におけるこの方位方向スライド量Δａを考慮する必要があろう。
【００４１】
組合せラジアル円環格子１１．１の構造は、全ての方位方向とラジアル方向の屈曲作用および円筒レンズ作用重ね合わせから得られる。得られる方位方向格子ベクトルｋＡ１ａ＋ｋＬ１ａは、全周に亘る周期Ｎ１の方位方向数に換算することができる。
【００４２】
【数４】
【００４３】
そこでラウンド関数ｒｏｕｎｄによる誤差は、無視することができる。付属する方位方向格子位相Φ１ａ（Θ）は、次のように得られる：
【００４４】
【数５】
【００４５】
ラジアル方向屈曲作用を説明するラジアル方向格子ベクトルｋＡ１ｒおよび円筒レンズ作用に対する格子位相ΦＬ（ｒ）使って、ラジアル方向格子位相Φ１ｒ（ｒ）が得られる：
【００４６】
【数６】
【００４７】
この格子位相を定量化することにより、組合せラジアル円環格子１１．１の相当する位相格子構造を計算することができる。例えば二元格子構造に対して定量化を、
【００４８】
【数７】
【００４９】
の全ての位置に格子線を、そして他の全ての位置で対応して隙間を設けていることにより行う。勿論、別の定量化方法も可能である。格子構造の局所的な周期性は最終的に、関数ｃｏｓ（Φ１ｒ（ｒ））とｃｏｓ（Φ１ａ（Θ））の周期性により規定されていなければならない。ラジアル方向格子位相Φ１ｒ（ｒ）をブレーズタイプの格子構造により近似する時、特に大きな走査検知信号を得ることができる。
【００５０】
組合せラジアル円環格子１１．２の構造は、類似の方法で計算できる。円筒レンズ作用は同じ格子位相ΦＬ（ｒ）により説明する。そのラジアル方向屈曲は格子ベクトルｋＬ２により説明する：
【００５１】
【数８】
【００５２】
そこで ｒＰ６ａ 衝突位置Ｐ６ａの半径
同じく円筒レンズ作用がＸ方向での屈曲のみを起こす時には、方位方向成分を対応する方位方向格子ベクトルｋＬ２ａにより補正せねばならない。方位方向格子ベクトルｋＬ２ａと格子位相ΦＬ（ｒ）の組み合わせ作用により、入射する分光光束が再び平行光線化され、光学軸Ｚに対して平行に向けられる。そして、格子ベクトルｋＡ２を有する第二走査検知格子２３．２により二つの分光光束の重ね合わせを行えるように、分光光束の次の屈曲が行われねばならない。よって、この屈曲の付属する格子ベクトルは−ｋＡ２でなければならない。この実施形態では二つの走査検知格子２３．１と２３．２が、同じ格子定数を有しているので、ｋＡ２＝ｋＡ１が当て嵌まる。同じく格子ベクトル−ｋＡ２を、方位方向成分ｋＡ２ａとラジアル方向成分ｋＡ２ｒに分解する。よって上記と同様に、第二組合せラジアル円環目盛１１．２に対して、周期の方位方向数Ｎ２、および方位方向格子位相Φ２ａ（Θ）とラジアル方向格子位相Φ２ｒ（Θ）が、
【００５３】
【数９】
【００５４】
【数１０】
【００５５】
【数１１】
【００５６】
で得られる。
格子構造の計算に対して、同じくこの格子位相の定量化が必要であり、上記に記載のように行う。
【００５７】
位置Ｐ４ｂで第一組合せラジアル円環格子１１．１に、そして位置Ｐ６ｂで第二組合せラジアル円環格子１１．２に当たる第二分光光束も、第一分光光束に対して対称的に伝えられねばならない。よって方位方向格子周期は、ラジアル方向対称軸を有していなければならない。上記の定量化は、そのようなラジアル方向対称軸を自動的に決める。
【００５８】
二つの走査検知格子２３．１と２３．２の格子ベクトルｋＡ１とｋＡ２を、勿論、異なって選ぶこともできる。それが、上記の式に従った組合せラジアル円環格子１１．１，１１．２の適合化された格子構造に相当して条件になる。非常に大きく異なった格子ベクトルを選ぶ時には、二つの分光光束が再び同じ位置Ｐ７で合流するように、衝突点Ｐ４ａとＰ６ａないしＰ４ｂとＰ６ｂ間でのＹ方向において光線がずれる必要があろう。そして方位方向格子ベクトルｋＡ１とｋＡ２を対応して合わせるが、それは専門家には容易に可能である。
【００５９】
二つの円筒レンズ作用の結像品質を改良することは、レイトレーシングモデルを使った最適化により達成することができる。そして、Δａのようなモデルパラメータおよび二つの円筒レンズ作用に対する焦点半径Ｒは、別々に最適化できる。
【００６０】
色々な光学的屈曲作用および円筒レンズ作用の上記計算は、まず分光光束の主光線のみを考慮する。しかしながら、分光光束の横方向拡がりを超える光波前面変形が、実際では走査検知光学系の使用性を左右する。この光波前面変形が極端に小さい時にのみ、良好な変調度を有する評価可能な走査検知信号が生成される。この光波前面変形が実際に極端に小さいことが存在しているのは、本発明による走査検知光学系の二つの特別性である。一つには二つの組合せラジアル円環格子１１．１と１１．２が、入射する平坦な光波前面を再び平坦な光波前面に変換する。この驚くべき特性は、−１の結像尺度を生じるそのラジアル方向の円筒レンズ作用による結像と関連している。それにより格子１１．１の（小さい方の半径に向かう）内側で小さい方の方位方向格子周期が、対応して方位方向格子周期の大きい格子１１．２の外側に結像される。反対に、格子１１．１の外側の大きい方の方位方向格子周期は、小さい方の方位方向格子周期を有する格子１１．２の内側に結像される。第一格子１１．１のラジアル方向で変化する方位方向屈曲作用が結像により、そして第二格子１１．２のラジアル方向で変化する方位方向屈曲作用が補正される。以上により、半径Ｒに最早近似的に関係しない方位方向屈曲作用が得られる。よって平行光線化された分光光束が、再びそのようなものに移行する。それにより、−１の結像尺度でラジアル方向において円筒レンズ作用により生成される反射および光波前面補正が、目盛板の格子１１．１と１１．２自体により行われ、ＤＥ １０ ２０１０ ０２９ ２１１．７号のように走査検知ユニット２０の該当光学的要素によるものではない。
【００６１】
本発明による角度測定装置で利点がある別の特別性は、他の角度測定装置では一般的なラジアル方向走査検知格子の代わりに、直線走査検知格子２３．１と２３．２を使用することにある。それにより分光光束の光波前面が、走査検知ユニット２０から目盛板１０に進む時に平坦であり、この平坦な光波前面を走査検知間隔の変化時にも保持している。目盛板１０から逆に走査検知ユニット２０に進むことに対しても、このことが当て嵌まる。よって、その走査検知光学系には走査検知間隔に関して特に大きな許容度がある。このことは今まで公知の走査検知光学系とは対照的であるが、その場合には分光光束が走査検知ユニットから目盛板に向かって時または逆に進む時に、平坦でなく歪んだ光波前面を有している。進む時に光波前面歪みが変化するので、この公知の走査検知光学系は本質的に、走査検知間隔の変化に対して敏感である。対応する組込許容度が小さい。
【００６２】
本発明による角度測定装置で完全な３６０°回転に亘る信号周期の数ＮＳＰは、方位方向周期の数Ｎ１とＮ２により特定される：
【００６３】
【数１２】
【００６４】
本発明による走査検知光学系の別の変形例は、二つの直線走査検知格子２３．１と２３．２の格子方向の回転（等しくなくても）によりつくることができる。それにも拘わらず、付属する組合せラジアル円環格子１１．１と１１．２は、上記の式に従って計算することができる。
【実施形態２】
【００６５】
本発明による角度測定装置は、異なった目盛半径を有する測定目盛を万能で走査検知する他に、特殊な機械運動を有する用途での使用することも可能にする。この種の機械運動およびそこで生じる位置検出に関する要求を、以下において簡単に説明することにする。
【００６６】
精密機械は多くの場合に、一つの平面にある工具またはセンサに対して相対的に、対象物を位置決めすることを必要とする。そのために大抵、ＸとＹ方向でスライド自在であると共に対象物か工具ないしセンサが付いているテーブルを使用する。そのために、回転テーブルを使って対象物を回転し、加えて直線テーブルにより直線的にスライドする。そのような機械構成はないしそのような運動は、例えばＵＳ ６，３２０，６０９ Ｂ１号で公知であり、以下において極座標運動としても表す。
【００６７】
一定の回転運動は、この種の運動で一定の加速力になり、それにより較正可能な一定の変形になる。尤も、高い精度要求に対して現在まで、対象物と工具ないし対象物とセンサの相対位置を特定するための適切な測定手段がない。
【００６８】
今まではそのような極座標運動で、大抵は光学式位置測定装置として構成されている二つの位置測定装置を使用する。そこでは直線テーブルの位置を、直線的な位置測定装置を使って特定する；直線テーブルに取り付けられた回転テーブルの回転角の検出は、角度測定装置を使って行う。その場合に位置測定と角度測定を一般的にシーケンシャルで行う。よって、対応して測定サークルが大きくドリフトに敏感である。加えて、直線テーブルと回転テーブルのガイド偏差は検出されない。従って、そのような測定コンセプトを介して達成できる精度は、大きく制限を受ける。本発明による光学式角度測定装置は、一般的な回転角検出用途の他に、当該種類の機械構造において位置検出するために使用できるものである。
【００６９】
図６と７において、先に言及した極座標運動を有する機械を概略的に図示しており、その中で本発明による光学式角度測定装置の第二実施形態が組み込まれている。図８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂおよび１０ａ，１０ｂを使って、これを第一実施例の説明に類似して説明する。
【００７０】
呈示の第二実施例でも後に記載の実施例でも、それぞれ先に説明した第一実施例ないし他の実施例に対する重要な差異のみを説明することにする。
位置固定された機械のベット３０上に、Ｘ方向に沿ってスライド自在である直線テーブル３１が配設されている。そのために必要なガイド要素も駆動要素も、ここでは図に示していない。直線テーブル３１上には、中央の回転軸Ｒを中心にして回転自在である回転テーブル３５が固定されている。対象物３３を有する回転テーブル３５は、直線運動と回転運動の重ね合わせにより、位置固定されたセンサ３２、例えば顕微鏡に対して螺旋状に移動することができる。機械ベット３０と接続している位置固定のブリッジ３４上にはセンサ３２の他に、直線走査検知格子１２３を有する走査検知プレート１２４も設けられている。回転テーブル３５上には対象物３３に隣接して、測定目盛の付いた目盛板１１０が配設されている。走査検知ユニット１２０が目盛板１１０と走査検知プレート１２４の交点で、その上にある二つの目盛を走査検知して走査検知信号を生成し、それにより直線テーブル３１の各Ｘ位置で回転テーブルの回転角を特定する。そのために走査検知ユニット１２０は、直線テーブル３１上に固定されている。
【００７１】
本発明による角度測定装置の第二実施形態の走査検知光路ないし走査検知光学系を、図８ａと８ｂで示している；同じく光線経路を引き延ばした図示は、図９ａと９ｂにある。
第一実施形態との違いとして、走査検知プレート１２４ないし走査検知格子１２３が、ここでは走査検知ユニット１２０の外側に配設されている。従って、この実施例で走査検知ユニット１２０に含まれるのは、光源および複数の光電子式ディテクタ要素であり、それらは図においてそれぞれ図示していない。
【００７２】
図６と７から分かるように、走査検知格子ないし走査検知プレート１２４に対向して、少なくとも一つの走査検知ユニット１２０がスライド自在で、そして目盛板１１０が更に回転自在で配設されている。ここで回転テーブル３５には目盛板１１０が、直線テーブル３１上には走査検知ユニット１２０が、そして位置固定された機械ベット３０には走査検知格子を備えた走査検知プレート１２４が配設されている。
【００７３】
走査検知プレート１２４には、反射性の直線走査検知格子１２３が付いており、それが直線テーブル３１の移動方向Ｘで伸びている、即ち、目盛線の長手方向が直線テーブルの移動方向に沿って延伸している。光源−図示していない−の平行光線光束がＸＺ面において、まず位置Ｐ１で傾斜して目盛板１１０に当たる。位置Ｐ２を介して目盛板１１０が光束を透過するので、その光束が位置Ｐ３で反射性の直線走査検知格子１２３に当たり、それが二つの分光光束に分割してＹ方向に屈曲する。それらはＸ方向でずれて位置Ｐ４ａ，Ｐ４ｂで、目盛板１１０の第一組合せラジアル円環格子１１１．１に到達する。これが二つの分光光束をＹＺ面で再び光学軸Ｚに対して平行に向け、そして重ね合わされた円筒レンズ作用により、それらを目盛板１１０の背面側にあるミラー１１２上の位置Ｐ５ａ，Ｐ５ｂにＸ方向で集束する。分光光束は反射後に、第二組合せラジアル円環目盛１１１．２上にある位置Ｐ６ａ，Ｐ６ｂに到達し、それが再び円筒レンズ作用によりＸ方向で再平行光線化すると共に、重ね合わされた屈曲作用によりＹＺ面で入射する分光光束に対して反対に逆屈曲する。それにより二つの分光光束は、反射性の走査検知格子１２３上の共通点Ｐ７に当たり、そこで重ね合わされて、重ね合わされた分光光束として、走査検知プレート１２４の位置Ｐ８ａ，Ｐ８ｂ，Ｐ８ｃおよびＰ９ａ，Ｐ９ｂ，Ｐ９ｃを経て、結果として０次および±１次回折次数で出て行く。走査検知ユニット１２０における光電子式ディテクタ要素による検知は第一実施例に相当しており、この実施例に対する図においては図示していない。
【００７４】
図１０ａは、リング状ミラー１１２を有する目盛板１１０の下側を示している。図１０ｂでは、リング状の組合せラジアル円環目盛１１１．１と１１１．２を図示している。図１０ｃでは、走査検知プレート１２４の延ばされた直線走査検知格子１２３が分かる。これらの図においても同じく、分光光束が走査検知光路の色々な要素に衝突する位置を図示している。
【００７５】
本発明による角度測定装置のこの実施形態で、平行光線化されたレーザ光束がＸＺ面で傾いていることにより、目盛板１１０に当たる分光光束の分離が達成されるので、分光光束は、位置Ｐ２，Ｐ８ａ，Ｐ８ｂ，Ｐ８ｃにおいて透過され、そして位置Ｐ４ａ，Ｐ４ｂ，Ｐ６ａ，Ｐ６ｂにおいて格子１１１．１と１１１．２で回折される。先に記載している式に従って格子１１１．１と１１１．２の格子構造を計算するとき、この光線傾斜によるｋベクトルの横方向成分を考慮せねばならない。それが、対応して適合化された方位方向格子ベクトルｋＡ１ａおよびラジアル方向格子ベクトルｋＡ１ｒになる。ＸＺ面における光線傾斜は、第二組合せラジアル円環格子１１０．２に向かう更なる光線経過で保持される。そのために、方位方向格子ベクトルｋＡ２ａおよびラジアル方向格子ベクトルｋＡ１ｒを対応して選択する。
【００７６】
この走査検知光学系により、直線テーブル３１の各Ｘ位置での角度Θを測定できる。走査検知ユニット１２０の位置は、走査検知プレート１２４と目盛板１１０の規定交点の下側に近似的に保持されねばならないのみである。走査検知ユニット１２０の小さいズレまたは傾きは、角度の特定に影響を与えない。より正確に考察すると、この特性にとって重要なことは、逆反射と光波前面補正が走査検知ユニット１２０で行われず、目盛板上のラジアル円環格子により行われることである。よって出力される角度の値にとって、走査検知プレート１２４と目盛板１１０の相対的な位置のみが重要である。目盛板１１０の直線および回転移動が重ね合わされているにも拘わらず、位置固定された走査検知プレート１２４に対して相対的な直接位置測定を行うことができる。図７で概略的に示している測定サークル４０は対応して小さい。センサ３２に対して特にドリフトの少ない対象物３３の測定が、小さい測定サークル４０により利点のある方法として可能になる。
【実施形態３】
【００７７】
図１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂおよび１３ａ，１３ｂ，１３ｃにおいて、本発明による角度測定装置の第三実施形態を図示している。この変形例は同じく、先に言及した極座標運動に使用することができる。
【００７８】
第二実施例との違いとして、第二組合せラジアル円環格子２１０．２の特別な構成により、ＸＺ面における分光光束の光線の傾きが回転されるので、二つの分光光束は引き続いて例えば−Ｘ方向に傾いている。よって、間隔が狭いことにより光源およびディテクタ要素を、走査検知ユニットにコンパクトに収容することができる。第二組合せラジアル円環格子２１０．２の特別な構成は、Ｘ方向で対応する格子ベクトルにより得られ、それが方位方向およびラジアル方向成分に分割されると共に、方位方向格子ベクトルｋＡ２ａないしラジアル方向格子ベクトルｋＡ２ｒに加えられる。
【実施形態４】
【００７９】
本発明による光学式角度測定装置ないし走査検知光路の第四実施形態を、図１４と１５で概略的に図示している；この変形例も同じく、極座標運動を有する機械での使用に適している。
【００８０】
この実施形態で特別なことは、位置固定されて配設されている走査検知ユニット３２０にあり、それには直線偏光された平行光線光源３２１およびディテクタ要素３２２．１，３２２．２，３２２，３を含んでいる。直線偏光された光源の光束は、Ｘ方向に対して反対側で屈曲ユニットの方向転換ミラー６０．１の方に送られ、そこで反射により目盛板３１０の方に向けられる。続く光線進路において光束は、反射性の走査検知格子３２３で二つの分光光束に分割され、引き続いてλ／８位相差プレート７０．１ないし７０．２を通過する。第一ラジアル円環格子３１１．１での回折、ミラー３１２での反射、そして第二ラジアル円環格子３１１．２での回折の後に、λ／８位相差プレート７０．１ないし７０．２を改めて通過する。それにより分光光束の直線偏光が、右ないし左円偏光に変換される。反射性の走査検知格子３２３における第二回折が、互いの間で直角に偏光された分光光束を重ね合わせて、結果として０次回折次数で出て行く合成分光光束にする。それが屈曲ユニットの第二方向転換ミラー６０．２により、Ｘ軸に対して平行に向けられ、走査検知ユニット３２０の方向に進む。この中には分光格子８１があり、それが合成分光光束を三つの合成光束に分割する。それらが、それぞれポラライザ８０．１，８０．２ないし８０．３を通過する。これらは、ディテクタ要素３２２．１，３２２．２ないし３２２，３による後続の検知が互いの間で１２０°位相がずれた走査検知信号を出すように、異なって方向付けられている。
【００８１】
それぞれ入射する光束に対して屈曲ユニットとして作用する二つの方向転換ミラー６０．１と６０．２、そしてλ／８位相差プレート７０．１と７０．２も、既に述べているように直線テーブルに配設されており、直線テーブルを介して規定のＸ方向でスライド自在である。よって、直線テーブルのＸ位置に関係なく不変の光線進路が保証されている。走査検知ユニット３２０は著しいロス出力を生むことがあるので、空間的に離れて配設することが、問題となる部品、特に目盛板３１０および走査検知プレート３２４の熱的な負荷を最小にする。それにより測定精度を更に向上することができ、そして出力される位置の値のドリフトが著しく減少する。
【００８２】
従って呈示の実施例において目盛板３１０は、位置固定された走査検知ユニット３２０および位置固定された走査検知プレート３２４ないしその上に配設された走査検知格子に対して、相対的に可動自在で配設されている。ここでは走査検知格子と走査検知ユニット３２０が、目盛板３１０の中心を通る軸に沿って目盛板３１０に対して可動自在である。そのために、回転軸Ｒを中心に回転自在である機械の回転テーブルに、目盛板３１０が円周方向に配設されているのに対して、位置固定された機械ベットに、走査検知ユニット３２０と走査検知格子ないし走査検知プレート３２４が配設されている。
【００８３】
勿論、直角の直線変更または円偏光を達成するために、本発明による光学式角度測定装置のこの実施形態を更に変形して、別の偏光光学構成要素を分光光束の光路に嵌め込むこともある。それに相当して専門家には、合成光束をスライド量に関係して位相のずれた走査検知信号に変換するために、走査検知ユニット３２０における偏光光学構成要素の別の配設もある。
【実施形態５】
【００８４】
本発明による光学式角度測定装置の第五実施形態を、図１６と１７で大きく概略化して図示している；この実施形態も、極座標運動を有する機械で使用するために適している。
当該機械には同じく、回転軸Ｒを中心に回転自在の回転テーブル−図示していない−を含んでおり、それが直線テーブル−同じく図示していない−に、Ｘ方向に沿ってスライド自在で配設されている。回転テーブルの内側範囲には、内側第一目盛板４１０が配設されており、それを、三つの走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３およびそれに関連配置された三つの走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３を使って走査検知する。ここで走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３と走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３は、目盛板４１０に対して相対的に色々な方位方向位置で配設されている。走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３が、静止した機械ベースに繋がっているのに対して、走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３は、Ｘ方向でスライド自在の直線テーブルに配設されている。その他に回転テーブルの外周に更に、複数の目盛板セグメントに細分化された外側第二目盛板４１０．１が設けられており、その動きが追加の走査検知プレート４２４．４と追加の走査検知ユニット４２０．４を介して検出される；走査検知プレート４２４．４は同じく、静止した機械ベースと繋がっており、走査検知ユニット４２０．４は、直線テーブル上に配設されている。
【００８５】
四つの走査検知ユニット全て４２０．１〜４２０．４が、回転テーブルの回転角Θに関係する位置信号を出す。しかし、より正確に観察すると走査検知ユニット４２０．１〜４２０．４により、目盛板４１０ないし４１０．１で方位方向に対して平行な直線スライド量を、走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３と４２４．４に対して相対的に測定する。即ち、この構成を介することにより、ＸＹ面で移動する対象物の全自由度を検出することができる。
【００８６】
走査検知ユニット４２０．２と４２０．３のプラス測定方向を＋Ｘ方向で示し、走査検知ユニット４２０．１と４２０．４のそれを＋Ｙ方向で示すと、付属する走査検知信号ξ２とξ３ないしξ１とξ４に対して、次の関係が得られる：
【００８７】
【数１３】
【００８８】
そこで Ｒ１ 内側目盛板４１０の目盛半径
Ｒ２ 外側目盛板４１０．１の目盛半径
以上から、角度ΔΘおよび回転テーブル中心のスライド量ΔｘとΔｙを特定することができる：
【００８９】
【数１４】
【００９０】
回転テーブル中心のこのテーブルスライド量を、機械のセンサの位置におけるそれに変換することは、勿論、容易に可能である。よって、この配設を介して基本的に、回転テーブル上にある一つまたは複数の対象物の横方向自由度Δｘ，ΔｙとΘ全てを、センサに対して相対的に特定できる。走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３と４２０．４が更に−図示していない方法で−、目盛板４１０ないし４１０．１と付属する走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３ないし４２４．４の交点で、ＸＹ面に対して直角、即ちＺ方向でのスライド量を測定できるように構成されていると、当該対象物の６自由度全てを、位置固定されたセンサに対して相対的に測定できる。
【００９１】
先に言及したようにこの測定は、位置固定された機械ベースから直線テーブルに、そして直線テーブルから回転テーブルにシーケンシャルで行うのではない；本発明による角度測定装置の図示した配設では、寧ろ直接の測定ないし位置特定が可能になる。Ｚスライド用の適切な測定装置は、例えば平面ミラー干渉計、焦点センサのような光学式センサが好ましい；これに対する代替として、Ｚ方向で走査検知測定するための容量式測定装置も適しているであろう。
【００９２】
この実施例においては三つの横方向自由度を測定するために、四つの走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３，４２０．４が設けられている。即ち、一つの冗長走査検知ユニットがある。それにより、外側の目盛板４１０．１の僅かな中断を許容すること、これを複数の目盛板セグメントで構成することが可能である。よって、外側の目盛板４１０．１をセグメント化することに利点があり、それは、セグメントは例えば一個体の大きな目盛板と較べて、その制限されたサイズにより明らかに容易且つコスト的に有利に製造可能であるからである。セグメントの境界およびそれにより信号の中断は、センサ４３２が回転テーブル上の二つの対象物の間にある位置で行うと好ましい。そこでは、走査検知ユニット４２０．４のインクリメントカウンタが無効である。目盛板４１０．１の次のセグメントが、外側の走査検知ユニット４２０．４の範囲に回転すると、別の三つの走査検知ユニット４２０．１，４２０，２，４２０．３の横方向の位置特定を使うことにより、外側の走査検知ユニット４２０．４のインクリメントカウンタ値を、十分に正確に評価すると共に対応して設定することもできる。更に精度向上するために、外側の目盛板４１０．１のセグメント間の更に小さい位相オフセットを検出し補正することがある。
【実施形態６】
【００９３】
図１８と１９では、本発明による光学式角度測定装置の第六実施形態を示している；意図しているのは、同じく極座標運動を有する機械への使用である。
目盛板５１０が、ここでは四つの走査検知ユニット５２０．１，５２０．２，５２０．３，５２０．４および、付属する位置固定された走査検知プレート５２４．１，５２４．２，５２４．３，５２４．４により走査検知される。走査検知プレート５２４．１，５２４．２，５２４．３，５２４．４は、同じく直線格子として構成されているが、方位方向で大きな拡がりを有しており、この方向でも走査検知位置がある程度のスライドすることも可能である。それにより、Ｘ方向でもＹ方向でもスライド自在である回転テーブル５３１も使用することが可能である。テーブル５３１上には、走査検知ユニット５２０．１，５２０．２，５２０．３，５２０．４が固定されている。
【００９４】
この本発明による光学式角度測定装置の実施形態は同じく、横方向自由度Ｘ，ＹとΘ全てでの測定を可能にし、非常に大きなスライド量も全てのこの自由度で可能であるという特別性を有している。加えて、走査検知ユニット５２０．１，５２０．２，５２０．３，５２０．４に同じくＺスライド用の測定機構を含む時に、回転テーブル５３１の六つの自由度全てを、位置固定された走査検知プレート５２４．１，５２４．２，５２４．３，５２４．４に対して相対的に特定することができる。
【更に別の実施形態】
【００９５】
勿論、本発明による光学式角度測定装置の別の変形体において、十字格子、即ち二次元目盛を走査検知格子として使用することもできるであろう。それにより、回転テーブルで特に大きな直線または平面のスライドも検出できるであろう。また、対応する大きな一つだけの十字格子を、走査検知ユニット全てに対する共通の走査検知格子として設けることも可能である。更に走査検知ユニットの方位方向位置を、目盛板上で任意にそして極座標運動を有する機械における直線ないしＸＹテーブルの移動方向とは関係なく、選択することができる。そのとき走査検知格子の方向は、走査検知位置での方位方向と一致していなければならない。
【００９６】
更に、二つの組合せラジアル円環格子を目盛板の下側で反射格子として、そしてミラーをその上側に構成することも可能である。それにより光線の進み方が、目盛板内部でＷ状等になる。
【符号の説明】
【００９７】
１０ 目盛板
１１ 組合せラジアル円環格子
１２ ミラー
２０ 走査検知ユニット
２１ 光源
２２ 光電子式ディテクタ要素
２３ 直線走査検知格子
２４ 走査検知プレート
３０ 機械ベット
３１ 直線テーブル
３２ センサ
３３ 対象物
３４ ブリッジ
３５ 回転テーブル
４０ 測定サークル
６０ 方向転換ミラー
７０ λ／８位相差プレート
８０ ポラライザ
８１ 分光格子
１１０ 目盛板
１１１ 組合せラジアル円環格子
１１２ ミラー
１２０ 走査検知ユニット
１２３ 直線走査検知格子
１２４ 走査検知プレート
２１０ 組合せラジアル円環格子
３１０ 目盛板
３１１ ラジアル円環格子
３１２ ミラー
３２０ 走査検知ユニット
３２１ 光源
３２２ ディテクタ要素
３２３ 走査検知格子
３２４ 走査検知プレート
４１０ 目盛板
４２０ 走査検知ユニット
４２４ 走査検知プレート
４３２ センサ
５１０ 目盛板
５２０ 走査検知ユニット
５２４ 走査検知プレート
５３１ 回転テーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式角度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
干渉による走査検知原理をベースにしている高分解能の光学式角度測定装置は、上に測定目盛を配設した目盛板に対して有する取り付け許容度は極く僅かである。この問題を解決する測定装置は、本出願人によるＤＥ １０ ２０１０ ０２９ ２１１．７号で開示されている。ラジアル目盛の走査検知から生じると共に取り付け許容度が小さいことの原因となる光波前面歪みは、リフレクタと光波前面補正器を意図して使用することにより最小化できる。しかしながら、そのために必要な光波前面補正器は基本的に、走査検知する測定目盛の特定目盛半径ないし完全に特定された測定用途に対して最適化する。従って、その光学式角度測定装置の該当走査検知光学系は走査検知する色々な目盛半径に万能でない、ないし色々な測定用途に万能で使用することができないということが、問題として起きる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、高い分解能および大きな取付許容度を有する光学式角度測定装置を提供することであり、走査検知する測定目盛の異なった目盛半径と関連して、ないし異なった測定用途において万能で使用できるが、そのために走査検知光学系の著しい適合化を必要とするものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題を本発明に従って、請求項１の特徴を有する光学式角度測定装置により解決する。
本発明による光学式角度測定装置の利点ある実施方法は、従属請求項に記載の処置で得られる。
【０００５】
本発明による光学式角度測定装置は、少なくとも一つの走査検知格子および少なくとも一つの測定目盛を有する目盛板の間の相対移動を検出するために使用される。そのとき走査検知格子が、直線走査検知格子として構成されている。目盛板には測定目盛として、第一および第二組合せラジアル円環格子を含み、そしてミラーを有している。それにより入射する光束が走査検知格子で、まず二つの分光光束に分割される。その分光光束が、第一組合せラジアル円環格子の方向に進み、そこで回折される。その回折された分光光束が、引き続いてミラーの方向に進み、そこで第二組合せラジアル円環格子の方向に反射される。そしてその分光光束が、第二組合せラジアル円環格子の方向に進み、そこで回折される。その回折された分光光束が最終的に、走査検知格子の方向に進み、そこで分光光束の重ね合わせが生じる。
【０００６】
組み合された第一および第二ラジアル円環格子が、少なくとも一つの方位方向光学的屈曲作用を、リング状に曲げられたラジアル方向円筒レンズの光学的作用と一緒に備えていると好ましい。
【０００７】
そこで第一組合せラジアル円環格子が、分光光束に対する長手方向および横方向の屈曲作用の他に、更にミラーへの分光光束の集束を生じるように構成されていることがある。
第二組合せラジアル円環格子が、分光光束に対する長手方向および横方向の屈曲作用の他に、走査検知格子の方向に進む分光光束の再平行光線化が生じるように構成されていると利点がある。
【０００８】
可能性ある実施形態では、組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子が、目盛板の全周に亘ってリング状で配設されており、リング全周に亘って一定の方位方向格子周期を有し、そしてラジアル方向では変化するラジアル格子周期を有している。
【０００９】
ミラーが、目盛板の全周に亘ってリング状で配設されていると好ましい。
可能性のあることは、目盛板が透明な材料で出来ており、第一側には組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子が配設されており、反対側の第二側にはミラーが配設されており、その反射面が第一側に向けられていることである。
【００１０】
可能性のある実施形態では、走査検知格子が、反射性走査検知格子として構成されている。
光源および複数の光電子式ディテクタ要素が、走査検知ユニットに配設されており、そこで光源から発せられた光束を走査検知格子に送ることができ、重ね合わされた分光光束を光電子式ディテクタ要素に送ることができると好ましい。
【００１１】
別の実施形態では、走査検知ユニットに更に走査検知格子が配設されており、目盛板が走査検知ユニットに対して可動で配設されている。
それに対する代替として走査検知格子に対して、少なくとも一つの走査検知ユニットがスライド自在で、そして目盛板が回転自在で配設されているようにしていることがある。
【００１２】
別の変形例では少なくとも一つの走査検知ユニットが、走査検知格子と一緒に目盛板に対して、目盛板の中心を通過する軸に沿って相対的に可動で配設されていることがある。
更に、複数の走査検知ユニットおよびその走査検知ユニットに関連配置された複数の走査検知格子が設けられ、その走査検知ユニットと走査検知格子が、色々な方位方向位置で目盛板に対して相対的に配設されていることがある。
【００１３】
更に、目盛板が複数の目盛板セグメントで出来ていることがある。
最後に、走査検知ユニットから来る光束を、屈曲ユニットを介して目盛板の方向に向けることができ、そして目盛板から来る光束を、屈曲ユニットを介して走査検知ユニットの方向に向けることができるようにしていることもある。
【００１４】
本発明による光学式角度測定装置は、異なった目盛半径を有する彎曲した測定目盛を高分解能且つ万能で走査検知するために適しており、そのために走査検知光学系をそれぞれ適合化する必要がない。それどころか基本的に、本発明による光学式角度測定装置の走査検知光学系を、直線測定目盛を走査検知するためにも使用することができる。
【００１５】
更に本発明による光学式角度測定装置は、回転角検出のための一般的な用途にも、以下において更に詳細に説明する特殊な機械運動における位置検出のためにも使用することができる。即ち、本発明による光学式角度測定装置は、異なった用途に関しても万能で使用可能である。それにより例えば、直線テーブル上で横方向に沿ってスライド自在で配設されている回転テーブルの回転角を、高精度で特定できる。そのとき同時に、直線テーブルのガイド偏差も検出する。更に本発明による光学式角度測定装置は、当該種類の運動において回転角検出の他に、スライド自在である回転テーブルの横方向ＸＹ位置の特定も可能にする。回転角の検出もオプションとしての横方向ＸＹ位置検出も、即ち、組み合わされた回転および直線運動の検出は、従来技術とは違ってシーケンシャルではなく、直接且つ小さな測定サークルで行う。
【００１６】
本発明による光学式角度測定装置の更なる利点として挙げられることは、可能性ある高分解能の他に、加えて測定目盛の側で走査検知面が比較的大きい時に、同時に目盛板に対して大きな取り付け許容度を有していることである。
【００１７】
本発明の更なる利点および詳細は、添付の図面を使った以下の実施例についての説明で分かる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による光学式角度測定装置の構成要素の、種々の幾何形状量を含む概略図示。
【図２】それぞれ本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図３】それぞれ本発明による光学式角度測定装置の第一実施形態の、展開された走査検知光路。
【図４】図４ａは上にミラーが配設された本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態における目盛板の下側の部分外観であり、図４ｂは上にラジアル円環格子が配設された本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態における目盛板の上側の部分外観であり、図４ｃは本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態の走査検知格子の部分外観である。
【図５】本発明による光学式角度測定装置の、第一実施形態のラジアル円環格子の寸法を説明するための図示。
【図６】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第二実施形態が使用される極座標運動を有する機械の外観。
【図７】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第二実施形態が使用される極座標運動を有する機械の外観。
【図８】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の、第二実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図９】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第二実施形態の、展開された走査検知光路。
【図１０】図１０ａは上にミラーが配設された本発明による光学式角度測定装置の、第二実施形態の目盛板の下側の部分外観であり、図１０ｂは上にラジアル円環格子が配設された本発明による光学式角度測定装置の、第二実施形態の目盛板の上側の部分外観であり、図１０ｃは本発明による光学式角度測定装置の、第二実施形態の走査検知格子の部分外観である。
【図１１】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の、第三実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図１２】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第三実施形態の、展開された走査検知光路。
【図１３】図１３ａは上にミラーが配設された本発明による光学式角度測定装置の、第三実施形態の目盛板の下側の部分外観であり、図１３ｂは上にラジアル円環格子が配設された本発明による光学式角度測定装置の、第三実施形態の目盛板の上側の部分外観であり、図１３ｃは本発明による光学式角度測定装置の第三実施形態の、走査検知格子の部分外観である。
【図１４】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の、第四実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図１５】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の、第四実施形態の走査検知光路を有する断面外観。
【図１６】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第五実施形態を有する測定配設の外観。
【図１７】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第五実施形態を有する測定配設の外観。
【図１８】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第六実施形態が使用され極座標運動を有する別の機械の外観。
【図１９】それぞれ、本発明による光学式角度測定装置の第六実施形態が使用され極座標運動を有する別の機械の外観。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明による光学式角度測定装置について、以下において種々の具体的な実施例ないし用途例を詳細に説明する前に、ある程度の基本的な考え方をまず図１を使って説明することにする。図１においては更に、以下の説明経過の中で使う個々の幾何形状量を分かるようにしている。
【００２０】
本発明による光学式角度測定装置は、干渉による走査検知原理をベースにしており、それに含まれるのは、走査検知ユニット２０および、これに対して相対的にＸＹ面で回転すると共に上に測定目盛が配設された目盛板１０である。ここで図１においては測定目盛を図示していない。走査検知ユニット２０に対して相対的な目盛板１０の回転角Θを特定するために、測定目盛としてラジアル格子が目盛板１０上に設けられている。走査検知光路においてラジアル格子が、回折された光束の光波前面を歪ませる。よって、二つの分光光束を干渉させて高変調度の走査検知信号を生成するためには、走査検知ユニット２０において補正性のある走査検知格子が不可欠である。目盛板１０と走査検知ユニット２０の相対位置に関して、組み付けおよび運転許容度が大きいことを望む場合には、追加の逆反射要素および光波前面補正器を走査検知光路で走査検知ユニット２０に配設することが、基本的に可能である。そのためには、例えば本出願人による最初に言及したＤＥ １０ ２０１０ ０２９ ２１１．７号を参照されたい。その場合には基本的に、目盛板１０の測定目盛の目盛半径Ｒに走査検知ユニット２０の光学要素を特別に適合化することが不可欠である。
【００２１】
本発明は一つの走査検知光学系を提案しており、それはＤＥ １０ ２０１０ ０２９ ２１１．７号による光波前面補正器と逆反射要素の機能を、目盛板１０上に組合せラジアル円環格子として構成されている測定目盛で実施するものである。走査検知格子としては走査検知ユニット２０において必要となるのは直線格子のみである。このようにすることにより、一つの同じ走査検知ユニット２０を、上に測定目盛が配設され異なった目盛半径Ｒを有する色々な目盛板１０を走査検知するために使用することができる。それどころか更に、本発明による光学式角度測定装置の走査検知ユニット２０を、直線測定目盛（Ｒ→∞）を備えた基準尺体を走査検知するためにも使用することが可能である。これに適した基準尺体は、例えば本出願人によるＷＯ ２００８／１３８５０２ Ａ１号で開示されている。
【００２２】
走査検知格子が直線格子として構成されているので、この走査検知格子の横方向スライド量が走査検知信号の信号強度に影響を与えない。よって、それを走査検知ユニット２０から空間的に分離して配設し、その長手または横方向の大きさを任意に大きくすることもできる。即ち、本発明による角度測定装置を介することにより、走査検知格子および上に測定目盛が配設された目盛板との間、ないし走査検知格子と目盛板と繋がる機械構成部品間の相対移動を特定することができる。このようにすることにより、本発明による光学式角度測定装置の特別な実施形態では、走査検知格子に対して相対的に目盛板の横方向ＸＹスライドが大きい時にも、角度測定を実施することが可能である。その場合に許容できる横方向ＸＹスライド量は、走査検知ユニット２０が目盛板１０と一緒にスライドするが一緒に回転しない時、走査検知格子の大きさによってのみ制限されている。走査検知信号の信号強度は、この範囲内で変わらず高い。よって、本発明による光学式角度測定装置のこの実施形態は、上記で言及した特殊な運動をする機械に特に適している。ここで複数の走査検知ユニットを、場合により複数の走査検知格子も配設することにより、横方向ＸＹスライド量の同時特定も可能である。
【実施形態１】
【００２３】
図２ａと２ｂは、それぞれ本発明による光学式角度測定装置の第一実施形態の走査検知光路を有する断面外観を示している。
走査検知ユニット２０に配設された平行光線光源２１、例えば適切なレーザ光源が光学軸Ｚに沿って、走査検知プレート２４の下側に設けられている第一直線格子２３．１を照らす。ここで走査検知プレート２４の下側として解釈するのは、走査検知プレート２４で走査検知される目盛板１０に対向している側とする；走査検知プレートのそれとは反対の側を上側と表すことにする。入射する光束は、走査検知格子２４の位置Ｐ３で二つの分光光束に分割される。そして二つの分光光束は測定目盛の、第一組合せラジアル円環格子１１．１として構成されていると共に目盛板１０の前側に配設されている第一部分の方向に進む。そこで分光光束が、位置Ｐ４ａないしＰ４ｂで第一組合せラジアル円環格子１１．１に当たる。
【００２４】
第一組合せラジアル円環格子１１．１は、目盛板１０の全周に亘ってリング状に配設されており、透過光格子として構成されている。それは、本発明により複数の光学的機能を合わせ持っている；それは、それに衝突する二つの分光光束を、ＹＺ面で再び光学軸Ｚに平行（長手方向屈曲作用）に屈曲する共に、それらをＸ方向（横方向屈曲作用）に屈曲する。更にその二つの衝突する分光光束を、ラジアル方向円筒レンズ作用によりラジアル方向で、透明な目盛板１０の背面側にあるミラー１２に集束する。そのミラーは、−図４ａの部分外観で分かるように−目盛板１０の全周に亘ってリング状に配設されている。
【００２５】
以上により、第一組合せラジアル円環格子１１．１により回折された、ないし先に説明したように影響を受けた分光光束はミラー１２の方向に進み、そこでミラー１２上の位置Ｐ５ａないしＰ５ｂにおいて測定目盛の第二部分の方向へ、即ち、目盛板１０上の第二組合せラジアル円環格子１１．２に反射される。以上により、ミラー１２上の位置Ｐ５ａないしＰ５ｂで反射された後に分光光束は、目盛板１０上の第二組合せラジアル円環格子１１．２の方向に進む。
【００２６】
本発明により第二組合せラジアル円環格子１１．２も、複数の光学的機能を合わせ持っている；それは、それに入射する二つの分光光束を、ＹＺ面で再び反対方向に屈曲（長手方向屈曲作用）するので、それらは共通の位置Ｐ７において、走査検知プレート２４の第二走査検知格子２３．２に当たる。二つの分光光束は加えて、ＸＺ面で再び光学軸Ｚに平行に向けられる（横方向屈曲作用）。その他に光学的な円筒レンズ作用を介して、二つの分光光束の再平行光線化が行われる。
【００２７】
呈示の実施例では目盛板１０が、透明な材料で出来ている。目盛板１０の第一側（上側）には、組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子が配設されている；目盛板１０で反対側の第二側（下側）にはミラー１２が配設されており、その反射面は第一側に向けられている。
【００２８】
第二組合せラジアル円環格子１１．２で回折ないし影響された後に、分光光束は直線走査検知格子２３．３の方向に進み、そこで重ね合わせないし干渉させられて、三つのそれぞれ組み合わされた分光光束に分割される。その三つの組み合わされた分光光束は、結果として０次および±１次回折次数で走査検知格子２３．２を出て行き、走査検知ユニット２０にある共にスライド量に関係して変調された走査検知信号を出す光電子式ディテクタ要素２２．１，２２．２，２２．３に到達する。第二直線走査検知格子２３．２の特別な構成により、走査検知信号が互いの間で１２０°位相のずれていることを達成できる。そのために公知の方法でそれを、格子線高さを１８０°に等しくない位相ズレに相当して選び格子線幅が格子周期の半分だけ偏っている位相格子として構成する。走査検知信号は引き続いて、位置の値を生成する評価ユニット−図示していない−に送られる。
【００２９】
呈示の第一実施例では、光源２１および光電子式ディテクタ要素２２．１，２２．２，２２．３の他に更に、直線走査検知格子２３．１，２３．２が走査検知ユニット２０に配設されている。その場合に光源２１から発せられた光束を、第一走査検知格子２３．１に送ることができ、重ね合わされた分光光束を、第二走査検知格子２３．２から光電子式ディテクタ要素２２．１，２２．２，２２．３に送ることができる。目盛板１０は、走査検知ユニット２０に対して相対移動できるように配設されている、即ち、目盛板１０の中心点を通る光学軸Ｚに平行に走る目盛板１０の中心軸を中心にして回転自在である。
【００３０】
図３ａと３ｂではこの実施例の走査検知光路を、引き延ばした又は展開した形態で図示している。図３ａで分かることは、位置Ｐ４ａ，Ｐ４ｂとＰ６ａ，Ｐ６ｂにおける組合せラジアル円環格子１１．１と１１．２の横方向屈曲作用であり、それがＸ方向において分光光束に対する光線ズレとなっている。図３ｂで図示しているのは、位置Ｐ３において第一走査検知格子２３．１を介した二つの分光光束への分割、位置Ｐ４ａ，Ｐ４ｂとＰ６ａ，Ｐ６ｂにおける組合せラジアル円環格子１１．１，１１．２を介した長手方向屈曲、そして第二走査検知格子２３．２の位置Ｐ７における二つの分光光束の重ね合わせである。
【００３１】
図４ａは、目盛板１０の下側にありリング状に曲がったミラー１２の上部外観ないし部分外観および、組合せラジアル円環格子１１．１の円筒レンズ作用により線状に集束されて位置Ｐ５ａとＰ５ｂで反射される二つの分光光束を示している。
【００３２】
図４ｂにおいては、目盛板１０の上側にあるリング状組合せラジアル円環格子１１．１と１１．２を、概略的な部分外観で示している。これらの格子１１．１，１１．２の部分的チェス盤状構造は、好ましくは１８０°の位相高さを有する位相格子として構成されている。それは方位方向で、即ちリング形状に沿って、ラジアル格子のように周期的に光学構造化されている。従って格子１１．１は全周に亘ってＮ１の、そして格子１１．２はＮ２の方位方向格子周期を有している。ラジアル方向では格子構造が、リング状に曲げられた回折円筒レンズのそれに相当している。よってそれを、ラジアル方向格子周期が対応してラジアル方向で変化する円環格子として見なすことができる。
【００３３】
図４ｃは、走査検知プレート２４の下側にある二つの直線走査検知格子２３．１と２３．２の部分外観を示している。この実施形態で二つの走査検知格子２３．１，２３．２は、同じ格子定数および格子方向を有している。走査検知格子２３．２の特別な構成は、既に上記で説明した。走査検知格子２３．１は好ましくは、１８０°の位相変化量および概ね格子定数の半分に等しい格子線幅を有する位相格子として構成されている。走査検知格子２３．１に対して、走査検知格子２３．２に対するものと同じ格子構造を選択することも基本的に可能であり、それにより二つの走査検知格子を、共通した走査検知格子として実施していることもある。
【００３４】
以下においては図５を使って、組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子１１．１と１１．２の特別な寸法を詳細に説明することにする。そのために、二つの分光光束でｋベクトルのＸとＹ成分に注目する。位置Ｐ４ａに入射する分光光束は、格子定数ｄＡを有する直線走査検知格子２３．１での回折により、
【００３５】
【数１】
【００３６】
のｋベクトルｋＡ１を有している。
このｋベクトルは、まず第一屈曲関数により、即ち組合せラジアル円環格子１１．１の格子定数−ｋＡ１により補正する必要がある。そのために、この格子定数−ｋＡ１をラジアル方向成分ｋＡ１ｒと方位方向成分ｋＡ１ａに分解する。ラジアル方向成分ｋＡ１ｒは対応するラジアル方向格子定数により、そして方位方向成分ｋＡ１ａは対応する方位方向格子定数により得ることができる。第一屈曲関数だけなら、入射する分光光束を光学軸Ｚに対して平行に向けるであろう。それにラジアル方向円筒レンズ作用を重ね合わせるが、その作用は次の関係に従って相当する格子位相ΦＬ（ｒ）により説明される：
【００３７】
【数２】
【００３８】
そこで
λ レーザ光源の波長
ｎＴ 目盛板の屈折率
Ｒ 目盛板の目盛半径
Δａ 焦点位置の方位方向スライド量（下記を参照）
ＺＴ 目盛板の厚み
この円筒レンズの焦点位置は、目盛半径Ｒにある。目盛半径Ｒからの衝突点Ｐ４ａの間隔により、この円筒レンズが分光光束をラジアル方向に屈曲する。この屈曲の付属する格子ベクトルは、ｋＬ１で表される：
【００３９】
【数３】
【００４０】
そこで、 ｒＰ４ａ 衝突位置Ｐ４ａの半径
この実施例におけるように、円筒レンズ作用がＸ方向での屈曲のみを起こす時には、格子ベクトルｋＬ１のＹ成分を相当方位方向格子ベクトルｋＬ１ａにより補正せねばならない。この方位方向格子ベクトルｋＬ１ａが、焦点位置で相当する方位方向スライド量Δａを示している。円筒レンズの結像品質を最適にするためには、上記の式に従った格子位相ΦＬ（ｒ）におけるこの方位方向スライド量Δａを考慮する必要があろう。
【００４１】
組合せラジアル円環格子１１．１の構造は、全ての方位方向とラジアル方向の屈曲作用および円筒レンズ作用重ね合わせから得られる。得られる方位方向格子ベクトルｋＡ１ａ＋ｋＬ１ａは、全周に亘る周期Ｎ１の方位方向数に換算することができる。
【００４２】
【数４】
【００４３】
そこでラウンド関数ｒｏｕｎｄによる誤差は、無視することができる。付属する方位方向格子位相Φ１ａ（Θ）は、次のように得られる：
【００４４】
【数５】
【００４５】
ラジアル方向屈曲作用を説明するラジアル方向格子ベクトルｋＡ１ｒおよび円筒レンズ作用に対する格子位相ΦＬ（ｒ）使って、ラジアル方向格子位相Φ１ｒ（ｒ）が得られる：
【００４６】
【数６】
【００４７】
この格子位相を定量化することにより、組合せラジアル円環格子１１．１の相当する位相格子構造を計算することができる。例えば二元格子構造に対して定量化を、
【００４８】
【数７】
【００４９】
の全ての位置に格子線を、そして他の全ての位置で対応して隙間を設けていることにより行う。勿論、別の定量化方法も可能である。格子構造の局所的な周期性は最終的に、関数ｃｏｓ（Φ１ｒ（ｒ））とｃｏｓ（Φ１ａ（Θ））の周期性により規定されていなければならない。ラジアル方向格子位相Φ１ｒ（ｒ）をブレーズタイプの格子構造により近似する時、特に大きな走査検知信号を得ることができる。
【００５０】
組合せラジアル円環格子１１．２の構造は、類似の方法で計算できる。円筒レンズ作用は同じ格子位相ΦＬ（ｒ）により説明する。そのラジアル方向屈曲は格子ベクトルｋＬ２により説明する：
【００５１】
【数８】
【００５２】
そこで ｒＰ６ａ 衝突位置Ｐ６ａの半径
同じく円筒レンズ作用がＸ方向での屈曲のみを起こす時には、方位方向成分を対応する方位方向格子ベクトルｋＬ２ａにより補正せねばならない。方位方向格子ベクトルｋＬ２ａと格子位相ΦＬ（ｒ）の組み合わせ作用により、入射する分光光束が再び平行光線化され、光学軸Ｚに対して平行に向けられる。そして、格子ベクトルｋＡ２を有する第二走査検知格子２３．２により二つの分光光束の重ね合わせを行えるように、分光光束の次の屈曲が行われねばならない。よって、この屈曲の付属する格子ベクトルは−ｋＡ２でなければならない。この実施形態では二つの走査検知格子２３．１と２３．２が、同じ格子定数を有しているので、ｋＡ２＝ｋＡ１が当て嵌まる。同じく格子ベクトル−ｋＡ２を、方位方向成分ｋＡ２ａとラジアル方向成分ｋＡ２ｒに分解する。よって上記と同様に、第二組合せラジアル円環目盛１１．２に対して、周期の方位方向数Ｎ２、および方位方向格子位相Φ２ａ（Θ）とラジアル方向格子位相Φ２ｒ（Θ）が、
【００５３】
【数９】
【００５４】
【数１０】
【００５５】
【数１１】
【００５６】
で得られる。
格子構造の計算に対して、同じくこの格子位相の定量化が必要であり、上記に記載のように行う。
【００５７】
位置Ｐ４ｂで第一組合せラジアル円環格子１１．１に、そして位置Ｐ６ｂで第二組合せラジアル円環格子１１．２に当たる第二分光光束も、第一分光光束に対して対称的に伝えられねばならない。よって方位方向格子周期は、ラジアル方向対称軸を有していなければならない。上記の定量化は、そのようなラジアル方向対称軸を自動的に決める。
【００５８】
二つの走査検知格子２３．１と２３．２の格子ベクトルｋＡ１とｋＡ２を、勿論、異なって選ぶこともできる。それが、上記の式に従った組合せラジアル円環格子１１．１，１１．２の適合化された格子構造に相当して条件になる。非常に大きく異なった格子ベクトルを選ぶ時には、二つの分光光束が再び同じ位置Ｐ７で合流するように、衝突点Ｐ４ａとＰ６ａないしＰ４ｂとＰ６ｂ間でのＹ方向において光線がずれる必要があろう。そして方位方向格子ベクトルｋＡ１とｋＡ２を対応して合わせるが、それは専門家には容易に可能である。
【００５９】
二つの円筒レンズ作用の結像品質を改良することは、レイトレーシングモデルを使った最適化により達成することができる。そして、Δａのようなモデルパラメータおよび二つの円筒レンズ作用に対する焦点半径Ｒは、別々に最適化できる。
【００６０】
色々な光学的屈曲作用および円筒レンズ作用の上記計算は、まず分光光束の主光線のみを考慮する。しかしながら、分光光束の横方向拡がりを超える光波前面変形が、実際では走査検知光学系の使用性を左右する。この光波前面変形が極端に小さい時にのみ、良好な変調度を有する評価可能な走査検知信号が生成される。この光波前面変形が実際に極端に小さいことが存在しているのは、本発明による走査検知光学系の二つの特別性である。一つには二つの組合せラジアル円環格子１１．１と１１．２が、入射する平坦な光波前面を再び平坦な光波前面に変換する。この驚くべき特性は、−１の結像尺度を生じるそのラジアル方向の円筒レンズ作用による結像と関連している。それにより格子１１．１の（小さい方の半径に向かう）内側で小さい方の方位方向格子周期が、対応して方位方向格子周期の大きい格子１１．２の外側に結像される。反対に、格子１１．１の外側の大きい方の方位方向格子周期は、小さい方の方位方向格子周期を有する格子１１．２の内側に結像される。第一格子１１．１のラジアル方向で変化する方位方向屈曲作用が結像により、そして第二格子１１．２のラジアル方向で変化する方位方向屈曲作用が補正される。以上により、半径Ｒに最早近似的に関係しない方位方向屈曲作用が得られる。よって平行光線化された分光光束が、再びそのようなものに移行する。それにより、−１の結像尺度でラジアル方向において円筒レンズ作用により生成される反射および光波前面補正が、目盛板の格子１１．１と１１．２自体により行われ、ＤＥ １０ ２０１０ ０２９ ２１１．７号のように走査検知ユニット２０の該当光学的要素によるものではない。
【００６１】
本発明による角度測定装置で利点がある別の特別性は、他の角度測定装置では一般的なラジアル方向走査検知格子の代わりに、直線走査検知格子２３．１と２３．２を使用することにある。それにより分光光束の光波前面が、走査検知ユニット２０から目盛板１０に進む時に平坦であり、この平坦な光波前面を走査検知間隔の変化時にも保持している。目盛板１０から逆に走査検知ユニット２０に進むことに対しても、このことが当て嵌まる。よって、その走査検知光学系には走査検知間隔に関して特に大きな許容度がある。このことは今まで公知の走査検知光学系とは対照的であるが、その場合には分光光束が走査検知ユニットから目盛板に向かって時または逆に進む時に、平坦でなく歪んだ光波前面を有している。進む時に光波前面歪みが変化するので、この公知の走査検知光学系は本質的に、走査検知間隔の変化に対して敏感である。対応する組込許容度が小さい。
【００６２】
本発明による角度測定装置で完全な３６０°回転に亘る信号周期の数ＮＳＰは、方位方向周期の数Ｎ１とＮ２により特定される：
【００６３】
【数１２】
【００６４】
本発明による走査検知光学系の別の変形例は、二つの直線走査検知格子２３．１と２３．２の格子方向の回転（等しくなくても）によりつくることができる。それにも拘わらず、付属する組合せラジアル円環格子１１．１と１１．２は、上記の式に従って計算することができる。
【実施形態２】
【００６５】
本発明による角度測定装置は、異なった目盛半径を有する測定目盛を万能で走査検知する他に、特殊な機械運動を有する用途での使用することも可能にする。この種の機械運動およびそこで生じる位置検出に関する要求を、以下において簡単に説明することにする。
【００６６】
精密機械は多くの場合に、一つの平面にある工具またはセンサに対して相対的に、対象物を位置決めすることを必要とする。そのために大抵、ＸとＹ方向でスライド自在であると共に対象物か工具ないしセンサが付いているテーブルを使用する。そのために、回転テーブルを使って対象物を回転し、加えて直線テーブルにより直線的にスライドする。そのような機械構成はないしそのような運動は、例えばＵＳ ６，３２０，６０９ Ｂ１号で公知であり、以下において極座標運動としても表す。
【００６７】
一定の回転運動は、この種の運動で一定の加速力になり、それにより較正可能な一定の変形になる。尤も、高い精度要求に対して現在まで、対象物と工具ないし対象物とセンサの相対位置を特定するための適切な測定手段がない。
【００６８】
今まではそのような極座標運動で、大抵は光学式位置測定装置として構成されている二つの位置測定装置を使用する。そこでは直線テーブルの位置を、直線的な位置測定装置を使って特定する；直線テーブルに取り付けられた回転テーブルの回転角の検出は、角度測定装置を使って行う。その場合に位置測定と角度測定を一般的にシーケンシャルで行う。よって、対応して測定サークルが大きくドリフトに敏感である。加えて、直線テーブルと回転テーブルのガイド偏差は検出されない。従って、そのような測定コンセプトを介して達成できる精度は、大きく制限を受ける。本発明による光学式角度測定装置は、一般的な回転角検出用途の他に、当該種類の機械構造において位置検出するために使用できるものである。
【００６９】
図６と７において、先に言及した極座標運動を有する機械を概略的に図示しており、その中で本発明による光学式角度測定装置の第二実施形態が組み込まれている。図８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂおよび１０ａ，１０ｂを使って、これを第一実施例の説明に類似して説明する。
【００７０】
呈示の第二実施例でも後に記載の実施例でも、それぞれ先に説明した第一実施例ないし他の実施例に対する重要な差異のみを説明することにする。
位置固定された機械のベット３０上に、Ｘ方向に沿ってスライド自在である直線テーブル３１が配設されている。そのために必要なガイド要素も駆動要素も、ここでは図に示していない。直線テーブル３１上には、中央の回転軸Ｒを中心にして回転自在である回転テーブル３５が固定されている。対象物３３を有する回転テーブル３５は、直線運動と回転運動の重ね合わせにより、位置固定されたセンサ３２、例えば顕微鏡に対して螺旋状に移動することができる。機械ベット３０と接続している位置固定のブリッジ３４上にはセンサ３２の他に、直線走査検知格子１２３を有する走査検知プレート１２４も設けられている。回転テーブル３５上には対象物３３に隣接して、測定目盛の付いた目盛板１１０が配設されている。走査検知ユニット１２０が目盛板１１０と走査検知プレート１２４の交点で、その上にある二つの目盛を走査検知して走査検知信号を生成し、それにより直線テーブル３１の各Ｘ位置で回転テーブルの回転角を特定する。そのために走査検知ユニット１２０は、直線テーブル３１上に固定されている。
【００７１】
本発明による角度測定装置の第二実施形態の走査検知光路ないし走査検知光学系を、図８ａと８ｂで示している；同じく光線経路を引き延ばした図示は、図９ａと９ｂにある。
第一実施形態との違いとして、走査検知プレート１２４ないし走査検知格子１２３が、ここでは走査検知ユニット１２０の外側に配設されている。従って、この実施例で走査検知ユニット１２０に含まれるのは、光源および複数の光電子式ディテクタ要素であり、それらは図においてそれぞれ図示していない。
【００７２】
図６と７から分かるように、走査検知格子ないし走査検知プレート１２４に対向して、少なくとも一つの走査検知ユニット１２０がスライド自在で、そして目盛板１１０が更に回転自在で配設されている。ここで回転テーブル３５には目盛板１１０が、直線テーブル３１上には走査検知ユニット１２０が、そして位置固定された機械ベット３０には走査検知格子を備えた走査検知プレート１２４が配設されている。
【００７３】
走査検知プレート１２４には、反射性の直線走査検知格子１２３が付いており、それが直線テーブル３１の移動方向Ｘで伸びている、即ち、目盛線の長手方向が直線テーブルの移動方向に沿って延伸している。光源−図示していない−の平行光線光束がＸＺ面において、まず位置Ｐ１で傾斜して目盛板１１０に当たる。位置Ｐ２を介して目盛板１１０が光束を透過するので、その光束が位置Ｐ３で反射性の直線走査検知格子１２３に当たり、それが二つの分光光束に分割してＹ方向に屈曲する。それらはＸ方向でずれて位置Ｐ４ａ，Ｐ４ｂで、目盛板１１０の第一組合せラジアル円環格子１１１．１に到達する。これが二つの分光光束をＹＺ面で再び光学軸Ｚに対して平行に向け、そして重ね合わされた円筒レンズ作用により、それらを目盛板１１０の背面側にあるミラー１１２上の位置Ｐ５ａ，Ｐ５ｂにＸ方向で集束する。分光光束は反射後に、第二組合せラジアル円環目盛１１１．２上にある位置Ｐ６ａ，Ｐ６ｂに到達し、それが再び円筒レンズ作用によりＸ方向で再平行光線化すると共に、重ね合わされた屈曲作用によりＹＺ面で入射する分光光束に対して反対に逆屈曲する。それにより二つの分光光束は、反射性の走査検知格子１２３上の共通点Ｐ７に当たり、そこで重ね合わされて、重ね合わされた分光光束として、走査検知プレート１２４の位置Ｐ８ａ，Ｐ８ｂ，Ｐ８ｃおよびＰ９ａ，Ｐ９ｂ，Ｐ９ｃを経て、結果として０次および±１次回折次数で出て行く。走査検知ユニット１２０における光電子式ディテクタ要素による検知は第一実施例に相当しており、この実施例に対する図においては図示していない。
【００７４】
図１０ａは、リング状ミラー１１２を有する目盛板１１０の下側を示している。図１０ｂでは、リング状の組合せラジアル円環目盛１１１．１と１１１．２を図示している。図１０ｃでは、走査検知プレート１２４の延ばされた直線走査検知格子１２３が分かる。これらの図においても同じく、分光光束が走査検知光路の色々な要素に衝突する位置を図示している。
【００７５】
本発明による角度測定装置のこの実施形態で、平行光線化されたレーザ光束がＸＺ面で傾いていることにより、目盛板１１０に当たる分光光束の分離が達成されるので、分光光束は、位置Ｐ２，Ｐ８ａ，Ｐ８ｂ，Ｐ８ｃにおいて透過され、そして位置Ｐ４ａ，Ｐ４ｂ，Ｐ６ａ，Ｐ６ｂにおいて格子１１１．１と１１１．２で回折される。先に記載している式に従って格子１１１．１と１１１．２の格子構造を計算するとき、この光線傾斜によるｋベクトルの横方向成分を考慮せねばならない。それが、対応して適合化された方位方向格子ベクトルｋＡ１ａおよびラジアル方向格子ベクトルｋＡ１ｒになる。ＸＺ面における光線傾斜は、第二組合せラジアル円環格子１１０．２に向かう更なる光線経過で保持される。そのために、方位方向格子ベクトルｋＡ２ａおよびラジアル方向格子ベクトルｋＡ１ｒを対応して選択する。
【００７６】
この走査検知光学系により、直線テーブル３１の各Ｘ位置での角度Θを測定できる。走査検知ユニット１２０の位置は、走査検知プレート１２４と目盛板１１０の規定交点の下側に近似的に保持されねばならないのみである。走査検知ユニット１２０の小さいズレまたは傾きは、角度の特定に影響を与えない。より正確に考察すると、この特性にとって重要なことは、逆反射と光波前面補正が走査検知ユニット１２０で行われず、目盛板上のラジアル円環格子により行われることである。よって出力される角度の値にとって、走査検知プレート１２４と目盛板１１０の相対的な位置のみが重要である。目盛板１１０の直線および回転移動が重ね合わされているにも拘わらず、位置固定された走査検知プレート１２４に対して相対的な直接位置測定を行うことができる。図７で概略的に示している測定サークル４０は対応して小さい。センサ３２に対して特にドリフトの少ない対象物３３の測定が、小さい測定サークル４０により利点のある方法として可能になる。
【実施形態３】
【００７７】
図１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂおよび１３ａ，１３ｂ，１３ｃにおいて、本発明による角度測定装置の第三実施形態を図示している。この変形例は同じく、先に言及した極座標運動に使用することができる。
【００７８】
第二実施例との違いとして、第二組合せラジアル円環格子２１０．２の特別な構成により、ＸＺ面における分光光束の光線の傾きが回転されるので、二つの分光光束は引き続いて例えば−Ｘ方向に傾いている。よって、間隔が狭いことにより光源およびディテクタ要素を、走査検知ユニットにコンパクトに収容することができる。第二組合せラジアル円環格子２１０．２の特別な構成は、Ｘ方向で対応する格子ベクトルにより得られ、それが方位方向およびラジアル方向成分に分割されると共に、方位方向格子ベクトルｋＡ２ａないしラジアル方向格子ベクトルｋＡ２ｒに加えられる。
【実施形態４】
【００７９】
本発明による光学式角度測定装置ないし走査検知光路の第四実施形態を、図１４と１５で概略的に図示している；この変形例も同じく、極座標運動を有する機械での使用に適している。
【００８０】
この実施形態で特別なことは、位置固定されて配設されている走査検知ユニット３２０にあり、それには直線偏光された平行光線光源３２１およびディテクタ要素３２２．１，３２２．２，３２２，３を含んでいる。直線偏光された光源の光束は、Ｘ方向に対して反対側で屈曲ユニットの方向転換ミラー６０．１の方に送られ、そこで反射により目盛板３１０の方に向けられる。続く光線進路において光束は、反射性の走査検知格子３２３で二つの分光光束に分割され、引き続いてλ／８位相差プレート７０．１ないし７０．２を通過する。第一ラジアル円環格子３１１．１での回折、ミラー３１２での反射、そして第二ラジアル円環格子３１１．２での回折の後に、λ／８位相差プレート７０．１ないし７０．２を改めて通過する。それにより分光光束の直線偏光が、右ないし左円偏光に変換される。反射性の走査検知格子３２３における第二回折が、互いの間で直角に偏光された分光光束を重ね合わせて、結果として０次回折次数で出て行く合成分光光束にする。それが屈曲ユニットの第二方向転換ミラー６０．２により、Ｘ軸に対して平行に向けられ、走査検知ユニット３２０の方向に進む。この中には分光格子８１があり、それが合成分光光束を三つの合成光束に分割する。それらが、それぞれポラライザ８０．１，８０．２ないし８０．３を通過する。これらは、ディテクタ要素３２２．１，３２２．２ないし３２２，３による後続の検知が互いの間で１２０°位相がずれた走査検知信号を出すように、異なって方向付けられている。
【００８１】
それぞれ入射する光束に対して屈曲ユニットとして作用する二つの方向転換ミラー６０．１と６０．２、そしてλ／８位相差プレート７０．１と７０．２も、既に述べているように直線テーブルに配設されており、直線テーブルを介して規定のＸ方向でスライド自在である。よって、直線テーブルのＸ位置に関係なく不変の光線進路が保証されている。走査検知ユニット３２０は著しいロス出力を生むことがあるので、空間的に離れて配設することが、問題となる部品、特に目盛板３１０および走査検知プレート３２４の熱的な負荷を最小にする。それにより測定精度を更に向上することができ、そして出力される位置の値のドリフトが著しく減少する。
【００８２】
従って呈示の実施例において目盛板３１０は、位置固定された走査検知ユニット３２０および位置固定された走査検知プレート３２４ないしその上に配設された走査検知格子に対して、相対的に可動自在で配設されている。ここでは走査検知格子と走査検知ユニット３２０が、目盛板３１０の中心を通る軸に沿って目盛板３１０に対して可動自在である。そのために、回転軸Ｒを中心に回転自在である機械の回転テーブルに、目盛板３１０が円周方向に配設されているのに対して、位置固定された機械ベットに、走査検知ユニット３２０と走査検知格子ないし走査検知プレート３２４が配設されている。
【００８３】
勿論、直角の直線変更または円偏光を達成するために、本発明による光学式角度測定装置のこの実施形態を更に変形して、別の偏光光学構成要素を分光光束の光路に嵌め込むこともある。それに相当して専門家には、合成光束をスライド量に関係して位相のずれた走査検知信号に変換するために、走査検知ユニット３２０における偏光光学構成要素の別の配設もある。
【実施形態５】
【００８４】
本発明による光学式角度測定装置の第五実施形態を、図１６と１７で大きく概略化して図示している；この実施形態も、極座標運動を有する機械で使用するために適している。
当該機械には同じく、回転軸Ｒを中心に回転自在の回転テーブル−図示していない−を含んでおり、それが直線テーブル−同じく図示していない−に、Ｘ方向に沿ってスライド自在で配設されている。回転テーブルの内側範囲には、内側第一目盛板４１０が配設されており、それを、三つの走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３およびそれに関連配置された三つの走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３を使って走査検知する。ここで走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３と走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３は、目盛板４１０に対して相対的に色々な方位方向位置で配設されている。走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３が、静止した機械ベースに繋がっているのに対して、走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３は、Ｘ方向でスライド自在の直線テーブルに配設されている。その他に回転テーブルの外周に更に、複数の目盛板セグメントに細分化された外側第二目盛板４１０．１が設けられており、その動きが追加の走査検知プレート４２４．４と追加の走査検知ユニット４２０．４を介して検出される；走査検知プレート４２４．４は同じく、静止した機械ベースと繋がっており、走査検知ユニット４２０．４は、直線テーブル上に配設されている。
【００８５】
四つの走査検知ユニット全て４２０．１〜４２０．４が、回転テーブルの回転角Θに関係する位置信号を出す。しかし、より正確に観察すると走査検知ユニット４２０．１〜４２０．４により、目盛板４１０ないし４１０．１で方位方向に対して平行な直線スライド量を、走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３と４２４．４に対して相対的に測定する。即ち、この構成を介することにより、ＸＹ面で移動する対象物の全自由度を検出することができる。
【００８６】
走査検知ユニット４２０．２と４２０．３のプラス測定方向を＋Ｘ方向で示し、走査検知ユニット４２０．１と４２０．４のそれを＋Ｙ方向で示すと、付属する走査検知信号ξ２とξ３ないしξ１とξ４に対して、次の関係が得られる：
【００８７】
【数１３】
【００８８】
そこで Ｒ１ 内側目盛板４１０の目盛半径
Ｒ２ 外側目盛板４１０．１の目盛半径
以上から、角度ΔΘおよび回転テーブル中心のスライド量ΔｘとΔｙを特定することができる：
【００８９】
【数１４】
【００９０】
回転テーブル中心のこのテーブルスライド量を、機械のセンサの位置におけるそれに変換することは、勿論、容易に可能である。よって、この配設を介して基本的に、回転テーブル上にある一つまたは複数の対象物の横方向自由度Δｘ，ΔｙとΘ全てを、センサに対して相対的に特定できる。走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３と４２０．４が更に−図示していない方法で−、目盛板４１０ないし４１０．１と付属する走査検知プレート４２４．１，４２４．２，４２４．３ないし４２４．４の交点で、ＸＹ面に対して直角、即ちＺ方向でのスライド量を測定できるように構成されていると、当該対象物の６自由度全てを、位置固定されたセンサに対して相対的に測定できる。
【００９１】
先に言及したようにこの測定は、位置固定された機械ベースから直線テーブルに、そして直線テーブルから回転テーブルにシーケンシャルで行うのではない；本発明による角度測定装置の図示した配設では、寧ろ直接の測定ないし位置特定が可能になる。Ｚスライド用の適切な測定装置は、例えば平面ミラー干渉計、焦点センサのような光学式センサが好ましい；これに対する代替として、Ｚ方向で走査検知測定するための容量式測定装置も適しているであろう。
【００９２】
この実施例においては三つの横方向自由度を測定するために、四つの走査検知ユニット４２０．１，４２０．２，４２０．３，４２０．４が設けられている。即ち、一つの冗長走査検知ユニットがある。それにより、外側の目盛板４１０．１の僅かな中断を許容すること、これを複数の目盛板セグメントで構成することが可能である。よって、外側の目盛板４１０．１をセグメント化することに利点があり、それは、セグメントは例えば一個体の大きな目盛板と較べて、その制限されたサイズにより明らかに容易且つコスト的に有利に製造可能であるからである。セグメントの境界およびそれにより信号の中断は、センサ４３２が回転テーブル上の二つの対象物の間にある位置で行うと好ましい。そこでは、走査検知ユニット４２０．４のインクリメントカウンタが無効である。目盛板４１０．１の次のセグメントが、外側の走査検知ユニット４２０．４の範囲に回転すると、別の三つの走査検知ユニット４２０．１，４２０，２，４２０．３の横方向の位置特定を使うことにより、外側の走査検知ユニット４２０．４のインクリメントカウンタ値を、十分に正確に評価すると共に対応して設定することもできる。更に精度向上するために、外側の目盛板４１０．１のセグメント間の更に小さい位相オフセットを検出し補正することがある。
【実施形態６】
【００９３】
図１８と１９では、本発明による光学式角度測定装置の第六実施形態を示している；意図しているのは、同じく極座標運動を有する機械への使用である。
目盛板５１０が、ここでは四つの走査検知ユニット５２０．１，５２０．２，５２０．３，５２０．４および、付属する位置固定された走査検知プレート５２４．１，５２４．２，５２４．３，５２４．４により走査検知される。走査検知プレート５２４．１，５２４．２，５２４．３，５２４．４は、同じく直線格子として構成されているが、方位方向で大きな拡がりを有しており、この方向でも走査検知位置がある程度のスライドすることも可能である。それにより、Ｘ方向でもＹ方向でもスライド自在である回転テーブル５３１も使用することが可能である。テーブル５３１上には、走査検知ユニット５２０．１，５２０．２，５２０．３，５２０．４が固定されている。
【００９４】
この本発明による光学式角度測定装置の実施形態は同じく、横方向自由度Ｘ，ＹとΘ全てでの測定を可能にし、非常に大きなスライド量も全てのこの自由度で可能であるという特別性を有している。加えて、走査検知ユニット５２０．１，５２０．２，５２０．３，５２０．４に同じくＺスライド用の測定機構を含む時に、回転テーブル５３１の六つの自由度全てを、位置固定された走査検知プレート５２４．１，５２４．２，５２４．３，５２４．４に対して相対的に特定することができる。
【更に別の実施形態】
【００９５】
勿論、本発明による光学式角度測定装置の別の変形体において、十字格子、即ち二次元目盛を走査検知格子として使用することもできるであろう。それにより、回転テーブルで特に大きな直線または平面のスライドも検出できるであろう。また、対応する大きな一つだけの十字格子を、走査検知ユニット全てに対する共通の走査検知格子として設けることも可能である。更に走査検知ユニットの方位方向位置を、目盛板上で任意にそして極座標運動を有する機械における直線ないしＸＹテーブルの移動方向とは関係なく、選択することができる。そのとき走査検知格子の方向は、走査検知位置での方位方向と一致していなければならない。
【００９６】
更に、二つの組合せラジアル円環格子を目盛板の下側で反射格子として、そしてミラーをその上側に構成することも可能である。それにより光線の進み方が、目盛板内部でＷ状等になる。
【符号の説明】
【００９７】
１０ 目盛板
１１ 組合せラジアル円環格子
１２ ミラー
２０ 走査検知ユニット
２１ 光源
２２ 光電子式ディテクタ要素
２３ 直線走査検知格子
２４ 走査検知プレート
３０ 機械ベット
３１ 直線テーブル
３２ センサ
３３ 対象物
３４ ブリッジ
３５ 回転テーブル
４０ 測定サークル
６０ 方向転換ミラー
７０ λ／８位相差プレート
８０ ポラライザ
８１ 分光格子
１１０ 目盛板
１１１ 組合せラジアル円環格子
１１２ ミラー
１２０ 走査検知ユニット
１２３ 直線走査検知格子
１２４ 走査検知プレート
２１０ 組合せラジアル円環格子
３１０ 目盛板
３１１ ラジアル円環格子
３１２ ミラー
３２０ 走査検知ユニット
３２１ 光源
３２２ ディテクタ要素
３２３ 走査検知格子
３２４ 走査検知プレート
４１０ 目盛板
４２０ 走査検知ユニット
４２４ 走査検知プレート
４３２ センサ
５１０ 目盛板
５２０ 走査検知ユニット
５２４ 走査検知プレート
５３１ 回転テーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）および少なくとも一つの測定目盛を有する目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）の間の相対移動を検出するための光学式角度測定装置において、
−走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）が、直線走査検知格子として構成されており、そして
−目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）には測定目盛として、第一および第二組合せラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）を含み、そしてミラー（１２；１１２；２１２；３１２）を有しており、それにより、
−入射する光束が走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）で、まず二つの分光光束に分割され、
−その分光光束が、第一組合せラジアル円環格子（１１．１；１１１．１；２１１．１；３１１．１）の方向に進み、そこで回折され、
−その回折された分光光束が、ミラー（１２；１１２；２１２；３１２）の方向に進み、そこで第二組合せラジアル円環格子（１１．２；１１１．２；２１１．２；３１１．２）の方向に反射され、
−その分光光束が、第二組合せラジアル円環格子（１１．２；１１１．２；２１１．２；３１１．２）の方向に進み、そこで回折され、
−その回折された分光光束が、走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）の方向に進み、そこで分光光束の重ね合わせが生じる、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式角度測定装置において、
組み合された第一および第二ラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が、少なくとも一つの方位方向光学的屈曲作用を、リング状に曲げられたラジアル方向円筒レンズの光学的作用と一緒に備えている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学式角度測定装置において、
第一組合せラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が、分光光束に対する長手方向および横方向の屈曲作用の他に、更にミラー（１２；１１２；２１２；３１２）への分光光束の集束を生じるように構成されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光学式角度測定装置において、
第二組合せラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が、分光光束に対する長手方向および横方向の屈曲作用の他に、走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）の方向に進む分光光束の再平行光線化が生じるように構成されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学式角度測定装置において、
組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が、目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）の全周に亘ってリング状で配設されており、リング全周に亘って一定の方位方向格子周期を有し、そしてラジアル方向では変化するラジアル格子周期を有している、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光学式角度測定装置において、
ミラー（１２；１１２；２１２；３１２）が、目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）の全周に亘ってリング状で配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項７】
請求項５と６に記載の光学式角度測定装置において、
目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）が透明な材料で出来ており、第一側には組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が配設されており、反対側の第二側にはミラー（１２；１１２；２１２；３１２）が配設されており、その反射面が第一側に向けられている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項８】
前記請求項１〜７のいずれかに記載の光学式角度測定装置において、
走査検知格子（１２３；２２３；３２３）が、反射性走査検知格子として構成されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の光学式角度測定装置において、
光源（２１；３２１）および複数の光電子式ディテクタ要素（２２．１〜２２．３；３２２．１〜３２２．３）が、走査検知ユニット（２０；１２０；３２０；４２０．１〜４２０．４；５２０．１〜５２０．４）に配設されており、光源（２１；３２１）から発せられた光束を走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）に送ることができ、重ね合わされた分光光束を光電子式ディテクタ要素（２２．１〜２２．３；３２２．１〜３２２．３）に送ることができる、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
走査検知ユニット（２０）に更に走査検知格子（２３．１，２３．２）が配設されており、目盛板（１０）が走査検知ユニット（２０）に対して可動で配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
走査検知格子（１２３；２２３）に対して、少なくとも一つの走査検知ユニット（１２０；４２０．１〜４２０．４；５２０．１〜５２０．４）がスライド自在で、そして目盛板（１１０；２１０；４１０；５１０）が回転自在で配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
少なくとも一つの走査検知ユニット（３２０）が、走査検知格子（３２３）と一緒に目盛板（３１０）に対して、目盛板（３１０）の中心を通過する軸（Ｘ）に沿って相対的に可動で配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
複数の走査検知ユニット（４２０．１〜４２０．３）およびその走査検知ユニット（４２０．１〜４２０．３）に関連配置された複数の走査検知格子（４２４．１〜４２４．３）を有しており、その走査検知ユニット（４２０．１〜４２０．３）と走査検知格子（４２４．１〜４２４．３）が、色々な方位方向位置で目盛板に対して相対的に配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１４】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
目盛板（４１０．１）が複数の目盛板セグメントで出来ている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１５】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
−走査検知ユニット（３２０）から来る光束を、屈曲ユニットを介して目盛板（３１０）の方向に向けることができ、そして
−目盛板（３１０）から来る光束を、屈曲ユニットを介して走査検知ユニット（３２０）の方向に向けることができる、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１】
少なくとも一つの走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）および少なくとも一つの測定目盛を有する目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）の間の相対移動を検出するための光学式角度測定装置において、
−走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）が、直線走査検知格子として構成されており、そして
−目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）には測定目盛として、第一および第二組合せラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）を含み、そしてミラー（１２；１１２；２１２；３１２）を有しており、それにより、
−入射する光束が走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）で、まず二つの分光光束に分割され、
−その分光光束が、第一組合せラジアル円環格子（１１．１；１１１．１；２１１．１；３１１．１）の方向に進み、そこで回折され、
−その回折された分光光束が、ミラー（１２；１１２；２１２；３１２）の方向に進み、そこで第二組合せラジアル円環格子（１１．２；１１１．２；２１１．２；３１１．２）の方向に反射され、
−その分光光束が、第二組合せラジアル円環格子（１１．２；１１１．２；２１１．２；３１１．２）の方向に進み、そこで回折され、
−その回折された分光光束が、走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）の方向に進み、そこで分光光束の重ね合わせが生じる、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式角度測定装置において、
組み合された第一および第二ラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が、少なくとも一つの方位方向光学的屈曲作用を、リング状に曲げられたラジアル方向円筒レンズの光学的作用と一緒に備えている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学式角度測定装置において、
第一組合せラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が、分光光束に対する長手方向および横方向の屈曲作用の他に、更にミラー（１２；１１２；２１２；３１２）への分光光束の集束を生じるように構成されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光学式角度測定装置において、
第二組合せラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が、分光光束に対する長手方向および横方向の屈曲作用の他に、走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）の方向に進む分光光束の再平行光線化が生じるように構成されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の光学式角度測定装置において、
組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が、目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）の全周に亘ってリング状で配設されており、リング全周に亘って一定の方位方向格子周期を有し、そしてラジアル方向では変化するラジアル格子周期を有している、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光学式角度測定装置において、
ミラー（１２；１１２；２１２；３１２）が、目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）の全周に亘ってリング状で配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項７】
請求項５と６に記載の光学式角度測定装置において、
目盛板（１０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０）が透明な材料で出来ており、第一側には組み合わされた第一および第二ラジアル円環格子（１１．１，１１．２；１１１．１，１１１．２；２１１．１，２１１．２；３１１．１，３１１．２）が配設されており、反対側の第二側にはミラー（１２；１１２；２１２；３１２）が配設されており、その反射面が第一側に向けられている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項８】
前記請求項１〜７のいずれかに記載の光学式角度測定装置において、
走査検知格子（１２３；２２３；３２３）が、反射性走査検知格子として構成されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の光学式角度測定装置において、
光源（２１；３２１）および複数の光電子式ディテクタ要素（２２．１〜２２．３；３２２．１〜３２２．３）が、走査検知ユニット（２０；１２０；３２０；４２０．１〜４２０．４；５２０．１〜５２０．４）に配設されており、光源（２１；３２１）から発せられた光束を走査検知格子（２３．１，２３．２；１２３；２２３；３２３）に送ることができ、重ね合わされた分光光束を光電子式ディテクタ要素（２２．１〜２２．３；３２２．１〜３２２．３）に送ることができる、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
走査検知ユニット（２０）に更に走査検知格子（２３．１，２３．２）が配設されており、目盛板（１０）が走査検知ユニット（２０）に対して可動で配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
走査検知格子（１２３；２２３）に対して、少なくとも一つの走査検知ユニット（１２０；４２０．１〜４２０．４；５２０．１〜５２０．４）がスライド自在で、そして目盛板（１１０；２１０；４１０；５１０）が回転自在で配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
少なくとも一つの走査検知ユニット（３２０）が、走査検知格子（３２３）と一緒に目盛板（３１０）に対して、目盛板（３１０）の中心を通過する軸（Ｘ）に沿って相対的に可動で配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
複数の走査検知ユニット（４２０．１〜４２０．３）およびその走査検知ユニット（４２０．１〜４２０．３）に関連配置された複数の走査検知格子（４２４．１〜４２４．３）を有しており、その走査検知ユニット（４２０．１〜４２０．３）と走査検知格子（４２４．１〜４２４．３）が、色々な方位方向位置で目盛板に対して相対的に配設されている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１４】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
目盛板（４１０．１）が複数の目盛板セグメントで出来ている、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項１５】
請求項９に記載の光学式角度測定装置において、
−走査検知ユニット（３２０）から来る光束を、屈曲ユニットを介して目盛板（３１０）の方向に向けることができ、そして
−目盛板（３１０）から来る光束を、屈曲ユニットを介して走査検知ユニット（３２０）の方向に向けることができる、ことを特徴とする光学式角度測定装置。
【図３】
【図６】
【図９】
【図１２】
【図１６】
【図１７】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１８】
【図１９】
【図６】
【図９】
【図１２】
【図１６】
【図１７】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−９８２８７（Ｐ２０１２−９８２８７Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１３５９（Ｐ２０１１−２４１３５９）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（５０１２３２８２７）ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲーエムベーハー (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（５０１２３２８２７）ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲーエムベーハー (24)
【Ｆターム（参考）】
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