JPH07198423A - 測長または測角装置 - Google Patents

測長または測角装置

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JPH07198423A
JPH07198423A JP6276701A JP27670194A JPH07198423A JP H07198423 A JPH07198423 A JP H07198423A JP 6276701 A JP6276701 A JP 6276701A JP 27670194 A JP27670194 A JP 27670194A JP H07198423 A JPH07198423 A JP H07198423A
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grating
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JP6276701A
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Dieter Michel
デイーター・ミヒエル
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
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    • G02B5/1866Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
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    • GPHYSICS
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    • 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
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 汚れに敏感でなく、測角または測長装置が乱
れに対して信頼性があり、一定の実施形状で多面的に採
用できる、少なくとも一つが位相格子として形成された
相対運動する複数の格子目盛を備えた光電方式の測角ま
たは測長装置の位相格子目盛を提供する。 【構成】 目盛ホルダーとは異なる透過特性を有する互
いに間隔を置いて目盛構造体Tが目盛ホルダーの材料の
組み込み構成要素であるように、格子目盛Mの少なくと
も一つが目盛ホルダーの目盛領域で平坦な表面Oを有す
る透過位相格子として形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、少なくとも一つが位
相格子として形成された相対運動する複数の格子目盛を
備えた光電方式の測長または測角装置に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、光学部品を作成する精密工作機
械や、磁気ディスクのフライス旋盤、あるいは半導体技
術の位置決め精度に対する要請は近年ますます高度にな
っているが、この要請はサブミクロン領域の分解能の測
長装置や測角装置に強い要請をもたらす。
【0003】これは、干渉動作する測定装置、所謂回折
格子干渉計で実現できる。回折格子干渉計では、測定値
が目盛板の目盛で回折した二つの光ビームの干渉と位相
差の評価により形成される。
【0004】回折格子(目盛板)で回折した n次の波の
位相差Ωには、目盛周期 Cの目盛板が xほど移動する場
合、
【0005】
【外1】 となる。これから分かることは、光源の波長が位相のず
れに影響を与えないことである。この測定信号は安定な
目盛板の目盛から導かれる。
【0006】干渉信号は回折された二つの波を重ねて生
じる。測定格子と回折したビームの間の相対移動が1目
盛周期ほどであり、回折次数が+1次と−1次の干渉が
あると、干渉信号の強度は2周期を移動する。第二の回
折次数が干渉に関与すると、1目盛周期当たり4つの信
号周期となる。
【0007】干渉する回折次数の選択により、干渉信号
の周期は目盛板の目盛の周期より短くなる。しかし、回
折次数の上昇と共に低下する強度成分により、これには
限界が設定される。
【0008】干渉信号の周期を短くする他の可能性は、
目盛板の目盛で多重回折にある。その時、回折毎に生じ
る位相のずれが加算される。方向弁別と補間に必要な位
相のずれた信号の発生は、特別に設計された位相格子に
より、あるいは偏光された単色照明の場合、偏光部材で
も行われる。
【0009】回折格子干渉計に必要な位相格子の目盛を
有する目盛板は、従来の技術によりリソグラフィーやホ
ログラフィーで作製される。リソグラフィーで作製され
た目盛板の利点は、1メートル以上の長さの目盛板を形
成するのに有利であり、ホログラフィーで作製された目
盛板では、結像光学系に対する高い要請のため、 250mm
以下の長さに制限されている。
【0010】この回折格子目盛は、縦断面で段が付けあ
り、ほぼ長方形の輪郭を有する。この種の格子は、当然
汚れに非常に敏感である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、汚
れに敏感でなく、測角または測長装置が乱れに対して信
頼性があり、一定の実施形状で多面的に採用できる、測
角または測長装置の位相格子目盛を提供することにあ
る。
【0012】
【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、冒頭に述べた種類の測角または測長装置にあっ
て、目盛ホルダーとは異なる透過特性を有する互いに間
隔を置いた目盛構造体Tが目盛ホルダーの材料の組み込
み構成要素であるように、格子目盛Mの少なくとも一つ
が目盛ホルダーの目盛領域で平坦な表面Oを有する透過
位相格子として形成されていることによって解決されて
いる。
【0013】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。
【0014】
【実施例】以下、この発明を例示的により詳しく説明す
る。回折格子干渉計1の光学構造を図1に展開ビーム通
路で単純化して示してある。光源Q,集光レンズKと光
電素子P1,P2,P3 から成る照明装置が模式的に示して
ある。光源Qと集光レンズKで発生した平面波と、回折
された波は波面の法線で表してある。走査格子Gに垂直
に入射する波長λの平面波から始める。
【0015】動作原理は、移動する格子目盛Mで回折し
た分割ビーム束が格子運動の光周波数の位相で変調され
ることに基づいている。つまり、格子Mが1目盛周期ほ
ど移動する間に、回折された二つの1次の分割ビーム束
の位相が 360°移行する。この場合、+1次と−1次の
位相は逆向きに移動する。±1次の二つのビーム束が再
び干渉すると、二重の移動周波数で変調された光ビーム
束が生じる。
【0016】これは、振幅格子目盛にも位相格子目盛に
も当てはまる。しかし、位相格子は0次が消去され、二
つの一次回折次数に入射エネルギの大部分が利用される
ように設計される。
【0017】光源(赤外線放射器Q)から出たビーム
は、集光レンズKによって平行にされ、走査位相格子G
を照明する。図2に示すように、この格子Gに入射した
光ビーム束Lが一部回折ないしは透過する。その場合に
生じた分割ビーム束A′,B−CとD′は反射位相格子
の目盛板Mで回折し、走査位相格子GまたはG′に再入
射した後、互いに干渉する。集光レンズKは平行な分割
ビーム束A″′/ B′,A″/ B′あるいはC″/ D″
およびD″′/ C′を付属する光検出器P1,P2 とP3
に集束させる。
【0018】目盛板が移動すると、3つの光検出器P1,
P2 とP3 がそれぞれ信号周期の 1/3ほど位相のずれた
信号を出力する(信号周期=目盛板の格子周期の半
分)。この位相のずれは、欧州特許第 0 163 362 B1 号
明細書により既に周知のように、走査格子Gあるいは
G′の形状(溝の幅と深さ)で決まる。
【0019】以下では、図示する部材の作用を説明す
る。入射波がインデックス格子(走査格子)Gを通過す
ると、実質上3つの方向−1,0,+1に回折する。こ
の場合、インデックス格子Gは0次のビームが±1次の
ビームに対して位相に関して値Φほど遅れているように
構成されている。これ等のビームが目盛板Mから出る
と、それぞれ±1次の二つの方向に回折する。目盛板M
は0次の回折次数が生じないように形成されている。
【0020】目盛板Mがインディクス格子あるいは走査
格子GとG′(両者は同一物体である)に対して移動す
ると、目盛板Mで回折した+1次( n=+1 )のビーム
が移動距離 xに比例する値Ωほどの位相変化を行い、−
1次( n=−1 )のビームが値−Ωほどの位相変化を行
う。ここで、
【0021】
【外2】 で、C は目盛周期である。インディクス格子あるいは走
査格子G′を通過すると、再び回折と位相のずれが生じ
る。同じ方向で同じ光学光路の波は干渉する。その場
合、干渉する分割波の位相は格子を通過する時、個々の
分割ビームが受ける位相変化の和から生じる。単色でな
く、空間的に非干渉性の光源で照明する場合、方向+
1,0,−1の向きの干渉波が信号形成に寄与する。
【0022】格子系の出口では、位相−Ωの波が位相2
Φ+Ωの波と記号+1を付けた方向で干渉する。格子目
盛G,G′とMとしては、図3に示すように、透過位相
格子として平坦面Oを有する位相格子を使用すると有利
である。
【0023】表面に溝を付けた位相格子を備えた測長ま
たは測角装置とは異なり、この発明による位相格子G,
G′とMでは、表面を簡単に洗浄できるか、あるいはク
リーナーを使用して清潔にできる。
【0024】前記の従来の測定装置では、しばしば一定
の熱膨張係数が必要であり、これは一定の材料(例えば
シリカガラス)の組成による。これ等の材料は、一般に
環境の影響に対して保護被膜で保護されていたり、それ
以外の機能被膜で被覆されている。このような被膜は、
通常のステップ状の格子の場合、光学特性に対して許容
できない変更を与える。何故なら、被膜がステップの高
さに比べて厚いからである。
【0025】これに反して、この発明による位相格子
G,G′とMでは、ステップの高さに比べて厚い被膜を
付けることができる。このような保護ないしは機能被膜
の例は下記のものである。つまり、 −光学フィルタ(吸収性の誘電干渉フィルタ) −静電シールドする透明な被膜 −導電性の透明な被膜(LCD) −拡散防止被膜(例えばアルカリイオンの拡散を防止す
る) −摩擦被膜(緊急使用特性を備えている) −親水性ないしは疎水性の被膜(汚れ、凝縮液) である。
【0026】このような被膜は、例えば周知の浸漬法
(ゾル・ゲル法、OROCERE)あるいは薄膜技術
(プラズマ重合、CVD,PVD,スパッタリング等)
で付着される。
【0027】他の重要な利点は、一定の仕上がりパラメ
ータを維持することにより、回折した分割ビーム束の強
度と位相に関する基準パラメータを目指すように設定で
きる点にある。図4に示すような、所謂超格子を比較的
簡単に実現できる。その場合、表面Oの一様性が得れて
いる。
【0028】回折パラメータの調節は、イオン交換法に
よる製造の場合、例えば電界の支援レベル、塩溶融物の
温度導入、基板の組成等によって可能になる。この方法
で作製された望遠カメラの格子は、例えば欧州特許第 0
186 166 B1 号明細書により周知である。
【0029】図5に模式的に示すように、例えばプリズ
ムPのような光学部材を目盛(目盛板M)に装着する必
要がある場合に、位相構造の平坦性が特に良好である。
最近の技術水準によれば、測長または測角装置用のこの
発明の格子は、例えば以下の方法で作製される。つま
り、 −イオン交換 −陽子交換 −イオン注入 −結晶化処理 −分子あるいは分子の鎖の配向 で作製される。
【0030】これ等の方法では、屈折率が変わる領域で
格子目盛板(M)の部分的な変色も生じる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の測長ま
たは測角装置により、汚れに敏感でなく、測角または測
長装置が乱れに対して信頼性があり、一定の実施形状で
多面的に採用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】干渉で動作する測長装置の光学機能原理を示す
光線図である。
【図2】図1の展開光線図である。
【図3】この発明による位相格子の一部の斜視図であ
る。
【図4】この発明による他の位相格子の一部の斜視図で
ある。
【図5】この発明による位相格子の他の実施例を示す断
面図である。
【符号の説明】
M 目盛板 Q 光源 G,G′ 走査格子あるいはインディクス格子 K 集光レンズ P1,P2,P3 受光素子 T 目盛 O 表面 P プリズム
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成7年1月11日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図1
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図5
【補正方法】変更
【補正内容】
【図5】
フロントページの続き (72)発明者 デイーター・ミヒエル ドイツ連邦共和国、83278 トラウンシユ タイン、ラングアウエンストラーセ、12

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも一つが位相格子として形成さ
    れた相対運動する複数の格子目盛を備えた光電方式の測
    長または測角装置において、目盛ホルダーとは異なる透
    過特性を有する互いに間隔を置いた目盛構造体(T)が
    目盛ホルダーの材料の組み込み構成要素であるように、
    前記格子目盛(M)の少なくとも一つが目盛ホルダーの
    目盛領域で平坦な表面(O)を有する透過位相格子とし
    て形成されていることを特徴とする測長または測角装
    置。
  2. 【請求項2】 目盛構造体(T)は目盛ホルダーとは異
    なる屈折率を有し、その領域の目盛ホルダーの材料の屈
    折率は物理および/または化学的な処理により変化して
    いることを特徴とする請求項1に記載の測長または測角
    装置。
  3. 【請求項3】 格子目盛(M)の表面(O)は保護被膜
    を有することを特徴とする請求項1に記載の測長または
    測角装置。
  4. 【請求項4】 格子目盛(M)の表面(O)は機能被膜
    を有することを特徴とする請求項1に記載の測長または
    測角装置。
  5. 【請求項5】 位相格子(M)は周知の方法、 −イオン交換 −陽子交換 −イオン注入 −結晶化処理 −分子あるいは分子の鎖の配向 で作製されることを特徴とする請求項1に記載の測長ま
    たは測角装置。
  6. 【請求項6】 位相格子(M)は所謂超格子を有するこ
    とを特徴とする請求項1に記載の測長または測角装置。
  7. 【請求項7】 位相格子(M)は平行な平面(O)の上
    に目盛構造体を有することを特徴とする請求項1に記載
    の測長または測角装置。
JP6276701A 1993-11-12 1994-11-10 測長または測角装置 Withdrawn JPH07198423A (ja)

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DE4338680A DE4338680C1 (de) 1993-11-12 1993-11-12 Längen- oder Winkelmeßeinrichtung
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EP (1) EP0653609B1 (ja)
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AT (1) ATE188547T1 (ja)
DE (2) DE4338680C1 (ja)

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