DE4201511A1 - Verbesserter positionsdetektor und verfahren zur positionsmessung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Positionsdetektoren, die zur Erfassung einer Verschiebung ein Beugungsgitter verwenden, und insbesondere auf ein Verfahren sowie auf ein System zur Steigerung der Präzision und der Auflösung bei einem Positionsdetektor.

Ein bekanntes System zur Erfassung der Position eines Gegenstandes bis zu einer Genauigkeit unterhalb des Mikrometerbereichs verwendet Laserdiodenlicht, das von einem reflektierenden Beugungsgitter gebeugt wird. Licht, das auf das Gitter auftrifft, wird gebeugt und in zwei Beugungsstrahlen reflektiert. Jeder gebeugte Strahl wird auf das Gitter zurückgeworfen, ein zweites Mal gebeugt, und dann werden die betreffenden Strahlen zu einem einzigen Strahl vereinigt. Vor der zweiten Beugung werden die Strahlen rechtwinkelig zueinander polarisiert, um sie im vereinigten Strahl am Interferieren zu hindern. Die Durchschnittsintensität des Kombinationssignals wird von einem Photodetektor erfaßt, der eine Gleichstrompegelkomponente liefert. Der Kombinationsstrahl durchläuft dann einen Polarisator, der aus jedem Strahl Komponenten für die gegenseitige Interferenz selektiert.

Der Phasenunterschied zwischen den beiden Strahlen basiert auf der Position des Beugungsgitters, so daß sich bei der Bewegung des Beugungsgitters die Phasenbeziehung zwischen den beiden Strahlen verändert, wodurch sie konstruktiv bzw. positiv oder destruktiv bzw. negativ miteinander interferieren. Für Beugungen ersten Grades beträgt die Spitze/Spitze-Periode der interferierenden Strahlen p/4, wobei p der Teilungsabstand des Beugungsgitters ist. Bei Beugungsgittern mit einem Teilungsabstand von 1 Mikron tritt also bei den interferierenden Strahlen eine Spitze jedesmal dann auf, wenn sich die Skala bzw. das Gitter um 1/4 eines Mikrons bzw. um 250 nm weiterbewegt.

Eine Skalenposition innerhalb von 250 nm kann mit einiger Präzision im Zuge der seitlichen Verschiebung der Skala durch Erfassen der Spitzen des Ausgangssignals erfaßt werden. Um eine Skalenposition genauer als mit 250 nm zu messen, muß die Skalenversetzung zwischen zwei Spitzen durch Interpolieren geschätzt werden. Gegenwärtig versucht der Stand der Technik eine Position bis in den Bereich von 10 nm festzustellen, ist aber nicht in der Lage, irgendeine Position mit höherer Genaugikeit als der genannten zu messen. Weiter dürfte wegen der zahlreichen möglichen Probleme bei den bekannten Geräten die wirkliche Genauigkeit nicht innerhalb von 10 nm liegen, wie später erläutert wird, wobei jedoch der Benutzer von der ungenauen Position nichts merkt. Falls der Benutzer wünscht, daß präzise Messungen innerhalb von 10 nm gewährleistet sind, wird ein Laserinterferometer benötigt. Laserinterferometer sind aber wesentlich teurer, komplexer und empfindlicher als ein mit einer Diodenlichtquelle betriebenes Beugungsgitter. Ein auf einer Diode basierender Positionsdetektor, der eine Position innerhalb von 10 nm präzise mißt, wäre also geeignet, die derzeitigen teuren Systeme zu ersetzen, welche die Verwendung eines Laserinterferometers bedingen.

Basierend auf den Grundlagen der Erfindung werden ein verbessertes System sowie ein Verfahren zur präzisen Messung der Position eines Objektes mit hoher Auflösung geschaffen. Ein Lesekopf wird neben einem Gitter in Stellung gebracht. Der Lesekopf emittiert Licht auf das Gitter. Das Licht wird durch das Gitter in zwei Lichtstrahlen gebeugt. Die Lichtstrahlen werden zum Gitter zurückgeworfen, um ein zweites Mal gebeugt und dann zu einem einzigen Strahl vereinigt zu werden. Die Polarisation der jeweiligen Lichtstrahlen wird vor der zweiten Beugung verändert. Die parallel zu den Beugungsgitterrillen verlaufende Polarisatonskomponente des Strahles wird in die Senkrechte zu den Beugungsgitterrillen gedreht, während senkrecht zu den Beugungsgitterrillen verlaufenden Komponente des Strahls in die Parallele zu den Beugungsgitterrillen gedreht wird. Die jeweiligen Effekte der verschiedenen Beugungswirkungsgrade des senkrecht und parallel polarisierten Lichtes heben sich auf, weil das gleiche Licht vor der Vereinigung in einem einzigen Strahl mit zwei unterschiedlichen Polarisationen auftrifft, von denen jede das Gegenteil der anderen ist.

Bei einer anderen Ausführungsform sieben die Polarisatoren Licht mit einem gewählten Polarisationswinkel aus, so daß der Strahl entweder senkrecht, oder parallel zu den Gitterrillen polarisiert wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Polarisation der die Polarisatoren anregenden Strahlen um 90° gedreht, um die Polarisationsrichtung umzukehren, wodurch der parallel polarisierte Strahl senkrecht und der senkrecht polarisierte Strahl parallel zu den Gitterrillen ausgerichtet wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform durchläuft das reflektierte Licht keine Polarisatoren, und die Strahlen passieren polarisationsspiegelnde Stufen, um die Polarisation der Strahlen um eine gewählte Achse zu spiegeln. Bei dieser Ausführungsform wird einer der Strahlen um die senkrechte Komponente gespiegelt, um die Richtung der parallelen Komponente umzukehren, und anschließend wird sie um 45° gegen die senkrechte Komponente gespiegelt, um eine Welle zu liefern, bei der die parallele und die senkrechte Komponente umgetauscht sind. Der andere Strahl wird gegen die parallele Komponente um 45° gespiegelt, um den polarisierten, gedrehten Lichtstrahl zu liefern.

Die Stelle, an der die reflektierten Lichtstrahlen die Beugungsplatte relativ zum ersten Lichtstrahl treffen, ist so gewählt, daß bei einer der Ausführungsformen ein längerer Skalenlauf erhalten wird. Beispielsweise werden die beiden Stellen des auf das Beugungsgitter auftreffenden Lichtes senkrecht zur Bewegungsrichtung des Gitters ausgefluchtet, so daß das Erfassungsmuster weniger Fläche verbraucht und die gleiche Länge der Skale zur Messung größerer Verschiebungen genutzt werden kann.

Bei einer anderen, alternativen Ausführungsform fällt das Licht auf das Beugungsgitter unter einem spitzen Winkel zur Oberfläche auf, damit Skalen mit einer kleineren Gitterteilung als beim Stande der Technik abgelesen werden können. Der Winkel entspricht vorzugsweise dem positiven Beugungswinkel.

Das Beugungsgitter kann ein einfaches Gitter sein, bei dem alle Gitterrillen parallel zueinander und senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen, um eine Positionserfassung entlang einer einzigen Achse zu ermöglichen. Alternativ kann das Gitter die Form eines X-Y-Rasters besitzen, das die Positionserfassung in Richtung der X- und der Y- Richtung Achse ermöglicht. Das Gitter kann entweder ein übertragendes Gitter oder ein reflektierendes Gitter sein.

Die vorliegende Erfindung bietet also den Vorteil, daß lineare Verschiebungen und präzise Positionen durch Verwendung einer relativ preiswerten Lichtquelle und eines preiswerten Gitters mit einer größeren Genauigkeit als 10 nm gemessen werden können, weil gemäß der Erfindung die Polarisierungseffekte des Skalengitters neutralisiert werden. Ein zweiter Vorteil gegenüber dem Stande der Technik besteht darin, daß die Intensität des Lichtes bei einer zweiten Reflexion an einem Beugungsgitter erheblich größer ist als eine Reflexion in einem System des Standes der Technik, so daß ein Gerät geschaffen wird, das auch gegen den Einfluß von Störgrößen weniger empfindlich ist. Das Einfallen des von der Lichtquelle ausgesandten Strahls unter einem Winkel zum Beugungsgitter ermöglicht die Verwendung eines Beugungsgitters mit einer Teilung, die kleiner als die Wellenlänge des Lichtes ist. Dieser Vorteil ist bei den bekannten Systemen nicht möglich. Weitere Vorteile, die mit dem unter einem Winkel zum Beugungsgitter einfallenden Strahl der Lichtquelle verbunden sind, bestehen darin, daß in den Eingangsstrahl zurückreflektiertes Licht vermieden wird und schädliche Wirkungen von Mehrfachreflexionen im Lesekopf ausgeschaltet werden.

Nachfolgend wird der wesentliche Gegenstand der beigefügten Zeichnungen kurz beschrieben.

Fig. 1 stellt eine Seitenansicht einer Positionserfassungsanordnung des Standes der Technik dar;

Fig. 2a stellt eine vergrößerte Seitenansicht des Beugungsgitters dar, wobei Licht vom Gitter gebeugt wird;

Fig. 2b stellt eine Draufsicht auf Fig. 2a dar;

Fig. 2c stellt eine Seitenansicht des Erfassungssystems des Standes der Technik für den Lesekopf (11) gemäß Fig. 1 dar;

Fig. 3a stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Lichtstärke von zwei Lichtsignalen und der Gitterposition gemäß dem Stande der Technik dar;

Fig. 3b stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Lichtstärke von zwei Lichtsignalen und der Gitterposition gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 4a stellt eine Seitenansicht eines Positionserfassungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 4b-4d stellen Seitenansichten alternativer Positionen für den Polarisator und eine Halbwellen-Verzögerungsplatte dar;

Fig. 5 stellt eine Seitenansicht eines Positionserfassungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 6a-6e zeigen graphische Darstellungen der Polarisationskomponenten und Vektoren der in verschiedenen Positionen gebeugten Strahlen für die Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 5;

Fig. 7a stellt eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 7b stellt eine Seitenansicht zu Fig. 7a dar;

Fig. 7c stellt eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 8a stellt eine Draufsicht auf einen X-Y- Positionsdetektor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 8b stellt eine Draufsicht auf einen X-Y- Positionsdetektor gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 9 stellt eine Draufsicht auf einen X-Y- Positionsdetektor gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 10 stellt eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung dar, bei der das Beugungselement 16 ein Transmissionsgitter ist; und

Fig. 11 stellt eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform dar, bei der das Beugungselement 16 eine Transmissionsplatte mit darauf angebrachtem Skalenmuster ist.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 veranschaulicht einen Positionsdetektor gemäß dem Stande der Technik, wie er in der offengelegten japanischen Patentpublikation No. 1-26 005 dargestellt ist. Bei dem dargestellten bekannten Positionsdetektor projiziert eine monochromatische Lichtquelle 10, wie etwa eine Laserdiode, zusammen mit einem Kollimator 12 einen parallelgerichten Strahl auf einen Spiegel 14 sowie senkrecht auf eine Beugungsgitterskala 16. Das Licht wird durch das Beugungsgitter 16 in eine positive und eine negative Komponente 17 und 18 gebeugt. Die Strahlen werden jeweils unter einem Winkel von R und -R relativ zur Normalen der Oberfläche gebeugt.

Fig. 2a stellt eine vergrößerte Seitenansicht der Beugungsgitterskala 16 der Fig. 11 dar, wobei die Beugung der Lichtstrahlen erster Ordnung veranschaulicht ist. Das Beugungselement 16 ist mit einem Objekt 23 verbunden, das entlang der durch den Pfeil 22 angezeigten Richtung seitlich verschoben wird, wobei die Bewegung senkrecht zu den einzelnen Gitterrillen 20 erfolgt. Der Lichtstrahl 15 trifft senkrecht zur Oberfläche auf das Beugungsgitter 16 auf. Der unter positivem Winkel einfallende Beugungsstrahl 17 wird vom Gitter unter einem Winkel R relativ zur Oberflächennormalen des Beugungsgitters 16 gebeugt. Der unter dem negativen Winkel einfallende Beugungsstrahl 18 wird vom Gitter 16 unter dem Winkel -R, der dem Winkel gleicht, gebeugt, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.

Wie Fig. 2b zeigt, verlaufen die Beugungsgitterrillen 20 parallel zueinander. Die Teilung p einer Beugungsgitterrille 20 reicht von einem Punkt auf einer Gitterrille 20 zum entsprechenden Punkt auf der benachbarten Gitterrille 20. Bei einem Beugungsgitter gemäß dem Stande der Technik kann die Teilung p im Bereich von 1,6 bis 1,0 Mikron liegen, wobei ein Mikron 10^-6 m beträgt. Die Breite der Strahlen 15, 17 und 18 liegt allgemein im Bereich von einigen Millimetern, so daß die Strahlen im allgemeinen mehrere Tausend einzelner Gitterrillen 20 bedecken.

Die Position der Beugungsgitterskala 16 und somit eines mit der Skala 16 verbundenen Objektes 23 wird bei dem bekannten System der Fig. 1 wie nachfolgend beschrieben bestimmt. Der Lichtstrahl 15 trifft zunächst im Punke 13 auf die Oberfläche auf und wird in zwei Strahlen gebeugt, wie soeben erläutert wurde. Der unter positivem Winkel einfallende Beugungsstrahl 17 wird durch den Retroreflektor 25 auf einen gewählten Punkt 24 zurückgeworfen, um erneut auf die Beugungsgitterskala 16 aufzutreffen. In gleicher Weise wird der unter negativem Winkel einfallende Strahl 18 durch den Retroreflektor 27 zurückgeworfen, um auf den gleichen Punkt 24 der Beugungsgitterskala 16 aufzutreffen. Bevor die Beugungsstrahlen 17 und 18 ein zweites Mal auf die Beugungsgitterskala 16 auftreffen, durchlaufen die Strahlen jeweils lineare Polarisatoren 26 und 28, welche das Licht so sieben, daß es in einer gewählten Ebene polarisiert wird. Die Polarisatoren 26 und 28 sind mit ihren Polarisationsachsen senkrecht zueinander ausgerichtet, so daß die jeweils resultierenden Strahlen 30 und 32 unter einem rechten Winkel zueinander polarisiert sind. Die Strahlen treffen im selben Punkte 24 auf der Skale auf und bilden nach der zweiten Beugung einen parallel gerichteten Strahl 34.

Es ist bekannt, daß zwei unter einem rechten Winkel zueinander polarisierte Strahlen nicht miteinander interferieren, wenn sie zu einem einzigen Strahl vereinigt werden. Selbst wenn der vereinigte Strahl eine Kombination aus zwei Strahlen gleicher Wellenlänge ist, interferieren die Strahlen nicht miteinander, weil ihre Polarisationen zueinander einen rechten Winkel bilden. Der Strahl 34 wird vom Photodetektorsystem 11 in der nachfolgend beschriebenen Weise erfaßt.

Gemäß Fig. 2c tritt der Strahl 34 in ein Photodetektorsystem 11 ein, das verschiedene Strahlspalter und Photodetektoren aufweist. Ein Strahlspalter 26 lenkt einen Teil des Austrittsstrahls 34 zum Photodetektor 38 ab, der die Durchschnittsstärke des vereinigten Ausgangsstrahls 34 erfaßt. Der Strahlspalter 40 zerteilt den Strahl 34 in zwei Komponenten 42 und 44. Eine der Komponenten, 44, läuft durch eine Lambda/4-Verzögerungsplatte 46 und passiert dann einen Polarisator 48, wonach die Strahlstärke durch den Photodetektor 50 erfaßt wird. Der andere Teil des Strahls 42 passiert den Polarisator 52, und seine Stärke wird durch den Photodetektor 54 erfaßt. Die jeweiligen Polarisatoren 48 und 52 nehmen gegen den Polarisationswinkel jeder der beiden Teile des vereinigten Strahls 34 die gleiche Winkellage ein, im allgemeinen 45°. Die Ausgangsstrahlen der Polarisatoren 48 und 52 werden zu einem einzigen Strahl kombiniert, wobei die beiden Komponenten der gebeugten Strahlen in der gleichen Ebene polarisiert sind.

Die beiden Strahlen 30 und 32 interferieren solange nicht miteinander, wie sie einen rechten Winkel zueinander einnehmen. Wenn sie aber in die gleiche Polarisationsebene gebracht werden, interferieren sie miteinander. Die jeweiligen Polarisatoren 48 und 52 veranlassen also die Komponenten des Strahls 34, miteinander zu interferieren. Die interferierenden Strahlen können positiv oder negativ miteinander interferieren, je nach der relativen Phase der Strahlen. Wie bekannt, ändert sich mit der Position des Beugungsgitters 16 der relative Phasenunterschied zwischen dem unter positivem Winkel einfallenden Beugungsstrahl 17 und dem unter negativem Winkel einfallenden Beugungsstrahl 18. Der Phasenunterschied P steht mit dem Betrag der Skalenverschiebung x in der durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückten Beziehung:

P=4_*n (x/p)_*(2_*π) (1)

wobei n den Ordnungsrang der Beugung, p die Skalenteilung, P die relative Phasendifferenz der beiden Strahlen, und x die Verschiebung der Skala darstellt.

Wie Fig. 3a zeigt, verändert sich die Stärke des Lichtstrahls 53 mit der Verschiebung der Beugungsskala 16 entlang der X-Achse entsprechend einem Sinuswellenmuster, je nachdem, ob die relative Phasenlage der beiden Strahlen eine abschwächende oder eine verstärkende Interferenz hervorruft. Was die positive Interferenz anbetrifft, besitzt die Stärke des Lichtstrahls ein Maximum bei 51, während die negative Interferenz ein Minimum bei 55 besitzt. In gleicher Weise verändert sich mit der Verschiebung der Beugungsgitterskala 16 das Signal 49. Die Lichtstärken der Wellen 49 und 53 sind gegeneinander um 90° verschoben, weil die Lambda/4-Verzögerungsplatte 46 den Lichtstrahl 49 verzögert und um 90° hinter der Welle 53 plaziert, was zwei Quadratursignale, das heißt in der Phase um 90° gegeneinander verschobene Signale, zur Schaffung einer Anzeige der Bewegungsrichtung des Beugungselementes 16 erzeugt. Die Stärke der Quadratursignale 53 (I₁) und 49 (I₂) ergibt sich aus folgenden Gleichungen:

I₁=DC+A_*cos (P) (2)

und

I₂=DC+A_*sin (P) (3)

wobei I₁ und I₂ die jeweilige Stärke der Signale 53 und 49, DC der Durchschnittsstärkepegel, A die Amplitude der sinusförmigen Wechselstromkomponente, und P der Phasenunterschied zwischen den beiden Komponentenstrahlen ist. Ein drittes Signal I3 wird ebenfalls vom Detektor 38 geliefert, wobei das Signal proportional zum Durchschnittsstärkepegel gemäß folgender Gleichung verläuft:

I₃=K_*DC (4)

wobei DC der Durchschnittsstärkepegel und K eine Konstante ist. Der Photodetektor 38 erfaßt die Durchschnittsstärke vor der Polarisierung der durch die Polarisatoren 48 und 52 in die gleiche Richtung gedrehten beiden Wellen, und diese Stärke ist (im Idealfall) die Durchschnittsstärke der beiden Komponentenstrahlen, wenn sie nicht miteinander interferieren.

Die Lichtstrahlen 49, 53 und 34 werden, wie beschrieben, durch entsprechende Photodetektoren 50, 54 und 38 in elektrische Signale umgewandelt, verstärkt und an einen Zähler geliefert, der die Skalenverschiebung X in bekannter Weise berechnet und anzeigt. Das soeben beschriebene System der Fig. 1 bis 3a basiert auf bekannten Systemen des Standes der Technik. Die Systeme weisen jedoch in Bezug auf die Durchführung exakter Messungen von Verschiebungen unter 0,25 Mikron erhebliche Probleme auf, deren Gründe nunmehr beschrieben werden.

Um eine höhere Präzision als die Periode der Ausgangssignale I₁ und I₂ zu erhalten, muß die Phase P innerhalb der Periode durch Interpolation geschätzt werden.

Zur Erzielung einer besseren Interpolationsgenauigkeit muß die Amplitude A der Quadratursignale konstant gehalten werden. Dies kann durch die Forderung geschehen, daß die Skala über die gesamte Skalenfläche die gleiche Beugungswirkung besitzt. Dies ist jedoch schwer zu erreichen.

Ein gangbarerer Weg zur Behandlung dieses Problems besteht in der Anwendung einer automatischen Verstärkungsregelung auf die Quadratursignale und zwar durch Erfassen der Amplitude A und Anpassen entweder der Quellenausgangsleistung oder der Signalamplitude der Ausgangsverstärker, so daß A konstant gehalten wird. Das Problem besteht dann allerdings in der Erfassung der Amplitude A.

Dem Stande der Technik gemäß (beispielsweise US-Patent No. 46 29 886) wird die Methode der Quadrierung der Signale I₁ und I₂ angewandt (nach Subtrahieren des Durchschnittssignalpegels DC, verfügbar aus dem Signal I₃), Addieren der quadrierten Signale, und Ziehen der Quadratwurzel aus der betreffenden Summe, wodurch die Amplitude A erhalten wird. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine komplexe und teure Analogbeschaltung.

Gemäß dem Stande der Technik (beispielsweise US-Patent No. 46 29 886) wird auch das dem Durchschnittssignalpegel DC proportionale Signal I₃ als Maß für die Amplitude A benutzt. Wegen der Polarisationswirkung der Skala liefert diese Technik jedoch keine exakte Messung.

Der Stand der Technik offenbart auch eine Einrichtung, die zwei getrennte, auf die Skala auftreffende Strahlen benutzt (zum Beispiel das US-Patent No. 46 76 645 und die offengelegte japanische Anmeldung No. 62-2 00 219). Ein Nachteil des Zweistrahlensystems besteht darin, daß die beiden Strahlen an verschiedenen Punkten auf die Skalierung auftreffen und dann zu einem einzigen Strahl vereinigt werden. Wenn jedoch die Skala nur an einem Punkt und nicht am anderen Punkt irgendwelche Fehler oder Abweichungen aufweist, wird das Ergebnis dieser Unterschiede eher verstärkt als eliminiert, was bei der Messung einen Fehler verursacht. Ein weiterer Nachteil ist der, daß wegen des Vorhandenseins zweier auf die Skala auftreffender Eingangsstrahlen eine Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß ihre Weglängen vor und nach dem Auftreffen auf die Skala nicht gleich sind. Das System ist weiter entweder gegen Gier-, oder Kippbewegungen der Skalenlage empfindlich, weil ein Strahlspalter zur Erzeugung zweier Eingangsstrahlen und zum Vereinigen zweier Strahlen verwendet wird. Aufgrund leichter Veränderungen beim Gieren oder Kippen der Skala werden also Fehler hervorgerufen. Die fraglichen Geräte neigen auch zu Unterschieden in Bezug auf die Skalierung in Längsrichtung, den Gitterrillenabstand, und den Dimensionen an unterschiedlichen Punkten entlang der Gesamtlänge der Skala, wobei es sich um ein Problem handelt, das speziell durch das System der vorliegenden Erfindung gelöst wird, wie hier beschrieben wird. Die Verwendung eines Strahlspalters zum Erzeugen und Wiedervereinigen der beiden Strahlen bildet auch das Potential für weitere Fehler. Die Ausführungsform der Fig. 8 des US-Patents No. 46 76 645 weist das Problem zweier getrennter Winkel auf und ist somit für beliebige Veränderungen durch Gieren oder Kippen der Skala, Unterschiede beim Einfallswinkel, oder unterschiedliche Ganglängen anfällig. Die auf den beiden, zum Stande der Technik, gehörenden Patenten beruhenden Geräte bringen also Fehler ins Spiel, welche die Verwendung der Geräte als Präzisionsmeßeinrichtungen verbieten.

Einer der Nachteile im Rahmen des Standes der Technik besteht in der Annahme, daß die Beugungswirkung eines parallel zu den einzelnen Gitterrillen 20 polarisierten Strahls gemäß Fig. 2b der Beugungswirkung eines senkrecht zu den Beugungsgitterrillen 20 polarisierten Lichtstrahles gleicht. Leider schwankt das Verhältnis zwischen den Beugungswirkungsgraden eines parallel polarisierten Strahles (p-polarisiert) und eines senkrecht polarisierten Strahles (s-polarisiert) gewöhnlich über den Oberflächenbereich der Beugungsgitterskala 16, und zwar aufgrund von Unvollkommenheiten bei der Herstellung der Gitterskalierung 16. Infolgedessen verursachen jene Verfahren des Standes der Technik, die den Unterschieden der Beugungswirkungsgrade bei p-polarisierten Strahlen und s-polarisierten Strahlen keine Rechnung tragen, Fehler bei der Ermittlung der exakten Position und beim genauen Messen der Verschiebung des bewegten Objektes. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung des Standes der Technik kann daher nur im Bereich von 10 nm als genau betrachtet werden. Wenn das Verhältnis zwischen den Beugungswirkungsgraden bei p- polarisierten und s-polarisierten Strahlen aufgrund einer Unvollkommenheit der Skalierung über einen erwarteten Wert hinaus schwankt, kann der Fehler größer als 10 nm sein.

Es sei angenommen, daß bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung des Standes der Technik die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Eingangsstrahls 15 eine Orientierung von 45° zu den Gitterrillen 20 der Beugungsgitterskala 16 aufweist. Der Beugungswirkungsgrad für die p-Polarisation sei kp, während der Beugungswirkungsgrad für die s-Polarisation ks sei. Die Beugungswirkungsgrade sind für die Amplitudenwirkungsgrade des gebeugten Lichtes bei der jeweiligen Parallel- und Senkrechtpolarisation kennzeichnend. Es sei weiter angenommen, daß die Polarisatoren 26 und 28 so orientiert sind, daß der Polarisator 26 senkrecht zu den Gitterrillen und der Polarisator 28 parallel zu den Gitterrillen steht. Bei Zugrundelegung dieser Annahmen definieren die nachfolgenden Gleichungen die Amplitude der Lichtkomponenten im vereinigten Strahl 34 nach der zweiten Beugung am Gitter im Punkt 24:

E_1p = B_*kp_*kp_*cos (omega t+P/2) (5)

E_1s = 0 (6)

E_rp = 0 (7)

E_rs = B_*ks_*ks_*cos (omega t-P/2) (8)

wobei E_1p und E_1s die Vektorkomponenten des Strahls 32 nach der Beugung im Punkte 24, E_1p die parallel polarisierte Komponente und E_1s die senkrecht polarisierte Komponente darstellen. E_rp und E_rs stellen die Vektorkomponenten des Strahls 30 nach der Beugung im Punkte 24 dar, wobei E_rp die parallele Komponente und E_rs die senkrechte Komponente bedeuten. Zur terminologischen Erleichterung bezieht sich E_r in allen Figuren auf den rechten Strahl 30, wobei es sich um den unter einem positiven Winkel einfallenden Beugungsstrahl handelt, während sich E_l auf den linken Strahl 32 bezieht, der der unter einem negativen Winkel einfallende Beugungsstrahl ist. Wie oben erwähnt, filtert der Polarisator 26 das im Strahl 30 parallel zu den Gitterrillen verlaufende Licht aus, so daß E_rp = 0 ist. Der Polarisator 28 filtert das im Strahl 32 senkrecht zu den Gitterrillen verlaufende Licht aus, so daß E_ls = 0 ist. Wie aus der Gleichnung (5) hervorgeht, wird der Beugungswirktungsgrad kp mit sich selbst multipliziert, so daß seine Wirkung in diesem Teil des Ausgangsstrahls 34 quadriert wird. Entsprechend wird auch die Wirkung des Wirkungsgrades der senkrechten Polarisation quadriert.

Der Ausgangsstrahl besteht aus der Vereinigung des linken und des rechten gebeugten Strahles, deren Polarisationen senkrecht zueinander stehen (und somit nicht miteinander inteferieren), so daß die Komponenten des Ausgangsstrahls wie folgt formuliert werden können:

E_op = B_*kp²_*cos (omega t_*P/2) (9)

E_os = B_*ks²_*cos (omega t-P/2) (10)

wobei E_op und E_os die jeweiligen Vektorkomponenten des Ausgangsstrahls 34 mit p- und s-Polarisation darstellen. Der Ausgangsstrahl läuft dann durch den Polarisator 52 zur Gewinnung des ersten Ausgangssignals I₁, der eine Kombination der beiden Strahlen nachfolgender gemäß nachfolgender Vorschrift ist:

I₁ = C_*[kp⁴+ks⁴+²_*kp²_*ks²_*cos (P)] (11)

wobei C einen Proportionalitätsfaktor darstellt. Die Komponente E_op des zweiten Ausgangsstrahls 49 wird um 90° verzögert, indem sie die Lambda/4-Wellenverzögerungsplatte passiert, um das zweite Quadratursignal gemäß der nachfolgenden Vorschrift zu gewinnen:

I₁=C_*[kp⁴+ks⁴+²_*kp²_*ks²_*sin (P)] (12)

Durch Segmentieren von I₁ und I₂ in die DC und in die Amplitudenkomponente erhält man:

DC = C_*(kp⁴+ks⁴) (13)

und

A = 2_*C_*kp²_*ks² (14)

Der DC-Pegel des vom Photodetektor 38 erfaßten Ausgangsstrahls 34 ist der Summe der Quadrate von E_op und E_os entsprechend den Gleichungen (9) und (10) proportional und es folgt:

I₃ = D_*(kp⁴+ks⁴) (15)

wobei D ein Proportionalitätsfaktor ist. Das Signal I₃ ist also der Durchschnittsstärke des DC-Pegels im Photodetektor 38 proportional und kann zur Messung des Gleichanteils DC verwendet werden. Das Signal I₃ ist jedoch im allgemeinen der Amplitude A der Gleichung (14) nicht proportional. Damit I₃ der Amplitude A proportional ist, muß das Verhältnis zwischen den Beugungswirkungsgrade für p- polarisiertes und s-polarisiertes Licht über die gesamte Beugungsgitterskala 16 konstant sein. Dies ist natürlich im allgemeinen nicht der Fall. Die Gleichungen (1) bis (15) veranschaulichen also die bei einer bekannten Meßanordnung bestehenden Probleme.

Fig. 4a stellt ein Verschiebungserfassungssystem dar, das zwecks Überwindung der Probleme des Standes der Technik nach den Prinzipien der Erfindung arbeitet. Diesen Prinzipien zufolge ist eine Erfassungsschaltung vorgesehen, bei der dafür gesorgt ist, daß der vom Photodetektor 38 erfaßte DC-Wert der Amplitude A direkt proportional ist und somit stets zur Steuerung der Amplitude A in einem automatischen Verstärkungssteuersystem verwendet werden kann. Darüber hinaus wird die Polarisationswirkung der Skala auf die gebeugten Strahlen durch Abstimmen der beim ersten und zweiten Auftreffen der Strahlen auf das Beugungsgitter 16 entstehenden Polarisationen mit dem Ziel der Ausschaltung dieser Wirkungen korrigiert. Die Polarisation der beiden Komponenten des Ausgangsstrahls wird so gedreht, daß jeder Teil des Strahls die gleichen Beugungswirkungsgrade antrifft.

Gemäß Fig. 4a weist das System zur Kompensierung der Polarisationswirkungen Lambda/2-Verzögerungsplatten 60, 62 auf, die in dem am Punkte 13 gebeugten Lichtstrahl plaziert sind, also örtlich bevor der Strahl im Punkte 24 ein zweites Mal auf die Gitterskala 16 auftrifft. In der Figur weisen Elemente, die den bekannten Elementen der Fig. 1 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen auf. Wie bekannt, besitzt eine Lambda/2-Verzögerungsplatte die Eigenschaft, um ihre schnelle Achse ein Spiegelbild des Polarisationszustandes des zur Platte laufenden Eingangsstrahls, zu erzeugen. Lambda/2-Verzögerungsplatten als solche sowie ihre Eigenschaften sind bekannt, wobei jede bekannte Lambda/2-Verzögerungsplatte in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung anwendbar ist. Die schnelle Achse der Lambda/2-Verzögerungsplatten 60 und 62 ist unter einem Winkel von 45° gegen die Polarisationsrichtung der entsprechenden Polarisatoren 26 und 28 geneigt, um die Polarisationsrichtung der entsprechenden Ausgangsstrahlen 37 und 39 um genau 90° zu drehen. Nach dem Drehen der Polarisationsrichtung der Strahlen um 90° treffen die Strahlen im Punkte 24 auf die Gitterskala 16 auf, werden ein zweites Mal gebeugt und dann in einem einzigen Strahl 64 vereinigt.

Der aus dem Polarisator 26 austretende rechte Strahl stellt denjenigen Anteil des Strahles 17 dar, der durch die jeweils senkrechten Beugungswirkungsgrade beeinträchtigt wurde, als er im Punkte 13 zum ersten Mal auf die Gitterskala 16 auftraf. Die Polarisation dieses Strahls wird dann durch die Verzögerungsplatte 60 gedreht, so daß sie durch die jeweiligen parallelen Beugungsgrade geschwächt wird, wenn sie als Strahl 39 zum zweiten Mal auf die Gitterskala 16 auftrifft. In gleicher Weise wird der vom Polarisator 28 ausgehende linke Strahl durch den parallelen Beugungswirkungsgrad geschwächt, wenn er zum ersten Mal die Skala im Punkt 13 trifft, woraufhin er in eine Polarisationsebene senkrecht zu den Beugungsgitterrillen 20 gedreht wird, und zwar ehe er auf das Gitter 16 zum zweiten Male im Punkte 24 als Strahl 37 auftrifft. Jeder Anteil des Strahles 64 wird also einmal durch den Beugungswirkungsgrad der parallelen Polarisation sowie einmal durch den Beugungswirkungsgrad der senkrechten Polarisation geschwächt. Beide Strahlen 37 und 39 unterliegen den gleichen Beugungswirkungsgraden, wodurch die relative Änderung der auf den Unterschieden der Wirkungsgrade basierenden Lichtstärken wirksam eliminiert und dafür gesorgt wird, daß das Verhältnis zwischen den auf den Wirkungsgradunterschieden der Polarisationsbeugungen basierenden beiden Strahlen stets den Wert 1 aufweist.

Die Gleichungen, welche Komponenten des Ausgangsstrahls 64 beschreiben, lauten gemäß den Prinzipien der Erfindung wie folgt:

E_op = B_*ks_*kp_*cos (omega t+P/2) (16)

E_op = B_*kp_*ks_*cos (omega t-P/2) (17)

Wie aus den Gleichungen (16) und (17) hervorgeht, werden die Beugungswirkungsgrade ks und kp sowohl beim rechten, als auch beim linken Strahl miteinander multipliziert. Der Wert von kp _* ks entspricht dem Wert von ks _* kp. Der Unterschied gegenüber der Anordnung des Standes der Technik kann leicht durch Vergleichen der Gleichungen (16) und (9) festgestellt werden. Gemäß Gleichung (9) wird der parallele Beugungswirkungsgrad kp mit sich selbst multipliziert und bildet den Faktor kp², der einen Fehler hervorruft, falls kp=ks ist. Ähnlich enthält Gleichung (10) einen ks²-Faktor. In beiden Gleichungen (16) und (17) wird kp jedoch mit ks multipliziert, wodurch der Fehler eliminiert statt quadriert wird.

Die Quadratur-Ausgangssignale der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung errechnen sich also wie folgt:

I₁ = C_*[(kp²_*ks²)+(ks²_*kp²)+2_*kp²_*ks²_*cos (P)] (18)

und

I₂ = C_*[(ks²_*kp²)+(kp²_*ks²)+2_*ks²_*kp²_*sin (P)] (19)

Aus der Betrachtung der Gleichungen (18) und (19) geht klar hervor, daß bei der Erfindung der Amplitudenanteil A stets der mittleren Stärke des DC-Pegels proportional ist, wobei es sich um ein in den Gleichungen (2) und (3) gemäß dem Stande der Technik unterstelltes Merkmal handelt, was jedoch wegen der Unvollkommenheiten der Skalierung gewöhnlich nicht stimmt. Es gilt also:

A = DC=2_*C_*kp²+ks² (20)

und weiter gilt für das Signal I₃:

I₃ = D(kp²ks²+ks²kp²)=2_*D_*kp²_*ks² (21)

Das Signal I₃ ist also nicht nur der Durchschnittsstärke des DC-Pegels, sondern auch der Amplitude A direkt proportional, und zwar unabhängig von der Polarisationswirkung des Beugungsgitters 16. Die Amplitude muß nicht immer dem DC-Pegel entsprechen, wie im Falle der Gleichung (20); es genügt vielmehr, wenn die Amplitude dem DC-Pegel proportional ist. Wenn also einer der Polarisatoren oder eine der Halbwellenverzögerungsplatten nicht perfekt an die Übertragungsqualitäten angepaßt sind, fällt der DC-Pegel der Amplitude eher proportional als gleich aus, kann aber dennoch für die Rückkopplung verwendet werden. Der DC-Pegel kann daher zur Messung der Amplitude A in einem automatischen Verstärkungssteuersystem verwendet werden, um die Amplitude durch Anwendung einer Rückkopplungsschleife und eines Verstärkers auf konstantem Wert zu halten.

Wie in Fig. 3b dargestellt ist, entspricht die Amplitude A dem durchschnittlichen DC-Pegel, wie Gleichung (20) zeigt. Die Durchschnittsstärke, das heißt der DC-Pegel, kann jetzt zur Messung der Amplitude A in einem automatischen Verstärkungssteuersystem verwendet werden, um die Amplitude auf konstantem Wert zu halten. Eine Rückkopplungsschleife sowie ein Verstärker, die beide bekannte Schaltungselemente des Standes der Technik sind, können also dafür sorgen, daß die Amplitude A auf konstantem Wert bleibt, unabhängig von der Polarisationswirkung des Beugungsgitters.

Wie weiter oben festgestellt wurde, hatte eine solche Rückkopplung in den Systemen des Standes der Technik leider die Wirkung, den Fehler zu vermehren, da die Amplitude A dem DC-Pegel nicht direkt proportional war, falls die Beugungswirkungsgrade unterschiedlich waren.

Ein weiterer Vorteil der Rotation der Polarisationsrichtung der Strahlen zwischen den Punkten, in denen die Strahlen 12 und 18 die Gitterskala 16 treffen, wie in Fig. 4a dargestellt ist, besteht in der Eliminierung von Fehlern infolge einer Phasenverschiebung, die ein Strahl bei jeder Beugung erfährt. Bei der Beugung wird der Ausgangsstrahl relativ zum Eingangsstrahl in der Phase verzögert. Die Phasenverzögerungen fallen bei den p- und den s- polarisierten Strahlen unterschiedlich aus. Falls eine Erfassung gemäß dem Stande der Technik durchgeführt wird, addiert sich dieser Phasenunterschied Delta P zum Phasenunterschied P zwischen den Elementstrahlen, wenn das Gitter verschoben wird. Falls Delta P über die Skalenfläche schwankt, was gewöhnlich wegen der Unvollkommenheiten der Skalierung der Fall ist, tritt ein Fehler in Bezug auf die gemessene Verschiebung infolge von Phasenänderungen auf, die nicht durch die Skalenverschiebung verursacht wurden. Dadurch, daß die gebeugten Strahlen zur p-Polarisation bei der ersten Beugung und zur s-Polarisation bei der zweiten Beugung gezwungen werden, wird der Phasenunterschied Delta P gemäß der Erfindung wirksam beseitigt. Daher treten keine Skalenverschiebungsfehler auf, die von Phasenverschiebungen aufgrund der Beugungen verursacht werden, was einen zusätzlichen Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stande der Technik darstellt.

Gemäß den Prinzipien der Erfindung trifft ein einzelner Strahl an einem einzelnen Punkt auf die Skala auf. Die Skalierung selber spaltet den Strahl und kombiniert ihn nach einem zweiten Auftreffen zu einem einzigen Strahl, zwecks Erfassung. Die Verwendung eines einzelnen Strahls sowie das Auftreffen auf einen einzelnen Punkt gewährleisten gleiche Skalenbedingungen für jeden der beiden gebeugten Strahlen. Wenn die reflektierten Strahlen auf die Skala auftreffen, treffen sie beide auf den gleichen Punkt, was wiederum gleichmäßige Skalenbedingungen im kritischen Punkte sichert. Die Skala selber bildet das strahlaufspaltende und strahlkombinierende Element, indem zwei Beugungen der Skala erfaßt werden. Durch Verwenden eines einzigen Einfallstrahls sowie der Skala selber als Spalt- und Kombinationselement ergibt sich eine einfache Konstruktions, die Fehlern wesentlich geringere Chancen gibt.

Die Fig. 4b-4d veranschaulichen alternative Positionen für den Polarisator 28 und die Verzögerungsplatte 62. Wie Fig. 4a zeigt, liegt die bevorzugte Position des Polarisators 28 und der Halbwellenverzögerungsplatte 62 hinter dem Reflektor 27, um die durch den Reflektor 27 verursachte Wirkung auf den Lichtstrahl 37 zu verringern. Bei einigen Ausführungsformen kann es jedoch erwünscht sein, die Polarisation des Lichtes vor dem Auftreffen auf den Reflektor 27 zu verändern. Wie Fig. 4b zeigt, sind der Polarisator 28 und die Halbwellenverzögerungsplatte 62 im Strahl 18 angeordnet, also an einer Stelle vor dem Auftreffen auf den Reflektor 27. Die Polarisation des Lichtstrahls wird in der in Bezug auf Fig. 4a erläuterten Weise geändert. Der Lichtstrahl 37 kehrt dann gemäß den zuvor beschriebenen Prinzipien der Erfindung zum Beugungsgitter 16 zurück und wird dort ein zweites Mal gebeugt.

Fig. 4c veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Polarisator 28 vor dem Reflektor 27 und die Halbwellenverzögerungsplatte hinter dem Reflektor 27 angeordnet ist. Der Ausgangsstrahl 37 wird in der in Bezug auf Fig. 4a oben beschriebenen Weise verändert, unter der Annahme, daß der Reflektor 27 die Polarisation des Strahls nicht verändert. Fig. 4d zeigt eine Ausführungsform des Polarisators 28, die sich über beide Strahlen 18 und 37 erstreckt, und zwar sowohl vor als auch nach der Reflexion durch den Reflektor 27. Das Licht tritt dann in die Halbwellenverzögerungsplatte 62 ein, um den Ausgangsstrahl 37 zu liefern, wie zuvor beschrieben. Die alternativen Ausführungsformen der Fig. 4b-4d können unter gewissen Umständen dazu dienen, die richtige Veränderung der Polarisation des Lichtstrahls 18 vor seiner zweiten Beugung zu bewirken.

Die Reihenfolge der Polarisatoren kann auf Wunsch auch ausgetauscht werden. Beispielsweise kann die Halbwellenverzögerungsplatte 62 im Strahl vor dem Polarisator 28 angeordnet werden. Die in den Fig. 4a-4d dargestellten Varianten sind auch auf die Verzögerungsplatte 62 anwendbar. Die Verzögerungsplatte kann im Strahl vor dem Polarisator und entweder vor oder nach dem Reflektor angeordnet werden. Es kann auch eine Viertelwellenverzögerungsplatte verwendet werden, welche sich über beide Strahlen 18 und 37 vor und nach der Brechung erstreckt, ähnlich wie das für den Polarisator 28 in Fig. 4d dargestellt ist. Die Welle wird in der Tat wie bei einer Halbwellenverzögerungsplatte gedreht, weil die Welle die Viertelwellenverzögerungsplatte zweimal durchquert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind weitere Varianten möglich.

Ein Nachteil des in Bezug auf den Stand der Technik der Fig. 1 beschriebenen Systems sowie des Verfahrens gegenüber dem in Fig. 4a dargestellten System gemäß der Erfindung besteht darin, daß bei den bekannten Anordnungen eine bedeutende Lichtmenge verlorengeht, da die Polarisatoren 26 und 28 Licht aussieben, das nicht die gewünschte Polarisation besitzt.

Die Fig. 5 und 6a-6e veranschaulichen ein System sowie ein Verfahren zur Durchführung zweier Reflexionen am Gitter 16, bei dem die Polarisationswirkung der Skalierung beseitigt und die Strahlen senkrecht zueinander polarisiert sind, nachdem sie ein zweites Mal auf die Skala aufgetroffen sind, mit der Folge, daß sie im Ausgangsstrahl 68 nicht miteinander interferieren. Eine Lambda/2-Verzögerungsplatte 70 ist im Strahlengang des linken gebeugten Strahls 76 angeordnet. Die Lambda/2-Verzögerungsplatten 72 und 74 sind hintereinander im Strahlengang des rechten Strahls vor dessen zweitem Auftreffen auf dem Gitter 16 angeordnet. Die schnelle und die langsame Achse der entsprechenden Lambda/2-Verzögerungsplatten 70, 72 und 74 sind so gewählt, daß die Polarisation um eine gewählte Achse gespiegelt wird.

Die Fig. 6a-6e zeigen den Strahl in verschiedenen Stadien des Systems der Fig. 5. Die Polarisation eines Lichtstrahls wird als Vektor behandelt, so daß auf die Veränderungen der Polarisation die Vektorrechnung angewandt wird. Wie weiter oben festgestellt, besitzt eine Lambda/2-Verzögerungsplatte die Wirkung, daß sie ein Spiegelbild der Polarisation eines Strahls um ihre schnelle Achse erzeugt. Die Polarisierung des Eingangsstrahls 15 ist in Fig. 6a mit E_i bezeichnet und verläuft unter einem Winkel β = 45°.

Wie aus der Vektorrechnung bekannt ist, kann der Polarisationsvektor E_i des Eingangsstrahls 15 in zwei Komponenten zerlegt werden, nämlich in die Komponente E_ip, die parallel zu den Gitterrillen 20 verläuft, und in die Komponente E_is, die senkrecht zu den Gitterrillen 20 verläuft. Wenn der Eingangsstrahl 15 auf das Beugungsgitter 16 im Punkte 13 auftrifft, werden zwei Beugungsstrahlen erzeugt, ein linker Strahl 76 und ein rechter Strahl 78. Wie weiter oben gesagt, wird der unter dem negativen Winkel einfallende gebeugte Strahl als linker Strahl angesprochen, während der unter dem positiven Winkel einfallende gebeugte Strahl als rechter Strahl angesprochen wird, um das Verständnis und die Kennzeichnung zu vereinfachen. Der linke Strahl 76 besitzt, wie die Fig. 5 und 6b zeigen, einen Polarisationsvektor E₁ (steht für E_links), und schließt einen Winkel α relativ zur parallelen Richtung ein. Der Winkel α ist ein willkürlicher Winkel und basiert auf dem Unterschied der p- und s-Beugungswirkungsgrade. Falls die p- und s-Beugungswirkungsgrade einander gleichen, hat der Winkel α die Größe von 45°. Nun sind aber die p- und s-Beugungswirkungsgrade im allgemeinen nicht gleich, so daß der Winkel α einen unbekannten Wert besitzt und größer oder kleiner als 45° sein kann. In gleicher Weise besitzt die rechte Komponente des gebeugten Strahls 78 eine mit E_r bezeichnete Polarisationsrichtung und schließt den gleichen Winkel α ein, weil beide Strahlen an der gleichen Stelle auf das Gitter 16 aufgetroffen sind und beim Auftreffen auf dem Gitter 16 die gleiche Polarisation besitzen.

Der rechte Strahl 78 wird dann durch den Retroreflektor 25 reflektiert und auf die erste Lambda/2-Verzögerungsplatte 72 geworfen. Wie in Fig. 6c dargestellt, ist die Lambda/2- Verzögerungsplatte 72 mit ihrer schnellen Achse senkrecht zu den Beugungsgitterrillen 20 orientiert. Die Polarisation des Strahls 78 wird daher um die senkrechte Achsenkomponente gespiegelt, um die Polarisation E_r in ein Spiegelbild um die senkrechte Polarisation zu drehen. Der von der Lambda/2-Verzögerungsplatte 72 ausgehende Strahl 80 besitzt die in Fig. 6c dargestellte Polarisierung. Der Strahl 80 tritt dann in die zweite Lambda/2- Verzögerungsplatte 74 ein. Wie in Fig. 6d dargestellt, ist die schnelle Achse der Lambda/2-Verzögerungsplatte 74 um 45° gegen die Parallele zu den Gitterrillen 20 orientiert und spiegelt daher die Polarisation des Strahls 80 in die Polarisation der Ausgangswelle 82 hinein.

Das Spiegelbild der Polarisation des linken Strahls wird durch Ausrichten der schnellen Achse der Lambda/2- Verzögerungsplatte 70 in eine Winkellage von 45° gegen die Parallele zu den Gitterrillen 20 erzeugt, um ein Spiegelbild 84 des Strahls 76 zu produzieren. Wie Fig. 6d zeigt, besitzt die Ausgangswelle 84 nunmehr eine Polarisation mit dem Winkel α relativ zum senkrechten Vektor.

Die Amplituden sowohl der parallel, als auch senkrecht zu den Gitterrillen verlaufenden Polarisationskomponenten werden durch die beiden Lambda/2-Platten umgekehrt, wie der Vergleich der Fig. 6b-6d zeigt. Wenn also die Strahle 82 und 84 zum zweiten Mal auf das Beugungsgitter 16 auftreffen, wird die Wirkung des Unterschiedes der s- und p-Polarisationswirkungsgrade ausgelöscht. Die jeweiligen Strahlen 82 und 84 treffen an einer zweiten Stelle 24 auf das Beugungsgitter auf und werden in den neuen Ausgangsstrahl 68 gebeugt. Der Ausgangsstrahl 68 stellt eine Vereinigung des linken und des rechten Strahles gemäß Fig. 6e dar. Die Unterschiede in Bezug auf die jeweiligen Wirkungsgrade der s- und p-Polarisationsbeugung sind beseitigt, so daß die rechte und die linke Komponente die gleiche Größe besitzen und um 90° gegeneinander polarisiert sind. Weiter unterscheidet sich die Polarisation des linken Strahls und des rechten Strahls ebenfalls um 90°, so daß sie nicht miteinander interferieren, wenn sie zu einem einzigen Strahl vereinigt werden, was eine erwünschte Eigenschaft ist.

Alle Phasenänderungen der Ausgangssignale sind das Ergebnis einer Verschiebung des Beugungsgitters 16, wenn sich das Objekt 23 bewegt; sie stellen also keine Fehler der Skalierung dar, so daß eine exakte Messung der Verschiebung durchgeführt werden kann. Die unter Bezugnahme auf die Fig. 4a beschriebenen Gleichungen (16) bis (21) können dann dazu dienen, die tatsächliche Verschiebung zu bestimmen. Die tatsächliche Stärke der Signale dürfte jedoch bedeutend größer sein, weil keine Polarisatoren benutzt werden. Die Stärke der jeweiligen Strahlen I₁, I₂ und I₃ beträgt mehr als das Doppelte derjenigen Stärke der Strahlen, wenn Polarisatoren benutzt werden.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Systeme besteht darin, daß sie nicht bei Skalen benutzt werden können, die eine kleinere Teilung als die Wellenlänge der Lichtquelle besitzen. Derzeit werden Laserdioden mit einer Wellenlänge von ungefähr 780 nm als Lichtquelle verwendet. Die kleinste Skalenteilung, die verwendet werden kann, beträgt ungefähr 1 Mikron.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist ein Positionssensor einen Eingangsstrahl 92 unter einem Winkel Φ relativ zur Senkrechten auf, wie in den Fig. 7a und 7b dargestellt ist. Fig. 7a stellt eine Draufsicht auf die Anordnung der Fig. 7b dar und zeigt somit, daß die Lichtquelle in der Waagerechten von den entsprechenden Retroreflektoren abgesetzt ist. Eine monochromatische Lichtquelle 90 projiziert einen parallelgerichteten Strahl 92 auf das Beugungsgitter 16, unter einem Winkel Φ relativ zur Senkrechten 94 auf die Oberfläche des Gitters 16. Der Strahl wird in einen Beugungsstrahl 96 nullter Ordnung und in einen Beugungsstrahl 98 erster Ordnung gebeugt (jeweils rechte und linke Strahlen). Der Winkel R_i in Fig. 7b ist die Projektion des Eingangsstrahlwinkels Φ auf eine senkrechte Ebene, die senkrecht zu den Gitterrillen verläuft. Die Winkel R_z und R_f in Fig. 7b sind jeweils die auf die gleiche Ebene projizierten Winkel des gebeugten Strahls 96 nullter Ordnung und des Strahls 98 erster Ordnung. Der Strahl 96 nullter Ordnung und der Beugungsstrahl 98 erster Ordnung wird jeweils durch entsprechende Retroreflektoren 100 und 102 auf das Beugungsgitter 16 zurückgeworfen. Die beiden zurückgeworfenen Strahlen 108 und 106 verlaufen parallel zu den entsprechenden gebeugten Strahlen 96 und 98, so daß sie auf die Skala in einem Punkte 108 auftreffen, der gegen den Punkt 91, in welchem der Eingangsstrahl auf die Skala aufgetroffen ist, versetzt ist. Im Punkt 108 werden die gebeugten Strahlen ein zweites Mal gebeugt und zu einem einzigen Ausgangsstrahl 110 vereinigt. Der Ausgangsstrahl 110 wird durch die Photodetektorstruktur 11 analysiert, welche von der gleichen Art wie die in Fig. 2c gezeigte Struktur ist. Die Polarisatoren 114 und 116 sowie die Lambda/2-Verzögerungsplatten 118 und 120 besitzen die gleiche Funktion wie weiter oben in Bezug auf Fig. 4a beschrieben wurde. Es kann auch eine Anordnung verwendet werden, bei der nur Lambda/2-Platten vorgesehen sind, wie in Bezug auf Fig. 5 gesagt wurde.

Die Abstandsbeziehung zwischen dem Auftreffpunkte 91 des Eingangsstrahls und dem Auftreffpunkte 108 des reflektierten Strahls kann so gewählt werden, daß sie gewünschte Merkmale beim Lesen der Skala liefert. Wie in Fig. 7a dargestellt, weisen der Eingangspunkt 91 und der Ausgangspunkt 108 senkrecht zur Richtung der Skalengitterrillen 20 einen bestimmten Abstand auf. Die Skalengitterrillen 20 wurden übrigens aus Darstellungsgründen erheblich vergrößert, um ein klares Bild ihrer Richtung zu liefern. Bei einem tatsächlichen Gerät beträgt die Teilung der Rillen ungefähr 1 Mikron, während der Durchmesser der Auftreffpunkte 91 und 108 so groß ist, daß Tausende von Gitterrillen 20 bedeckt werden. Die Auftreffpunkte 91 und 108 müssen einen Abstand voneinander aufweisen um sicherzustellen, daß sie nicht einander überlappen. Die durch die Strahlen bedeckte Fläche kann einen bedeutenden Skalenbereich belegen. Fig. 7c veranschaulicht den gleichen Lesekopf wie Fig. 7a, jedoch sind die Reflektoren 102 und 100 so ausgerichtet, daß die Auftreffpunkte 91 und 108 seitlich zueinander und parallel zu den Gitterrillen 20 angeordnet sind und nicht entlang der Bewegung der Skalenrichtung. Die Konfiguration der Fig. 7c ermöglicht einen etwas längeren Meßbereich, bei fixierter Skalenlänge, und zwar aufgrund der schmaleren Bodenberührungsfläche des Strahls in Richtung der Skalenbewegung; sie erfordert aber eine breitere Skala.

Die Vorteile, die der unter einem spitzen Winkel auftreffende Einfallsstrahl 92 mit sich bringt, können am besten durch Prüfen der physikalischen Prinzipien in Bezug auf das auf ein Beugungsgitter auftreffende Licht verstanden werden. Der Winkel, unter dem das Licht vom Gitter gebeugt wird, ist durch folgende Gleichung bestimmt:

sin R_i+sin R₀=n_*lambda/p (22)

dabei ist: R_i der Winkel des einfallenden Strahls relativ zu einer Ebene, die auf dem Gitter 16 senkrecht steht und parallel zu den Gitterrillen 20 verläuft; R₀ der Winkel des Beugungsstrahls relativ zur genannten Ebene; n die Ordnungszahl der Beugung; Lambda die Wellenlänge des Lichtes, und p die Gitterteilung. Bei einem Strahl, dessen Einfallsrichtung normal zur Oberfläche verläuft, gilt sin R_i = R. Die Gleichung (22) für einen normal zur Oberfläche einfallenden Strahl ändert sich im Falle der Beugung ersten Grades in: sin R₀ = lambda/p. Bei einer Lichtwellenlänge von 0,78 Mikron und einem Teilungsabstand von 1 Mikron ergibt sich ein Winkel von R₀ = 51,26°. Bei einer Teilung von 1,5 Mikron beträgt R₀ = 31°, während bei einer Teilung von 0,8 Mikron der Winkel R₀ = 77° ist und bei einer Teilung von 0,78 Mikron die Größe R₀ = 90° hat, was eine schwierige Position bei der Plazierung der Reflektoren und Sensoren bedeutet. Falls die Teilung kleiner als 0,78 Mikron ist, muß sin R₀ größer als Eins werden, was natürlich unmöglich ist, wobei die Beugung erster Ordnung im wesentlichen verschwindet. Aus diesem Grunde muß die Gitterteilung etwas größer als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes bleiben, um einen angemessenen Beugungswinkel zu gewährleisten, falls der einfallende Strahl normal zur Oberfläche verläuft.

Ein Vorteil bei der Verwendung einer kleinen Teilung besteht darin, daß die Skalenlinearität erheblich verbessert wird. Wenn eine Skala hergestellt wird, ist man oft weniger um die Gesamtskalengenauigkeit besorgt als um die Linearität des Skalenmusters. Der Grund für das Interesse an der um die Skalenmusterlinearität ist der, daß ein fehlerhafter Skalenfaktor recht leicht elektronisch durch Multiplikation der Ablesungen mit einem einzelnen Kalibrierfaktor korrigiert werden kann. Ein Linearitätsfehler erfordert jedoch einen individuellen Kalibrierwert für jeden Skalenpunkt, wobei der Kalibrierfaktor für jede Skalenpunkt schwierig zu bestimmen ist. Die holographische Methode zur Herstellung von Skalen bringt Skalen mit einem hohen Grad an Linearität zustande. Die Linearität hängt hauptsächlich von der Oberflächenqualität der Spiegel ab. Unvollkommenheiten bei den Spiegeloberflächen verzerren die Wellenfronten so, daß sie nicht vollkommen flach sind. Eine Abweichung d der Wellenfront hat einen Fehler e gemäß folgender Formel zur Folge:

e=(d/lambda g)_*p

Dabei stellt lambda g die Wellenlänge der zur Erzeugung der Skala benutzten Lichtquelle und p die Skalenteilung dar. Aus der Gleichung geht hervor, daß der Linearitätsfehler direkt proportional zur Skalenteilung ist. Je kleiner die Skalenteilung, um so kleiner ist bei holographisch hergestellten Skalen der Linearitätsfehler.

Der Vorteil des Lesekopfes der Fig. 7a bis 7c kann wiederum durch Prüfen der Basisbeugungsgleichungen erkannt werden:

sin R_i+sin R₀=n_*lambda/p

wobei n der Ordnungsrang der Beugung des gebeugten Strahles, R_i der Winkel des einfallenden Lichtes und R₀ der Winkel des gebeugten Lichtes ist. Wird R_i dem Winkel R₀ gleichgesetzt (statt Gleichsetzung mit Null), ändert sich die Gleichung in

sin R₀+sin R₀=n_*lambda/p

oder

2 sin R₀=n_*lambda/p;

mit dem Ergebnis:

2 sin R₀=n_*lambda/2p.

Die Teilung kann daher doppelt so klein wie beim Stand der Technik gemacht werden und dennoch den gleichen Beugungswinkel R₀ für eine gegebene Lichtwellenlänge liefern. Durch Gleichsetzen des Winkels R_i des Ausgangsstrahls 93 mit dem Winkel R₀ des gebeugten Strahles 98 erster Ordnung wird weiter erreicht, daß bei der gemessenen Skalenverschiebung kein Fehler durch Skalenunebeheit in Richtung senkrecht zur Skalenoberfläche 16 auftritt.

Ein weiterer Vorteil des Lesekopfes der Fig. 7a-7c besteht darin, daß der einfallende Strahl nicht normal zur Oberfläche verläuft, wodurch das Problem vermieden wird, daß Licht in die Lichtquelle 10 der Fig. 1 des Standes der Technik zurückgeworfen wird. Zurückgeworfenes Licht erzeugt Störungen im Laserdiodenstrahl und dementsprechend im Skalenausgangsstrahl. Ein anderer Vorteil besteht in der Eliminierung der Wirkung schädlicher Mehrfachreflexionen im Lesekopf, die an sich ein Problem bei einer perfekt symmetrischen Konfiguration wie im Falle des Lesekopfes der Fig. 1 gemäß dem Stande der Technik darstellen. Selbst wenn die Polarisatoren bei den Retroreflektoren die von der zweiten Beugung ausgehenden Strahlen nullter Ordnung blockieren, das heißt, wenn die von den Retroreflektoren kommenden Strahlen erneut auf die Skala auftreffen, werden die an diesem Punkte erzeugten gebeugten Strahlen zweiter Ordnung die jeweiligen Strahlenpfade in die Laserdiodenlichtquelle zurückverlegen, wodurch diese gestört wird. Bei einer im Winkel angeordneten Lichtquelle 10 werden diese Probleme vermieden.

Bei schräg einfallendem Strahl besitzt die Auflösung des vom Detektor gelieferten Ausgangssignals den Wert p/2, wobei p die Skalenteilung ist. Bei einer Skala mit der Teilung 0,5 Mikron würde die ausgangsseitige Auflösung 0,35 Mikron je Ausgangssignalperiode betragen, das heißt, sie besäße die gleiche Größe wie eine Skala mit einer Teilung von 1 Mikron und einem in der Normalen einfallenden Eingangsstrahl. Der Vorteil der kleineren Skalenteilung besteht darin, daß eine bessere Skalenlinearität erzielt wird. Gewünschtenfalls kann der Strahl 98 als Beugungsstrahl zweiter Ordnung anstelle eines Beugungsstrahls erster Ordnung gewählt werden. Bei einer gegebenen Skalenteilung kann wiederum eine Auflösung von p/4 je Ausgangssignalperiode erzielt werden, das heißt, die gleiche Auflösung wie beim Lesen der Skala mit einem Strahl in Normaleinfallsrichtung.

Das in Bezug auf die Fig. 4a-7c beschriebene Lesekopfprinzip eignet sich für einen Lesekopf, der in einer Einrichtung zur Messung der X-Y-Verschiebung verwendet wird. Die in Bezug auf die Fig. 7a-7c skizzierten Prinzipien sind bei dem in den Fig. 8a und 8b dargestellten X-Y-Kodierer veranschaulicht. Fig. 8a stellt eine Draufsicht auf einen X-Y-Dekoderlesekopf dar. Der Lesekopf besteht im Prinzip aus zwei getrennten linearen Leseköpfen, die auf senkrecht zueinander stehende Gitter projizieren, wobei jedes Gitter senkrecht zur gemessenen Bewegungsrichtung liegt. Das heißt, daß das von der Lichtquelle 121 ausgesandte Licht über den Detektor 11 Verschiebungen in x-Richtung mißt, während das von der Quelle 124 ausgesandte Licht über das Photodetektorsystem 12 Verschiebungen in y-Richtung mißt.

Auf die Ausführungsformen der Fig. 8a und 8b sind die gleichen Prinzipien anwendbar, die weiter oben in Bezug auf die Fig. 7a-7c beschrieben wurden. Von der Quelle 121 ausgesandtes Licht trifft im Punkte 128 auf das Gitter auf, wird in die entsprechenden Beugungsstrahlen gebeugt und durch die Reflektoren 117 und 119 auf den Punkt 130 zurückreflektiert. Das Licht wird dann ein zweites Mal gebeugt und durch den Detektor 11 erfaßt, in der gleichen Weise, wie weiter oben beschrieben wurde. Ebenso wird das von der Lichtquelle 124 ausgesandte Licht im Punkte 132 in Richtung auf die Retroreflektoren 136 und 138 zur weiteren Reflexion nach Punkt 140 gebeugt, in welchem der Strahl ein zweites Mal gebeugt und vom Detektor 12 erfaßt wird. Die Strahlen passieren die erforderlichen Polarisatoren und Lambda/2-Verzögerungsplatten, wie weiter oben in Bezug auf die Fig. 7a-7c beschrieben wurde, wobei gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen tragen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 8a liegen die Auftreffpunkte 128 und 130 entlang der jeweiligen Richtung der Skalenbewegung, wobei der x-Strahl zur Seite in x- Richtung hin entlang der Skala Abstand hält. Entsprechend liegen die Auftreffpunkte 132 und 140 des y-Strahls zur Seite in y-Richtung der Skala auf Abstand. Bei der Ausführungsform der Fig. 8b sind die Lichtquellen 121 und 124 und die Retroreflektoren 117, 119, 136 und 138 so ausgerichtet, daß auf der Skala die entsprechenden Auftreffpunkte senkrecht zur entsprechenden Skalenrichtung liegen, wie bei der in Bezug auf Fig. 7c beschriebenen Situation.

Fig. 9 veranschaulicht eine Struktur, bei der eine einzige Lichtquelle in einem Gerät zur Erfassung der x-y- Verschiebung verwendet wird. Die vorerwähnten beiden getrennten Lichtquellen sind in einer einzigen Lichtquelle 141 und einen Retroreflektor 142 zusammengefaßt. Die Funktion der einzigen Lichtquelle des x-y- Positionsdetektors ist die gleiche wie bei den Messungen in zwei Richtungen und ähnlich der unter Bezugnahme auf die Fig. 4a bis 8b beschriebenen. Zunächst soll das Arbeitsprinzip in Bezug auf Verschiebungen in x-Richtung beschrieben werden.

Der von der Laserdiode 141 ausgesandte monochromatische und parallelgerichtete Eingangsstrahl 146 ist linear polarisiert, wobei seine Polarisationsrichtung für die Gitter auf der Skala 16 unter einem Winkel von 45° zu den p- und s-Polarisationsrichtungen verläuft. Der Strahl liegt innerhalb einer Ebene, die senkrecht zur Skala steht und einen Winkel von 45° sowohl zur x-z-Ebene, als auch zur y- z-Ebene einnimmt. Wie im Koordinatensystem der Fig. 9 dargestellt, steht die z-Achse senkrecht zur Zeichenebene. Der Eingangsstrahl fällt dann symmetrisch zwischen die x- und y-Meßrichtungen. Der Strahl 146 wird im Punkt 148 in einen Strahl 150 nullter Ordnung und zwei Strahlen 151 und 152 erster Ordnung gebeugt. Der Strahl 150 nullter Ordnung wird vom Retroreflektor 142 auf den Punkt 154 reflektiert. In der Draufsicht der Fig. 9 scheint der Strahl 150 mit dem reflektierten Strahl 153 zusammenzufallen, doch werden sie tatsächlich in der Senkrechten vom Retroreflektor 142 gegeneinander versetzt und getrennt, wie aus einer Seitenansicht hervorgehen würde. Der reflektierende Strahl 153 passiert den Polarisierer 156 und die Lambda/2- Verzögerungsplatte 158 zur Drehung der Polarisationsrichtung um 90°. In Punkt 154 wird der Strahl ein zweites Mal gebeugt und zur Erfassung der Verschiebung in einen einzigen Strahl mit den x- und y-Beugungsstrahlen kombiniert.

Die Verschiebung in x-Richtung wird unter Verwendung eines Strahles 164 kombiniert, aus dem reflektierten Strahl 152 erster Ordnung und modifiziert in den Strahlen 155 und 153 gemessen. Der Strahl 152 wird durch den Retroreflektor 162 reflektiert und läuft durch den Polarisator 143 sowie die Lambda/2-Verzögerungsplatte 145, kehrt als Strahl 155 zurück und trifft für eine zweite Beugung auf den Punkt 154. Der gebeugte Strahl nullter Ordnung, der als Strahl 153 zurückreflektiert wird, wird mit dem reflektierten Strahl 155 erster Beugungsordnung zu einem kombinierten Ausgangsstrahl 164 kombiniert, wobei jeder der Elementstahlen eine orthogonale Polarisationsrichtung aufweist, so daß sie miteinander nicht interferieren, wie in Bezug auf Fig. 4a beschrieben wurde. Der Strahl 164 wird vom Halbspiegel 159 reflektiert und durch den x-Detektor 168 aufgefangen. Der x-Detektor 168 gleicht der in Bezug auf den Detektor 11 der Fig. 1 dargestellten und beschriebenen Konfiguration. Es werden also Linearverschiebungen in x-Richtung erfaßt.

Die Verschiebungen in y-Richtung werden in ähnlicher Weise wie die Verschiebungen in x-Richtung erfaßt. Der Eingangsstrahl 146 wird in einen entsprechenden Beugungsstrahl 150 und in den Strahl 151 erster Ordnung gespalten. Der Strahl 151 wird in einen Strahl 157 reflektiert und passiert den Polarisator 161 sowie die Halbwellenverzögerungsplatte 163. Der Strahl 157 wird ein zweites Mal gebeugt und mit dem Strahl 153 unter Bildung eines Ausgangsstrahls 170 für Erfassungszwecke durch den y- Detektor 172 kombiniert, um Verschiebungen in y-Richtung zu erfassen. Der Winkel R_i (vgl. Fig. 10) zwischen dem Eingangsstrahl und der Skala wird nach folgender Vorschrift gewählt:

cos R_i=(1//2)_*lambda/p

wobei lambda die Wellenlänge der Lichtquelle und p die Skalenteilung darstellen. Bei dieser Wahl von R_i entsprechen die Winkel zwischen den Beugungsstrahlen erster Ordnung und der Skala dem Winkel R_i. Dies hilft bei der Eliminierung von Meßfehlern, die durch eine Skalenausbiegung in Richtung senkrecht zur Skalenoberfläche verursacht werden. Die Auftreffpunkte 148 und 154 sind so gewählt, da sie in diagonaler Richtung entlang des quadratischen Gittermusters der x- und y-Beugungsgitter Abstand zwischen sich belassen. Falls keine Polarisatoren verwendet werden, wie das bei der Ausführungsform der Fig. 5 der Fall ist, entspricht die erfaßte Strahlstärke derjenigen, die bei Verwendung von zwei Lichtquellen erfaßt wird.

Fig. 10 veranschaulicht schematisch ein Gerät, bei dem die gleichen Prinzipien wie jene der Fig. 7 angewandt werden, wobei das Beugungsgitter 16 ein Transmissionsgitter anstelle eines Reflexionsgitters ist. Die Verwendung von Transmissionsgittern ist an sich Stand der Technik, so daß auf der Grundlage der hier mitgeteilten Anweisungen der Bau des Systems mit einem Transmissionsgitter anstelle eines Reflexionsgitters für das Beugungselement 16 möglich ist. Kurz gefaßt fällt der Lichtstrahl 92 unter einem Anfangswinkel R_i auf das Beugungselement 16 auf. Das Licht wird in einen Strahl 96 nullter Ordnung und in einen Strahl 98 erster Ordnung gebeugt. Die Strahlen werden dann durch die Skala 16 hindurch übertragen, statt reflektiert zu werden. Die Reflektoren, Polarisatoren und Halbwellenplatten befinden sich auf der in Bezug auf die Lichtquelle 10 entgegengesetzten Seite des Beugungsgitters 16 und arbeiten in der in Bezug auf die Fig. 4 und 7 zuvor beschriebenen Weise, wobei gleiche Bezugszeichen für entsprechende Elemente verwendet wurden. Nach der zweiten Beugung der Lichtstrahlen gelangt der kombinierte Strahl zum Detektor 11, wie früher beschrieben wurde.

Fig. 11 veranschaulicht schematisch ein Beugungselement 16, das ein Transmissionselement ist und ein auf seiner Oberfläche aufgezeichnetes oder eingeätztes Muster besitzt.

Die Funktionsweise der Struktur der Fig. 11 ist derjenigen der Fig. 4 vergleichbar, mit Ausnahme der Verwendung des Transmissionselementes 16, und liegt aufgrund der vorhergehenden Beschreibung für Durchschnittsfachleute auf der Hand.

Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden. Natürlich können die in Bezug auf Fig. 5 diskutierten besonderen Merkmale auch bei den in anderen Figuren dargestellten Ausführungsformen entsprechend den Prinzipien der Erfindung angewandt werden. Wenn auch die Erfindung in erster Linie durch die Beschreibung linearer Kodierer und der Erfassung linearer Bewegungen veranschaulicht worden ist, können auch bei rotierenden Kodierern oder bei der Erfassung rotierender Bewegungen die Prinzipien der Erfindung angewandt werden, so daß sie ebenfalls in den Schutzumfang der Ansprüche fallen. Entsprechend können auch viele andere Varianten der Struktur und des Verfahrens in den Bereich der Erfindung fallen, deren Umfang nur durch die Ansprüche und nicht durch die detaillierte Beschreibung spezieller Ausführungsformen begrenzt wird.

Claims (28)

1. Positionsdetektor, gekennzeichnet durch folgende Komponetenen:
ein Beugungselement mit einem darauf befindlichen Beugungsgitter, wobei das Beugungselement mit einem beweglichen Element verbunden ist, dessen Position gemessen wird;
eine Lichtquelle, die dem Beugungselement benachbart ist, wobei die Lichtquelle einen ersten Lichtstrahl aussendet, der auf einen ersten gewählten Bereich des Beugungsgitters auftrifft und durch das Beugungsgitter in einen ersten und zweiten gebeugten Strahl gebeugt wird;
eine erste Reflektorvorrichtung zum Empfangen des vom Beugungselement kommenden ersten gebeugten Strahls und zum Zurückreflektieren des ersten gebeugten Strahls auf das Beugungselement, wo er auf einen zweiten gewählten Bereich des Beugungselementes auftrifft, um zum zweiten Mal reflektiert und dann in einen kombinierten Strahl zweifach gebeugten Lichtes vereinigt zu werden;
ein erstes Polarisations-Rotationselement, das im Strahlengang des ersten gebeugten Strahles angeordnet ist und zum Drehen der Polarisation des ersten hindurchtretenden Strahles dient;
eine zweite Reflektorvorrichtung zum Empfangen des vom Beugungselement kommenden zweiten gebeugten Strahls und zum Zurückreflektieren des zweiten gebeugten Strahls auf das Beugungselement, wo er auf einen zweiten gewählten Bereich des Beugungselementes auftrifft, um zum zweiten Mal reflektiert und dann in einen kombinierten Strahl zweifach gebeugten Lichtes vereinigt zu werden;
ein zweites Polarisations-Rotationselement, das im Strahlengang des zweiten gebeugten Strahles zum Drehen der Polarisation des zweiten hindurchtretenden gebeugten Strahles angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Polarisations-Rotationselement bewirkt, die beiden gebeugten Strahlen die gleichen Polarisationswirkungen der genannten Skala erfahren und um 90° gegeneinander gedreht sind, wenn sie in einen kombinierten Strahl vereinigt werden;
eine Photodetektoreinrichtung zum Empfangen der kombinierten Strahlen und zum Ausgeben eines Signals, das die durch die Verschiebung des Gitters verursachte Änderung der Phase zwischen den beiden Strahlen anzeigt; und
eine Ausgabeeinrichtung zum Empfangen des vom Photodetektor ausgehenden Signals und zum Ausgeben des die Verschiebung des beweglichen Elements anzeigenden Signals.

2. Bewegungsdetektorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation des ersten gebeugten Strahls vor dem Durchtritt durch das erste Polarisations- Rotationselement senkrecht zu den Gitterelementen des Beugungselementes verläuft, jedoch nach dem Durchtritt durch das erste Polarisationselement parallel zu den genannten Gitterelementen verläuft, während die Polarisation des zweiten gebeugten Strahls vor dem Durchtritt durch das zweite Polarisations-Rotationselement parallel zu den Gitterelementen des Beugungselementes verläuft, jedoch nach dem Durchtritt durch das zweite Polarisations-Rotationselement senkrecht zu den genannten Gitterelementen verläuft.

3. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel des ersten Strahles einen gewählten spitzen Winkel zur Oberfläche des Beugungselementes einnimmt, derart, daß der gewählte spitze Winkel mit dem vom ersten gebeugten Strahl und von der Oberfläche des Gitterelementes eingeschlossenen Winkel, und mit dem Winkel zwischen dem zweiten gebeugten Strahl und der Oberfläche des Beugungselementes übereinstimmt.

4. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende erste Strahl in einer Ebene liegt, die senkrecht zum Beugungsgitter und parallel zu den Beugungsgitterelementen verläuft.

5. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden ersten Strahles so ausgerichtet ist, daß die Komponenten des einfallenden Strahles, von denen eine parallel und die andere senkrecht zu den Beugungsgitterelementen verläuft, gleiche Intensität besitzen.

6. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er weiter einen ersten Polarisator im Strahlengang des ersten gebeugten Strahles zum Blockieren des Lichtes aufweist, wobei er eine gewählte Ausrichtung in Bezug auf die Gitterelemente des Beugungselemtes einnimmt.

7. Positionsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Polarisator im Strahlengang des ersten gebeugten Strahles in Reihe mit dem ersten Polarisations- Rotationselement, aber vor diesem, angeordnet ist und Licht blockiert, das parallel zu den Gitterelementen verläuft.

8. Positionsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Polarisator im Strahlengang des ersten gebeugten Strahles in Reihe mit dem ersten Polarisations- Rotationselement, aber nach diesem, angeordnet ist und Licht blockiert, das senkrecht zu den Gitterelementen verläuft.

9. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er weiter einen zweiten Polarisator im Strahlengang Laufweg des zweiten gebeugten Strahles aufweist, um Licht zu blockieren, das eine gewählte Ausrichtung in Bezug auf die Gitterelemente des Beugungselementes einnimmt.

10. Positionsdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisator im Strahlengang des zweiten gebeugten Strahles in Reihe mit dem zweiten Polarisations-Rotationselement, aber vor diesem, angeordnet ist und Licht blockiert, das senkrecht zu den Gitterelementen verläuft.

11. Positionsdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisator im Strahlengang des zweiten gebeugten Strahles in Reihe mit dem zweiten Polarisations-Rotationselement, aber nach diesem, angeordnet ist und Licht blockiert, das parallel zu den Gitterelementen verläuft.

12. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste gewählte Bereich und der zweite gewählte Bereich relativ zueinander einen Abstand in Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes aufweisen.

13. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element entlang der X-Achse und der Y- Achse verschoben wird und das Beugungsgitter ein Beugungsmuster aufweist, das senkrecht zueinander verlaufende Gitterelemente besitzt, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich gegeneinander um einen Winkel relativ zu jedem der Gitterelemente versetzt sind.

14. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er weiter in drittes Rotationselement zur Polarisierung des Lichtes aufweist, das im Strahlengang des ersten Strahles zum Drehen der Polarisation des hindurchtretenden Lichtes angeordnet ist, um einen ersten gebeugten Strahl mit einer Polarisation zu erzeugen, die um 90° gegen den Polarisationswinkel des zweiten gebeugten Strahls gedreht ist, nachdem dieser ein zweites Mal auf das Beugungselement aufgetroffen ist.

15. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationselemente zur Polarisierung des Lichtes aus Halbwellenlängen-Verzögerungsplatten bestehen, welche die Polarisation durch Spiegeln der Polarisation des hindurchtretenden Lichtes um eine gewählte Achse drehen.

16. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoreinrichtung zwei Photodetektoren aufweist, von denen jeder eine Quadratur des Ausgangssignals des kombinierten Strahles zur Erfassung der Verschiebung und der Verschiebungsrichtung der Skala herbeiführt.

17. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektormittel einen Photodetektor aufweisen, der die Durchschnittsintensität des kombinierten Strahles erfaßt.

18. Photodetektor, gekennzeichnet durch folgende Komponenten:
ein Beugungselement mit einem darauf befindlichen Beugungsgitter, wobei das Beugungselement mit einem beweglichen Element verbunden ist, dessen Position gemessen wird;
eine Lichtquelle, die dem Beugungsgitter benachbart ist, wobei die Lichtquelle einen ersten Lichtstrahl aussendet, der auf das Beugungsgitter in einem ersten gewählten Bereich auftrifft und vom Beugungsgitter in ein gebeugtes Muster gebeugt wird;
einen ersten Reflektor zum Empfangen eines Strahles, der vom Beugungselement unter einem positiven Winkel gebeugt worden ist, und zum Zurückreflektieren des unter dem positiven Winkel gebeugten Strahles auf das Beugungselement, damit der Strahl auf einen zweiten Bereich des Beugungselementes auftrifft, um einen zweifach gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen, wobei der unter dem positiven Winkel gebeugte Strahl polarisiert ist und in Bezug auf die Beugungsgitterelemente eine senkrechte Polarisations­ komponente sowie eine parallele Polarisations­ komponente aufweist;
ein erstes Lichtpolarisations-Modifikationselement, das in dem zum ersten reflektierenden Element hinführenden oder von diesem herkommenden Strahlengang des unter dem positiven Winkel gebeugten Strahles angeordnet ist, wobei das erste Lichtpolarisation-Modifikationselement die Polarisation entweder der parallelen oder der senkrechten Komponente der Polarisation des positiven Strahles umkehrt, dabei jedoch nicht die andere Komponente der Polarisation des positiven Strahles beeinträchtigt;
ein zweites Lichtpolarisations-Modifikationselement, das im Strahlengang des unter dem positiven Winkel gebeugten Strahles in Reihe mit dem ersten Lichtpolarisations-Modifikationselement angeordnet ist, so daß Licht hintereinander durch das erste und das zweite Lichtpolarisations-Modifikationselement hindurchtritt, wobei das zweite Lichtpolarisation- Modifikationselement die Polarisationsrichtung der parallelen Komponente um 90° in die eine Richtung und die Polarisation der senkrechten Komponente um 90° in die entgegengesetzte Richtung dreht, derart, daß die parallele Komponente senkrecht zu den Beugungsgitterelementen, und die senkrechte Komponente parallel zu den Beugungsgitterelementen einen zweiten Reflektor zum Empfangen eines Strahles, der vom Beugungselement unter einem negativen Winkel gebeugt wurde, und zum Zurückreflektieren des unter dem negativen Winkel gebeugten Strahles auf das Beugungselement, um auf das Beugungselement im zweiten gewählten Bereich aufzutreffen und sich dann mit dem unter dem positiven Winkel gebeugten Strahl zu einem kombinierten Strahl zu vereinigen, wobei der unter dem negativen Winkel gebeugte Strahl polarisiert ist und eine in Bezug auf die Beugungsgitterelemente senkrechte Polarisationskomponente sowie eine parallele Polarisationskomponente aufweist;
ein drittes Lichtpolarisatons-Modifikationselement, das im Laufweg des unter dem negativen Winkel gebeugten Strahles angeordnet ist, wobei das dritte Lichtpolarisations-Modifikationselement die Polarisationsrichtung der paralellen Komponente um 90° in die eine Richtung, und die Polarisation der senkrechten Komponente um 90° in die entgegengesetzte Richtung dreht, derart, daß die paralelle Komponente senkrecht zu den Gitterelementen und die senkrechte Komponente parallel zu den Gitterelementen verläuft, wenn der unter dem negativen Winkel gebeugte Strahl auf das Beugungsgitter auftrifft und der Polarisationswinkel zwischen dem zweifach gebeugten positiven und negativen Strahl 90° beträgt;
Photodetektormittel für die Mittelwertsbildung, zum Empfangen des kombinierten Strahles und zum Bestimmen der Durchschnittsintensität desselben;
einen Photodetektor zur Erfassung der Veränderung des kombinierten Strahles nach Maßgabe der Phasenverschiebung zwischen dem unter dem positiven Winkel gebeugten Strahl und dem unter dem negativen Winkel gebeugten Strahl; und
eine Ausgabeeinrichtung zum Empfangen des von den beiden Photodetektoren gelieferten Signals und zum Ausgeben eines Signals, das die Verschiebung des beweglichen Elementes anzeigt.

19. X-Y-Positionsdetektor, gekennzeichnet durch folgende Komponenten:
ein Beugungselement mit zwei Gruppen von Beugungselementen, von denen sich die eine Gruppe der Beugungselemente in X-Richtung und die andere Gruppe der Beugungselemente in Y-Richtung erstreckt, wobei die Gruppen die gleiche Gitterteilung aufweisen und unter Bildung eines quadratischen Beugungsmusters senkrecht zueinander verlaufen, wobei das Beugungselement mit einem beweglichen Element verbunden ist, das sich in einer einzelnen Ebene in X- oder Y-Richtung verschieben kann;
ein Paar von Lichtquellen, die dem Beugungselement benachbart sind, wobei die eine Lichtquelle eine Lichtquelle der X-Achse und die andere Lichtquelle eine Lichtquelle der Y-Achse ist und entsprechende Strahlen aussendet, die auf dem Beugungselement auf entsprechenden ersten X- und ersten Y-Bereichen auftreffen, um der X-Achse assoziierte Beugungsstrahlen mit positivem und negativem Beugungswinkel sowie der Y-Achse assoziierte Beugungsstrahlen mit positivem und negativem Beugungswinkel zu erzeugen;
zwei Paare reflektierender Elemente, von denen das eine Paar die der X-Achse assoziierten positiven und negativen gebeugten Strahlen auf das Beugungselement in einem zweiten X-Bereich zurückreflektiert, um einen kombinierten Strahl von X-Achsenlicht zu erzeugen, und von denen das zweite Paar die der Y- Achse assoziierten positiven und negativen gebeugten Strahlen auf das Beugungselement in einem zweiten Y- Bereich zurückreflektiert, um einen kombinierten Strahl von Y-Achsenlicht zu erzeugen;
ein Lichtpolarisations-Modifikationselement, das im Strahlengang jedes der gebeugten Strahlen angeordnet ist, um die Polarisation der hindurchtretenden gebeugten Strahlen zu drehen;
ein Paar von Photodetektoren zum Empfangen der jeweiligen kombinierten, der X- und der Y-Achse assoziierten Lichtstrahlen, und zum Ausgeben von Signalen, welche die Stärkeänderungen der jeweiligen kombinierten, der X- und der Y-Achse assoziierten Strahlen aufgrund der Phasenverschiebung anzeigen, wenn das Gitter in X- oder Y-Richtung verschoben wird; und
eine Ausgabeeinrichtung zum Empfangen der von den jeweiligen Photodetektoren gelieferten Signale und zum Ausgeben der Position des beweglichen Elementes in X- und Y-Richtung.

20. X-Y-Positionsdetektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite X-Bereich gegeneinander entlang der X- Achse und der erste und zweite Y-Bereich entlang der Y-Achse gegeneinander versetzt sind.

21. X-Y-Positionsdetektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite X-Bereich gegeneinander entlang der Y- Achse, und der erste und zweite Y-Bereich entlang der X-Achse gegeneinander versetzt sind.

22. Verfahren zur Erfassung der Position eines Objektes mit einem damit verbundenen Beugungsgitter, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte aufweist:
Auftreffen von Licht auf das Beugungsgitter an einer ersten gewählten Stelle, um einen unter einem positiven Winkel gebeugten Strahl sowie einen unter einem negativen Winkel gebeugten Strahl zu erzeugen, wobei sich jeder gebeugte Strahl in einer vom Beugungsgitter abgekehrten Richtung erstreckt und eine erste Komponente, die in Richtung der Beugungsgitterelemente polarisiert ist, sowie eine zweite Komponente, die in Richtung parallel zu den Beugungsgitterelementen polarisiert ist, aufweist;
Reflektieren des unter einem positiven Winkel und des unter einem negativen Winkel gebeugten Strahles auf eine zweite gewählte Stelle des Beugungsgitters;
Spiegeln der Polarisation des unter einem positiven und des unter einem negativen Winkel gebeugten Strahles um eine gewählte Achse vor deren Auftreffen auf der zweiten gewählten Stelle des Beugungsgitters;
Beugen des unter einem positiven und des unter einem negativen Winkel gebeugten Strahles auf dem Beugunsgitter ein zweites Mal, um einen kombinierten Strahl zweifach gebeugten Lichtes zu erzeugen;
Erfassen der relativen Phasenverschiebung zwischen den unter einem positiven und den unter einem negativen Winkel gebeugten Strahlen nach Maßgabe der Bewegung des Objektes; und
Ausgeben der Position des genannten Objektes auf der Basis der relativen Phasenverschiebung zwischen dem unter einem positiven und dem unter einem negativen Winkel gebeugten Strahl.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter den Schritt des Durchleitens der jeweiligen unter einem positiven und unter einem negativen Winkel gebeugten Strahlen durch einen Polarisator, vor dem Spiegelungsschritt, aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter den Schritt des Durchleitens des unter einem positiven Winkel und des unter einem negativen Winkel gebeugten Strahles durch einen Polarisator, nach dem Spiegelungsschritt, aufweist.

25. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter einen zweiten Spiegelungsschritt aufweist, der darin besteht, daß die Polarisation des unter einem positiven Winkel gebeugten Strahles um eine zweite Achse gespiegelt wird, die sich von der genannten gewählten Achse unterscheidet.

26. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelungsschritt durch Hindurchleiten der jeweiligen Strahlen durch Halbwellenverzögerungs­ platten bewirkt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht auf das Beugungsgitter unter einem Winkel zur Oberfläche des Gitters auftrifft, der dem positiven Beugungswinkel relativ zur Oberfläche des Gitters entspricht.

28. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Beugungselement die zweite Auftreffstelle von der ersten Auftreffstelle einer parallel zu den Gitterelementen verlaufenden Richtung versetzt ist.