-
Stand der Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Positionsdetektoren, die zur Erfassung
einer Verschiebung ein Beugungsgitter verwenden, und ein Positionsmessverfahren,
wie es aus der
japanischen Veröffentlichung
Nr. 1-26005 der geprüften
Patentanmeldung bekannt ist.
-
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 rechtwinklig 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 empfindsamer 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.
-
Aufgabenstellung
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren
und eine verbesserte Anordnung zur Positionsmessung anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
Positionsdetektoren gemäß den Patentsansprüchen 1,
18 und 19 und durch ein Verfahren zur Erfassung der Position eines
Objektes gemäß Patentanspruch
22 gelöst.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
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 einen einzigen Strahl vereinigt
zu werden. Die Polarisation der jeweiligen Lichtstrahlen wird vor
der zweiten Beugung verändert.
Die parallel zu den Beugungsgitterrillen verlaufende Polarisationskomponente
des Strahles wird in die Senkrechte zu den Beugungsgitterrillen
gedreht, während
die senkrecht zu den Beugungsgittenillen 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.
-
Ausführungsbeispiel
-
Nachfolgend
wird der wesentliche Gegenstand der beigefügten Zeichnungen kurz beschrieben.
-
1 stellt
eine Seitenansicht einer Positionserfassungsanordnung des Standes
der Technik dar;
-
2a stellt
eine vergrößerte Seitenansicht des
Beugungsgitters dar, wobei Licht vom Gitter gebeugt wird;
-
2b stellt
eine Draufsicht auf 2a dar;
-
2c stellt
eine Seitenansicht des Erfassungssystems des Standes der Technik
für den
Lesekopf (11) gemäß 1 dar;
-
3a stellt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Lichtstärke von zwei
Lichtsignalen und der Gitterposition gemäß dem Stande der Technik dar;
-
3b stellt
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Lichtstärke von zwei
Lichtsignalen und der Gitterposition gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dar;
-
4a stellt
eine Seitenansicht eines Positionserfassungssystems gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar;
-
4b–4d stellen
Seitenansichten alternativer Positionen für den Polarisator und eine Halbwellen-Verzögerungsplatte
dar;
-
5 stellt
eine Seitenansicht eines Positionserfassungssystems gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung dar;
-
6a–6e zeigen
graphische Darstellungen der Polarisationskomponenten und Vektoren der
in verschiedenen Positionen gebeugten Strahlen für die Ausführungsform der Erfindung gemäß 5;
-
7a stellt
eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführungsform
der Erfindung dar;
-
7b stellt
eine Seitenansicht zu 7a dar;
-
7c stellt
eine Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführungsform
der Erfindung dar;
-
8a stellt
eine Draufsicht auf einen X-Y-Positionsdetektor gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung dar;
-
8b stellt
eine Draufsicht auf einen X-Y Positionsdetektor gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung dar;
-
9 stellt
eine Draufsicht auf einen X-Y-Positionsdetektor gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
der Erfindung dar;
-
10 stellt
eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung dar,
bei der das Beugungselement 16 ein Transmissionsgitter
ist; und
-
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.
-
1 veranschaulicht
einen Positionsdetektor gemäß dem Stande
der Technik, wie er in der
japanischen
Veröffentlichung
Nr. 1-26005 der geprüften
Patentanmeldung dargestellt ist. Bei dem dargestellten bekannten
Positionsdetektor projiziert eine monochromatische Lichtquelle
10,
wie etwa eine Laserdiode, zusammen mit einem Kollimator
12 einen parallelgerichteten
Strahl auf einen Spiegel
14 sowie senkrecht auf eine Beugungsgitterskale
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 Θ und –Θ relativ
zur Normalen der Oberfläche
gebeugt.
-
2a stellt
eine vergrößerte Seitenansicht der
Beugungsgitterskala 16 der 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 0 relativ zur Oberflächennormalen
des Beugungsgitters 16 gebeugt. Der unter dem negativen
Winkel einfallende Beugungsstrahl 18 wird vom Gitter 16 unter
dem Winkel –Θ, der dem
Winkel Θ gleicht,
gebeugt, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.
-
Wie 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 1 wie nachfolgend beschrieben
bestimmt. Der Lichtstrahl 15 trifft zunächst im Punkt 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 negativemn 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 2c tritt
der Strahl 34 in ein Photodetektorsystem 11 ein,
das verschiedene Strahlspalter und Photodetektoren aufweist. Ein
Strahlspalter 36 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 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 13 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 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. 4,629,886 )
wird die Methode der Quadrierung der Signale I
1 und
I
2 angewandt (nach Subtrahieren des Durchschnittssignalpegels DC,
verfügbar
aus dem Signal I
3), 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. 4,629,886 ) wird auch das dem Durchschnittssignalpegel
DC proportionale Signal I
3 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. 4,676,645 und
die offengelegte
japanische
Anmeldung No. 62-200219 ). 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
8 des
US-Patents No. 4,676,645 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 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 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 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: E1p =
B·kp·kp·cos(omega
t + P/2) (5) E1s = 0 (6) Erp = 0 (7) Ers = B·ks·ks·cos(omega
t – P/2) (8)wobei E1p und E1s die Vektorkomponenten
des Strahls 32 nach der Beugung im Punkte 24,
E1p die parallel polarisierte Komponente
und E1s die senkrecht polarisierte Komponente
darstellen. Erp und Ers stellen
die Vektorkomponenten des Strahls 30 nach der Beugung im
Punkte 24 dar, wobei Erp die parallele Komponente
und Ers die senkrechte Komponente bedeuten.
Zur terminologischen Erleichterung bezieht sich Er in
allen Figuren auf den rechten Strahl 30, wobei es sich
um den unter einem positiven Winkel einfallenden Beugungsstrahl
handelt, während
sich El 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 Erp =
0 ist. Der Polarisator 28 filtert das im Strahl 32 senkrecht
zu den Gitterrillen verlaufende Licht aus, so daß Els =
0 ist. Wie aus der Gleichuung (5) hervorgeht, wird der Beugungswirkungsgrad
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: Eop = B·kp2·cos(omega
t + P/2) (9) Eos = B·ks2·cos(omega
t – P/2) (10)wobei Eop und Eos 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 Eop 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: I2=
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 Eop und Eos 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.
-
4a stellt
ein Verschiebungserfassungssystem dar, das zwecks Überwindung
der Probleme des Standes der Technik nach den Prinzipien der Erfindung
arbeitet. In dieser Ausführungsform
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 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 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 Beugungsgwirkungsgrade 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 gleicherweise 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: Eop = B·ks·kp·cos(omega
t + P/2) (16) Eos = 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 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 17 und 18 die
Gitterskala 16 treffen, wie in 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 beider 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 4b–4d veranschaulichen
alternative Positionen für
den Polarisator 28 und die Verzögerungsplatte 62.
Wie 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 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 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.
-
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 4a oben beschriebenen Weise
verändert,
unter der Annahme, daß der
Reflektor 27 die Polarisation des Strahls nicht verändert. 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 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 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 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 1 beschriebenen
Systems sowie des Verfahrens gegenüber dem in 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 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 ent sprechenden Lambda/2-Verzögerungsplatten 70, 72 und 74 sind
so gewählt,
daß die
Polarisation um eine gewählte
Achse gespiegelt wird.
-
Die 6a–6e zeigen
den Strahl in verschiedenen Stadien des Systems der 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 6a mit Ei bezeichnet und
verläuft
unter einem Winkel β =
45°.
-
Wie
aus der Vektorrechnung bekannt ist, kann der Polarisationsvektor
Ei des Eingangsstrahls 15 in zwei
Komponenten zerlegt werden, nämlich
in die Komponente Eip, die parallel zu den
Gitterrillen 20 verläuft,
und in die Komponente Eis, 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 5 und 6b zeigen,
einen Polarisationsvektor E1 (steht für Elinks), 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 Er bezeichnete
Polarisationsrichtung und schließt den gleichen Winkel α ein, weil
beide Strahlen an dergleichen 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 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 Er in
ein Spiegelbild um die senkrechte Polarisation zu drehen. Der von
der Lambda/2-Verzögerungsplatte 72 ausgehende
Strahl 80 besitzt die in 6c dargestellte
Polarisierung. Der Strahl 80 tritt dann in die zweite Lambda/2-Verzögerungsplatte 74 ein.
Wie in 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 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 6b–6d zeigt.
Wenn also die Strahlen 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 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 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 ⌀ relativ
zur Senkrechten auf, wie in den 7a und 7b dargestellt
ist. 7a stellt eine Draufsicht auf die Anordnung der 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 ⌀ 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 Θi in 7b ist
die Projektion des Eingangsstrahlwinkels Φ auf eine senkrechte Ebene,
die senkrecht zu den Gitterrillen verläuft. Die Winkel Θz und Θf in 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 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 4a beschrieben
wurde. Es kann auch eine Anordnung verwendet werden, bei der nur
Lambda/2-Platten vorgesehen sind, wie in Bezug auf 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 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. 7c veranschaulicht den gleichen Lesekopf
wie 7, 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 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 Θi + sin Θ0 = n·lambda/p (22)dabei ist: Θi der Winkel des einfallenden Strahls relativ
zu einer Ebene, die auf dem Gitter 16 senkrecht steht und
parallel zu den Gitterrillen 20 verläuft; 00 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 Θi = Θ.
Die Gleichung (22) für
einen normal zur Oberfläche
einfallenden Strahl ändert
sich im Falle der Beugung ersten Grades in: sin Θ0 =
lambda/p. Bei einer Lichtwellenlänge
von 0,78 Mikron und einem Teilungsabstand von 1 Mikron ergibt sich
ein Winkel von Θ0 = 51,26°. Bei
einer Teilung von 1,5 Mikron beträgt Θ0 =
31°, während bei
einer Teilung von 0,8 Mikron der Winkel Θ0 =
77° ist
und bei einer Teilung von 0,78 Mikron die Größe Θ0 =
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 Θ0 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 7a bis 7c kann
wiederum durch Prüfen
der Basisbeugungsgleichungen erkannt werden: sin Θi + sin Θ0 = n·lambda/pwobei
n der Ordnungsrang der Beugung des gebeugten Strahles, Θi der Winkel des einfallenden Lichtes und Θ0 der Winkel des gebeugten Lichtes ist. Wird Θi dem Winkel Θ0 gleichgesetzt
(statt Gleichsetzung mit Null), ändert
sich die Gleichung in sin Θ0 +
sin Θ0 = n·lambda/poder 2 sin Θ0 = n·lambda/p;mit
dem Ergebnis: sin Θ0 =
n·lambda/2p.
-
Die
Teilung kann daher doppelt so klein wie beim Stand der Technik gemacht
werden und dennoch den gleichen Beugungswinkel Θ0 für eine gegebene
Lichtwellenlänge
liefern. Durch Gleichsetzen des Winkels Θ1 des
Ausgangsstrahls 93 mit dem Winkel Θ0 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 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 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 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 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 7a–7c skizzierten
Prinzipien sind bei dem in den 8a und 8b dargestellten
X-Y Kodierer veranschaulicht. 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 8a und 8b sind
die gleichen Prinzipien anwendbar, die weiter oben in Bezug auf
die 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 7a–7c beschrieben
wurde, wobei gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen tragen.
-
Bei
der Ausführungsform
der 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 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 7c beschriebenen Situation.
-
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 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 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 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 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 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 Θi (vgl. 10) zwischen
dem Eingangsstrahl und der Skala wird nach folgender Vorschrift
gewählt: cos Θi = (1//2)·lambda/pwobei lambda
die Wellenlänge
der Lichtquelle und p die Skalenteilung darstellen. Bei dieser Wahl
von Θi entsprechen die Winkel zwischen den Beugungsstrahlen
erster Ordnung und der Skala dem Winkel Θi.
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 5 der Fall ist, entspricht die erfaßte Strahlstärke derjenigen,
die bei Verwendung von zwei Lichtquellen erfaßt wird.
-
10 veranschaulicht
schematisch ein Gerät,
bei dem die gleichen Prinzipien wie jene der 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 Θi 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 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.
-
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 11 ist
derjenigen der 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 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.