JPH05500108A - ２次元の絶対位置測定装置 - Google Patents

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】 ２次元の絶対位置測定装置 本発明は測定装置へ関連づけて部材の２次元の絶対位置を測定する装置に関する 。

従来技術 ドイツ連邦共和国特許公報第３８２１０４６号【こ光学的電子的変位および／ま たは角度測定のための方法が示されている。この方法の場合、測定されるべき物 体の表面へ所定の角度の下に第１のおよび第２の光学的ビームが方向づけられて おり、これらのビームは表面上の１つの共通の照射個所において回折される。両 方のビームは異なる周波数を有するかまたは両方のビームの周波数が同時に変化 され、この場合、ビームの一方が位相変調器を有する。基準信号に対して相対的 な、１つの光学的センサから送出される信号の位相変化が、評価される。測定さ れるべき物体の表面上の両方のビームの照射個所において、回折が行なわれる。

何故ならば表面は常に、光学的格子の作用を有する多少の凹凸を有するからであ る。この公知の方法１二よ）ノ、所定の測定時点に例えば測定開始時に基準位置 力で規定される場合に、絶対位置測定が可能となる。他方、ちょうど検出中の測 定値に基づいて、測定位置へ関連づけて測定されるべき部材の絶対位置測定は、 可能で（よない。

本発明の課題は、ちょうど検出中の測定値から位置の絶対測定を可能とする測定 装置に関連づけて、部材の２次元の絶対位置を測定するための装置を提供するこ とである。この課題は請求項１の特徴部分の構成により解決されている。

発明の利点 請求項１に示された本発明の装置は、著しくわずかな構成の下に著しく高い分解 能を有する。測定されるべき部材の少なくとも１つの表面をホログラムとして構 成したため、簡単に構成された光学的測定装置により評価される大きい情報密度 の格納が可能となる。

ホログラムの中に含まれる情報は、次のようにして評価される。即ち測定波がホ ログラムへ方向づけられており、更に基準（参照）波が、ホログラムにより回折 された測定波と干渉するために設けられていることによる。干渉された光は、少 なくとも２つのセンサを含むセンサ装置により検出される。これらのセンサはそ の出力信号を信号処理装置へ送出する。信号処理装置はこれらの信号とメモリの 中に記憶されている値から、部材の２次元の絶対位置を測定装置に関連づけてめ る。

本発明の第１の実施例によれば、信号処理装置が絶対位置を、干渉された波の強 さに比例する、センサの出力信号からめる０例えば少なくとも２つのセンサから 送出される信号の差を形成することによりまたは商を形成することにより請求め られる。

この実施例の著しい利点は、光学的装置の簡単な構成にある、何故ならば測定波 も基準波も同じ周波数を有することができるからである。

第２の実施例においては、前記の少なくとも２つのセンサから送出される出力信 号の間に位相変調器または周波変調器が設けられており、さらに信号処理装置が 絶対位置を、センサの出力信号の間の位相関係からめるように構成されているに の実施例において必要とされることは、測定波と基準波との間に位相変調作用ま たは周波数変調作用が実施されることである。

変調作用は、測定波と基準波の光学的周波と比較して著しく低い周波数における 位相関係の評価を可能とする。この低い周波数は簡単な電子装置により評価可能 である。この実施例の特別の利点は、測定波および基準波の強度が絶対位置測定 の結果へ参入しないことにある。そのため一層高い精度および／または分解能が 得られる。

本発明の構成によれば、測定波および基準波を、異なる方向からホログラムの共 通の照射個所へ方向づけるように構成したのである。この構成において、光学装 置の調整は簡単に実施できる、何故ならば、測定波も基準波も共通の照射個所へ 方向づけられていることだけを、保証すべきだからである。光学的センサ装置特 表千５−５００１０８　（３） のこの調整は著しく簡単である。照射個所において回折されさらに干渉された波 がセンサへ照射することだけを保証すべきである。

光学的測定装置の小型化は、ビーム源として半導体レーザを用いることにより可 能となり、この場合、光学的構成は、例えば統合化される光学装置においてい行 なわれる。

分解能と測定精度の一層の向上は、光学的センサ装置をラインとしてまたは２次 元のマルチセンサ装置として構成したことにより、可能となる。光学的センサ装 置のこの構成の場合、複数個のセンサからの出力信号はその都度に評価される。

本発明の装置の構成によれば、それぞれ少なくとも１つの第２の測定波および基 準波が設けられており、これらは既に存在している波とは異なる波長を有してい る。

本発明の構成によれば、センサ装置において２つの第２のセンサも設けられてお り、この場合、両方のセンサはそれぞれ、干渉された波の波長を検出する。光学 的測定装置の、異なる波長を有する２つの部分への分割が、ホログラムの簡単な 実現を可能とする。何故ならば例えば一方の設計仕様の部分には一方の波長が、 および他方のそれには他方の波長が配属できるからである。そのためホログラム の算出および製造が著しく簡単になる。

本発明の構成によれば、異なる波長は時間的に交番的に形成される。わずか２つ のセンサしか含む必要のないセンサ装置に対するわずかな費用は有利である。

何故ならば信号処理装置は、種々の波長への配属を、この目的でこの装置へ導か れる信号を用いて実施できるからである。

本発明の装置の種々の構成は、従属形式の請求項に示されており、次の記載で説 明する。

図面 第１図および第２図は、２次元の絶対位置測定用の本発明の装置の２つの実施例 を示す。

第１図は部材１ｏを示し、この部材の２次元の絶対位置が、測定装置１１に関連 づけて測定される。光学的測定装ｊｌｌｌはビーム源１２を含み、そのビーム源 から、測定波１３と基準波１４が導出される。測定波１３も基準波１４も光導体 １５の中を導かれる。基準波のビーム路の中に変調器１６が設けられている。測 定波１３および基準波１４は、ホログラムとして構成されている、部材１０の表 面１８の共通の照射個所１７へ方向づけられている。ホログラムのストラフチャ は線１９で示されている。照射個所１７において回折された波１３．１４は干渉 し次に、少なくとも２つのセンサ２１，２２を含む光学的センサ装置２０により 検出される。センサ２］、、２２の出力信号は、位置をめる信号処理装置２３へ 導かれる。

第２図は、第１図に示された装置のビーム路の第２の構成を示す。第１図に示さ れた部材と一致する部材は、第２図において第１図と同じ参照数字を有する。

基準波１４は測定波１３と共に、センサ装置２ｏとホログラム１８との間に存在 する個所で、重畳される。

両方の波１３．１４を１つにまとめるためにビームスプリッタ２４が設けられて いる。

次に第１図および第２図に示された本発明による装置の動作を説明する。

光学的測定装置１１によりめられるべき部材１０の２次元の絶対位置に関する情 報は、部材１０の、ホログラムとして構成されている表面１８の中に含まれてい る。このホログラムは、別個に製造し続いて部材１０の表面と結合することもで きる。ホログラム１８のストラフチャは理論的に算出可能であり、さらに線１９ で簡単化された形状で示されているよりも、実際は著しく複雑である。ホログラ ム１８の中に含まれている情報は光路において読み出される。ホログラム１８へ 方向づけられた測定波１３は照射点１７において回折される。位置情報は回折さ れた波の位相状態の中に含まれている。回折された波は基準波１４を基準とじで 評価される。この基準波はこの目的で測定波１３と干渉される。第１図に示され ているように干渉は、測定波１３も基準波１４も同じ照射個所１７へ方向づけら れることにより、行なわれる。しかし基準波１４もホログラム１８へ照射するこ とは、必要とはされない。そのため第２図に示されている様に、基準波１４を光 学的センサ装置２ｏの直前で、ホログラムにより回折された測定波１３とはじめ て干渉させることもできる。基準波１４は例えば直接センサ装置２０へ方向づけ ることができる。両方の波１３．１４を１つにまとめるためにビームスプリッタ ２４を用いることもできる。

干渉された波は、少なくとも２つのセンサ２１，２２を含む光学的センサ装置２ ０へ達する。ホログラムにより生ぜさせられた、測定波１３と基準波１４との波 面差に依存して、両方のセンサ２１，２２に、異なるビーム強度が現われる。信 号処理装置２３において強度差から、２次元の絶対位置が、メモリ中に記憶され ている値との比較によりめられる。信号処理装置２３は例えばセンサ２１，２２ に現われた信号差を算出するか、または例えばこれから比を形成する。一層高い 分解能および／または測定精度は、センサ装置２０の中に２つよりも多いセンサ ２１，２２が含まれている時に、得られる。センサ装置２０は例えばライン形式 のまたは２次元のマルチセンサ装置として構成されている。この場合、信号処理 装置２３において、位置の絶対測定に用いられる複数個の信号が供給される。

第２の構成において絶対位置は、センサ２１と２２との間に生ずる位相差からめ られる。光学的周波数特表平５−５００１０８　（４） 領域における位相の関係づけの算出は、測定波１３または基準波１４が互いに位 相変調または周波数変調を有する時に、回避される。温室結果において位相変調 と周波数変調とは等しい。この目的で、例えば基準波１４を相応に変調する変調 器１６が設けられている。

センサ２１，２２から送出される信号の間の位相の関係づけは、信号処理装置２ ３において、変調器１６の変調周波数の領域において処理される。

位相情報の評価は、強度の評価よりも優れた利点を有する。何故ならば強度変化 が、例えば光学的コンポーネントの汚染によりまたは例えば老化現象により生じ 得る位置算出動作に影響を与えないからである。

ホログラムのストラフチャの複雑な算出処理は、位置測定において測定されるべ き両方の方向の各々に対して別個のストラフチャを前もって与える場合に、簡単 化される。異なるストラフチャの評価は、異なる波長の２つの光学的ビームの評 価により可能である。

本発明による装置の第１の変形実施例によれば、２つの測定波１３および基準波 １４が設けられている。

この場合、センサ装置２０は、少なくとも２つのセンサを、一方の波長を有する ビームの受信のために含み、さらに少なくとも２つのセンサを、他方の波長を有 するビームの受信のために含む０両方の波長用に、両方の測定装置１１の完全に 別個の構成も可能である。例えば測定装置１１のい（つかの部分が両方の波長に 対して同時に有利に用いられる。異なる波長を有する両方の測定ビーム１３を、 共通に案内することもできる。

この場合、一方の基準ビーム１４は、両方の測定方向のために、表面１８への他 方の基準ビーム１４の投射方向に対して約９０°の角度を有する。同様に両方の 測定ビームを両方の測定方向に対して分割しさらに基準ビーム１４を共通に案内 することもできる。ビーム源１２は、異なる波長を有するビームを個別にまたは 共通に発生することができる。

２つの測定波１３と２つの基準波１４とを有する測定装置の別の実施例において 、測定波１３と基準波１４の波長の切り換えは、所定の時間間隔において行なわ れる。第１の時間区間においては一方の測定方向における位置測定のための波長 が発生され、次の時間区間においては他方の測定における位置測定のための波長 が発生される。この構成は、わずか２つのセンサ２１．２２Ｌ、か必要とされな い利点を有する。異なる波長の場合に必要とされる別個の評価は、信号処理装置 ２３において、この信号処理装置に測定波および基準波のその都度存在する波長 が送出する信号が導かれることにより、行なわれる。

光学的測定装置１１は例えば統合化される光学装置の中に組み立てられる。この 場合、少なくとも１つの測定波１３および基準波１４が光導体１５の中へ導かれ る。ビーム源１２としては、測定装置１１の著しくコンパクトな構造を可能にす る半導体レーザが、特に適している。

光学的測定装置１１の調整作業は、実質的に、測定波１３と基準波１４を干渉さ せるだけで済む。ホログラム１８への測定波１３の、および場合により基準波１ ４の照射角度は、およびホログラム１８へのセンサ装置２０の観察角度は、所定 の限界内で任意に選択可能である。

国際調査報告 国際調査報告 ＰＣＴｌｏＥ　９０１００６８ ＳＡ　３９７７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．測定装置（１１）へ関連づけて部材（１０）の２次元の絶対位置を測定する 装置であって、この場合、光学的測定波（１３）が、ホログラムとして形成され ている、部材（１０）の表面（１８）へ方向づけられており、さらに光学的基準 波（１４）が、該ホログラム（１８）により回折される測定波（１３）と干渉さ せる目的で設けられており、さらに前記の位置測定装置は、少なくとも２つのセ ンサ（２１，２２）を含む、干渉された波（１３，１４）を検出するための光学 的センサ装置（２０）を備えており、さらに信号処理装置（２３）を備えており 、該信号処理装置は、前記のセンサ（２１，２２）の出力信号からおよびメモリ の中に記憶されている値から、位置を求めることを特徴とする部材の２次元の絶 対位置を測定するための装置。 ２．信号処理装置（２３）が絶対位置を、干渉された波（１３，１４）の強さに 比例する、センサ（２１，２２）の出力信号から求めるようにした請求項１記数 の装置。 ３．測定波（１３）と基準波（１４）との間に位相変調器または周波変調器が設 けられており、さらに信号処理装置（２３）が絶対位置を、センサ（２１，２２ ）の出力信号の間の位相関係から求めるようにした請求項１記載の装置。 ４．異なる方向からの測定波（１３）および基準波（１４）を、ホログラム（１ ８）の共通の照射個所（１７）へ方向づけるようにした請求項１から３までのい ずれか１項記載の装置。 ５．基準波（１４）を、照射個所（１７）において回折された測定波（１３）と 干渉させるようにした請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。 ６．測定波（１３）および基準波（１４）を発生するための半導体レーザ（１２ ）が設けられている請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。 ７．測定波（１３）または基準波（１４）を変調するための光学的音響的変調器 （１６）が設けられている請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。 ８．ラインの形式で構成されたマルチセンサ装置（２０）が設けられている請求 項１から７までのいずれか１項記載の装置。 ９．２次元のセンサ装置（２０）の中に少なくとも４つの光学的センサが設けら れている請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。 １０．少なくとも１つの第２の光学的測定波が、ホログラムとして構成された、 部材（１０）の表面（１８）へ方向づけられており、さらに少なくとも１つの第 ２の光学的基準波が、ホログラム（１８）により回折された測定波との干渉の目 的で設けられており、この場合、前記第２の測定波および第２の基準波は、前記 第１の測定波（１３）および基準波（１４）とは異なる第２の波長を有しており 、さらにこの場合、一方の波長を有する測定波（１３）および基準波（１４）が 一方の測定方向における位置測定の目的で表面（１８）の上に設けられており、 さらに他方の波長を有する測定波（１３）および基準波（１４）が第２の例えば ９０°だけ旋回された測定方向における位置測定の目的で表面（１８）の上に設 けられており、さらに少なくとも２つのセンサから成るセンサ群を少なくとも２ つ含む光学的センサ装置が設けられており、さらに両方のセンサ群がそれぞれ１ つの、干渉された波の所定の波長を有している請求項１から９までのいずれか１ 項記載の装置。 １１．少なくとも１つの第２の光学的測定波が、ホログラムとして構成されてい る、部材（１０）の表面（１８）へ方向づけられており、さらに少なくとも１つ の第２の光学的基準波が、ホログラム（１８）により回折された測定波との干渉 の目的で設けちれており、この場合、この第２の測定波および第２の基準波が第 １の測定波（１３）および基準波（１４）とは異なる第２の波長を有しており、 この場合、交番的にその都度に測定波（１３）および基準波（１４）が一方の波 長をおよび続いて他方の波長を有するようにし、さらにこの場合、一方の周波数 を有する測定波（１３）および基準波（１４）が一方の方向における位置測定の 目的で、および他方の波長を有する測定波（１３）および基準波（１４）が他方 の方向における位置測定の目的で、表面（１８）に設けられており、さらにその 都度に存在する、測定波（１３）および基準波（１４）の波長を与える、信号処 理装置（２３）へ導かれる信号が設けられている請求項１から９までのいずれか １項記載の装置。 １２．統合化される光学装置の中に実現されている請求項１から１１までのいず れか１項記載の装置。