DE10229827A1

DE10229827A1 - Vorrichtung zur optoelektronischen Wegmessung

Info

Publication number: DE10229827A1
Application number: DE2002129827
Authority: DE
Inventors: Eberhard Wahl
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-01-29

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optoelektronischen Wegmessung mit Messlichterzeugungsmitteln, einer Maßstabplatte (2) und einer Abtastplatte (1), die parallel und im Messlichtstrahlengang hintereinander in einer zu ihren Plattenebenen parallelen Verschiebewegrichtung (x) relativbeweglich angeordnet sind, sowie mit einer Sensoreinheit zur Abtastung von durch die Maßstab- und die Abtastplatte hindurchgetretenem Messlicht und Abgabe eines entsprechenden Sensorsignals und einer Auswerteeinheit zur Ermittlung des Verschiebeweges zwischen Maßstabplatte und Abtastplatte anhand des Sensorsignals. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Maßstabplatte wenigstens zwei quer zur Verschiebewegrichtung nebeneinander liegende und in der Verschiebewegrichtung gegeneinander versetzte Reihen (6a, 6b, 6c) von Maßstabschlitzen (6) auf, während die Abtastplatte einen sich quer über alle Schlitzreihen erstreckenden Abtastschlitz (5) beinhaltet, der durch teilweise oder vollständige Überlappung mit einem oder mehreren Maßstabschlitzen einen jeweiligen Beugungsspalt (BS1, BS2, BS3) bildet. Die Breite (d, T) der Maßstabschlitze und des Abtastschlitzes sowie der Maßstabschlitzabstand (D) sind so dimensioniert, dass eine Verschiebewegänderung in jeder Relativstellung von Maßstabplatte und Abtastplatte zu einer Änderung der Spaltbreite wenigstens eines der jeweils gebildeten Beugungsspalte und damit zu einer detektierbaren und auswertbaren Änderung des von diesem verursachten ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optoelektronischen Wegmessung mit Mitteln zur Messlichterzeugung, einer Maßstabplatte und einer Abtastplatte, die parallel und im Messlichtstrahlengang hintereinander in einer zu deren Plattenebenen parallelen Verschiebewegrichtung relativbeweglich angeordnet sind, einer Sensoreinheit zur Abtastung von durch die Maßstab- und die Abtastplatte hindurchgetretenem Messlicht und Abgabe eines entsprechenden Sensorsignals sowie mit einer Auswerteeinheit zur Ermittlung des Verschiebeweges zwischen Maßstabplatte und Abtastplatte anhand des Sensorsignals.
Optoelektronische Wegmessvorrichtungen dieser Art sind verschiedentlich bekannt, insbesondere als Linearweggeber zur Erfassung der Position und/oder Verschiebelänge geradliniger Verschiebewege und als Drehgeber zur Drehwinkelerfassung. Ein speziell wichtiger Anwendungsbereich derartiger Vorrichtungen ist die Wegmessung im Mikrometer und Submikrometerbereich, z.B. als Sensoren in Regelstrecken entsprechender Positionier- oder Justiereinrichtungen.
Bei einem bekannten Vorrichtungstyp, wie er in Naumann/Schröder, Bauelemente der Optik – Taschenbuch der technischen Optik, 6. Auflage, Karl Hanser Verlag, 1992, Seite 545 dargestellt ist, trägt die Maßstabplatte einen Gittermaßstab und die Abtastplatte mehrere kleinere Gitterfelder mit gegeneinander versetzten Gitterlinien. Die Sensoreinheit beinhaltet je ein Fotoelement hinter jedem Gitterfeld, die zwecks Bewegungsrichtungserkennung geeignet paarweise elektrisch miteinander verschaltet sind. Bei Relativbewegung von Maßstabplatte und Abtastplatte ergeben sich zwei sinusförmige Einzelsignale, die geeignet ausgewertet werden können. Dieser Vorrichtungstyp nutzt den Effekt aus, dass sich bei der Relativbewegung von Maßstabplatte und Abtastplatte der Überlappungsgrad zwischen lichtdurchlässigen Gitterlinien auf der Maßstabplatte einerseits und der Abtastplatte andererseits und damit die Intensität des durch beide Platten hindurchtretenden Messlichts entsprechend ändert.
Des weiteren ist es bekannt, zur optoelektronischen Wegmessung für kleine Verschiebewege im Mikrometerbereich und darunter Interferometer einzusetzen. Diese erfordern jedoch einen vergleichsweise hohen Aufwand und sind in ihrer Anwendbarkeit durch die relativ geringe Kohärenzlänge begrenzt. Sie sind außerdem nicht ohne weiteres in Fällen verwendbar, bei denen Absolut- und nicht nur Relativpositionen zu erfassen sind.
Des weiteren ist die Verwendung von kapazitiven Sensoren zur Verstellwegmessung beispielsweise in sogenannten Z-Manipulatoren bekannt, mit denen optische Komponenten in optischen Systemen entlang der optischen Achse, der z-Achse, verstellt werden. Diese kapazitiven Sensoren weisen jedoch relativ große Rauschbreiten bis zu 40nm auf, was deren Messgenauigkeit begrenzt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer optoelektronischen Wegmessvorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, mit der sich geradlinige Verschiebewege oder gekrümmte Verschiebewege, wie Drehbewegungen, mit relativ geringem Aufwand vergleichsweise genau bestimmen lassen, insbesondere im Mikrometer- und Submikrometerbereich.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zur optoelektronischen Wegmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Vorrichtung beinhaltet die Maßstabplatte zwei oder mehr Schlitzreihen, die quer zur Richtung des zu messenden Verschiebeweges nebeneinander liegen und in der Verschiebewegrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind. Jede Schlitzreihe umfasst mehrere in der Verschiebewegrichtung mit Abstand aufeinander folgende, querverlaufende Maßstabschlitze. Die Abtastplatte weist einen sich quer über alle Schlitzreihen erstreckenden Abtastschlitz auf, der durch teilweise oder vollständige Überlappung mit einem oder mehreren Maßstabschlitzen einen jeweiligen Beugungsspalt für das Messlicht bildet.

Die Breite der Maßstabschlitze und des Abtastschlitzes und der Abstand der Maßstabschlitze innerhalb jeder Schlitzreihe sind so dimensioniert, dass in jeder Relativstellung von Maßstabplatte und Abtastplatte eine Verschiebewegänderung zu einer Änderung der Spaltbreite wenigstens eines der Beugungsspalte führt, welche durch die teilweise oder vollständige Überlappung des Abtastschlitzes mit einem jeweiligen Maßstabschlitz gebildet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt die Tatsache, dass sich das durch Lichtbeugung an einem jeweiligen Beugungsspalt ergebende Beugungsmuster mit variierender Spaltbreite ändert. Die Sensoreinheit und die Auswerteeinheit sind zur Detektion der entsprechenden Lichtbeugungsinformation, die im empfangenen, gebeugten Messlicht enthal ten ist, und zur Bestimmung des gesuchten Verschiebewegs aus dieser Lichtbeugungsinformation eingerichtet. Je nach Systemdimensionierung können Verschiebewegänderungen zu detektierbaren Änderungen in den Abmessungen von Beugungsmustern am Ort der Sensoreinheit führen, die um mehrere Größenordnungen größer als die Verschiebeweglänge sind. Wenn derartige Beugungsinformation zur Auswertung herangezogen wird, ist es folglich problemlos möglich, mit einer Sensoreinheit gegebener Auflösung Verfahrwege zu messen, die um mehrere Größenordnungen kleiner als die Sensorauflösung sind.

Vorteilhafte Dimensionierungen des Abtastschlitzes und/oder der Maßstabschlitzanordnung sind im Anspruch 2 angegeben. Wenn eine gegenüber dem Maßstabschlitzabstand kleinere Abtastschlitzbreite gewählt wird, überlappt in jeder Relativstellung von Maßstabschlitz und Abtastschlitz höchstens ein Maßstabschlitz jeder Schlitzreihe ganz oder teilweise mit dem Abtastschlitz. Es braucht daher pro Schlitzreihe jeweils nur ein Einzelspalt-Beugungsmuster ausgewertet werden. Eine Versetzung der Schlitzreihen gegeneinander um jeweils höchstens die Maßstabschlitzbreite hat zur Folge, dass ausgehend von jeder beliebigen Relativstellung von Maßstabplatte und Abtastplatte eine Relativbewegung derselben zu einer Änderung des Überlappungsgrades des Abtastschlitzes mit wenigstens einem Messschlitz und damit zu einer Spaltbreitenänderung des betreffenden Beugungsspaltes führt. Letzteres hat wiederum eine detektierbare Änderung des zugehörigen Beugungsmusters zur Folge. Insgesamt gewährleistet dies eine lückenlose Wegmessung anhand der Detektion und Auswertung von Beugungsmusteränderungen, ohne dass Totbereiche auftreten.

In einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß Anspruch 3 als Beugungsinformation wenigstens die Breite des Einzelspalt-Beugungsmaximums nullten Ordnung erfasst und ausgewertet. Mit praktikablen Schlitzbreiten in der Größenordnung von z.B. 1 μm und bei Verwendung von Messlicht im sichtbaren Bereich erlaubt dies unter Verwendung herkömmlicher Sensoreinheiten, z.B. CCD-Sensoren, ohne weiteres die Erfassung von Verfahrweglängen im Nanometerbereich.

In einer Weiterbildung der Erfindung in Anspruch 4 wird für verschiedene Schlitzreihen Messlicht unterschiedlicher Wellenlänge verwendet. Dies kann die Auswertung vereinfachen, da sich die einzelnen Beiträge zum von der Sensoreinheit detektierten Messlicht aus den einzelnen Maßstabschlitzreihen gut unterscheiden lassen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 wird die Querlage mancher oder aller Maßstabschlitze in einer oder mehreren Schlitzreihen variiert. Dies ermöglicht eine relativ einfache Richtungserkennung der Verfahrwegbewegung und erleichtert bei Bedarf die Bestimmung von Absolutpositionen.

In einer konstruktiv vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 dient als Maßstabplatte eine Glasplatte, aus der die Maßstabschlitze herausgeätzt werden und die anschließend auf eine geeignet geringe Rautiefe poliert wird. Damit lassen sich störende Lichteinflüsse aufgrund der endlichen Ausdehnung der Maßstabschlitzkanten, z.B. Störeinflüsse durch „schiefe" Doppelbrechung, klein halten. Dem gleichen Zweck dient die Maßnahme, den Abtastschlitz mit Schrägkante zu fertigen.

In einer Weiterbildung der Erfindung in Anspruch 7 sind die Messlichterzeugungsmittel so ausgelegt, dass das von diesen erzeugte Messlicht, das mehrere Einzelstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge umfassen kann, mit der Relativbewegung von Maßstabplatte und Abtastplatte mitbewegt wird. Dies erlaubt die Verwendung von Messlichtstrahlen mit Abmessungen, die deutlich kleiner sind als der Wegmessbereich der Wegmessvorrichtung.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur optoelektronischen Wegmessung mit Auflösung im Submikrometerbereich,
2 eine schematische Draufsicht auf eine in 1 verwendete Anordnung einer Abtastplatte und einer Maßstabplatte mit drei Reihen von in ihrer Querlage fluchtenden Maßstabschlitzen,
3 eine graphische Darstellung der Breite des nullten Maximums eines Einzelspalt-Beugungsmusters in Abhängigkeit von der Spaltbreite,
4 eine schematische Detail-Seitenansicht von Abtastplatte und Maßstabplatte im Abtastschlitzbereich mit nachgeordneter Sensoreinheit,
5 eine Blockdiagrammdarstellung einer in der Wegmessvorrichtung von 1 verwendeten Auswerteeinheit und
6 eine schematische Draufsicht auf eine alternativ in der Vorrichtung von 1 verwendbare Maßstabplatte mit querversetzter Schlitzfolge.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur optoelektronischen Messung eines in diesem Beispiel linearen Verschiebeweges x, um den eine Abtastplatte 1 gegenüber einer z.B. stationär fixierten Maßstabplatte 2 in der in 1 vertikalen Richtung relativbeweglich ist. Dazu kann die Verschiebe- bzw. Verfahrbewegung x, bei der es sich z.B. um die x-Bewegung eines Steilelementes eines Linearmotors handeln kann, über einen Ankoppelpunkt A auf die Abtastplatte 1 übertragen werden.
Messlichterzeugungsmittel 3 erzeugen Messlicht 4, das auf die von der Abtastplatte 1 abgewandte Seite der Maßstabplatte 2 eingestrahlt wird. Das Messlicht 4 wird nur dort als gebeugtes Licht 4a von der Maßstabplatte 2 und Abtastplatte 1 durchgelassen, wo ein in der Abtastplatte vorgesehener Abtastschlitz 5 mit einem oder mehreren Maßstabschlitzen 6 wenigstens teilweise überlappt, die in der Maßstabplatte 2 vorgesehen sind. Dieses gebeugte Messlicht 4a wird von einer Sensoreinheit in Form eines zweidimensionalen CCD-Arrays 7 abgetastet. Das betreffende Sensorsignal des CCD-Arrays 7 wird einer Auswerteeinheit 8 zugeführt, die daraus den Verschiebeweg x zwischen Maßstabplatte 2 und Abtastplatte 1 ermittelt, d.h. die Position und/oder die Verschiebungslänge in der Verschieberichtung x der Maßstabplatte 2 relativ zu der im Messlichtstrahlengang dicht hinter dieser positionierten Abtastplatte 1.
2 zeigt in Draufsicht schematisch die Abtastplatte 1 mit dahinter liegender, gestrichelt angedeuteter Maßstabplatte 2. Wie aus 2 ersichtlich, besteht die Schlitzanordnung 6 der Maßstabplatte 2 aus drei Schlitzreihen 6a, 6b, 6c, die in einer zu den Ebenen beider Platten 1, 2 parallelen und zur Verschiebewegrichtung x senkrechten Querrichtung y nebeneinander liegen. In jeder Schlitzreihe 6a, 6b, 6c sind die Maßstabschlitze 6 quer verlaufend angeordnet und folgen fluchtend in einem vorgegebenen Abstand D aufeinander. Im gezeigten Beispiel entspricht der Schlitzabstand D dem Dreifachen der Breite d der sämtlich mit gleicher Abmessung in die Maßstabplatte 2 eingebrachten Maßstabschlitze 6. Die Schlitzreihen 6a, 6b, 6c sind jeweils um die Maßstabschlitzbreite d gegeneinander versetzt, d.h. in der in 2 mittleren Schlitzreihe 6d sind die Schlitze 6 um die Schlitzbreite d in Verschiebewegrichtung x gegenüber den Schlitzen 6 der linken Schlitzreihe 6a versetzt, und die Schlitze 6 der rechten Schlitzreihe 6c sind ihrerseits um die Schlitzbreite d gegenüber den Schlitzen 6 der mittleren Schlitzreihe 6b in Verschiebewegrichtung x versetzt. Dadurch folgen die Maßstabschlitze 6 aller Reihen 6a, 6b, 6c zusammengenommen lückenlos aufeinander.
Wie aus 2 weiter ersichtlich, erstreckt sich der in die Abtastplatte 1 eingebrachte Abtastschlitz 5 quer über alle drei Maßstabschlitzreihen 6a, 6b, 6c hinweg und weist eine vorgebbare Breite T auf, die mindestens so groß wie die Breite d der Maßstabschlitze 6 gewählt ist. Im gezeigten Beispiel ist die Abtastschlitzbreite T gleich der doppelten Maßstabschlitzbreite d gewählt, d.h. T=2d. Dies bedeutet, dass der Abtastschlitz 5 in jeder Relativstellung der beiden Platten 1, 2 mit wenigstens zwei Maßstabschlitzen benachbarter Schlitzreihen ganz oder teilweise überlappt. In der gezeigten Stellung überlappt er beispielsweise vollständig mit einem Maßstabschlitz 6d der linken Schlitzreihe 6a und jeweils teilweise mit zwei Maßstabschlitzen 6e, 6f der beiden anderen Schlitzreihen 6b, 6c.
Indem die Abtastplatte 1 aus lichtundurchlässigem Material gefertigt ist und das Messlicht folglich nur durch den Abtastschlitz 5 hindurchtreten kann, bildet jede teilweise oder vollständige Überlappung eines Maßstabschlitzes 6 mit dem Abtastschlitz 5 einen Beugungsspalt für das senkrecht zu den Plattenebenen von hinten auf die Maßstabplatte 2 eingestrahlte Messlicht. In der gezeigten Stellung von 2 sind dies je ein Beugungsspalt BS1, BS2, BS3 in jeder Schlitzreihe 6a, 6b, 6c. Die effektive Breite b1, b2, b3 jedes so definierten Beugungsspalts BS1, BS2, BS3 variiert proportional zum Verfahrweg x zwischen null und der Maßstabschlitzbreite d. Dies führt zu entsprechenden, detektierbaren Änderungen der sich durch die Beugungsspalte BS1, BS2, BS3 für das hindurchtretende Messlicht ergebenden Beugungsmuster, wobei sich bei der im Fall von 2 beispielhaft gewählten Schlitzdimensionierung für jede Schlitzreihe 6a, 6b, 6c in jeder beliebigen x-Relativstellung des Ab tastschlitzes 5 nur ein Überlappungs- und damit Beugungsspalt und folglich ein Einzelspalt-Beugungsmuster ergibt.
Solche Einzelspalt-Beugungsmuster sind vergleichsweise einfach auszuwerten. Eine weiter erleichterte Auswertung ist gegeben, wenn das Messlicht, wie in 2 gezeigt, für jede Schlitzreihe 6a, 6b, 6c je einen Messlichtstrahl 4a, 4b, 4c mit unterschiedlichen Wellenlängen beinhaltet. Dazu sind die Messlichterzeugungsmittel 3 von 1 entsprechend ausgerüstet, z.B. mit je einem im roten sichtbaren Wellenlängenbereich, einem im grünen sichtbaren Wellenlängenbereich und einem im blauen sichtbaren Wellenlängenbereich emittierenden Laser und mit einem geeigneten optischen System, um die Messlichtstrahlen 4a, 4b, 4c dieser drei Laser auf je eine der Schlitzreihen 6a, 6b, 6c zu richten.
Wenn der Verschiebewegbereich bzw. die Verfahrlänge größer als die Abmessungen der Messlichtstrahlen 4a, 4b, 4c ist, sind die Messlichterzeugungsmittel zur geeigneten Nachführung der Messlichtstrahlen 4a, 4b, 4c mit der Relativbewegung x der Abtastplatte 1 gegenüber der Maßstabplatte 2 eingerichtet. Hierzu können sie für kleinere Verstellstrecken z.B. ein Getriebe aus Festkörpergelenken zur Nachstellung der Laser beinhalten. Bei größeren Verstellstrecken können sie einen Spiegel aufweisen, der hinter der Maßstabplatte 2 verfahrbar derart angeordnet ist, dass er fest mit der Abtastplatte 1 mitbewegt wird und die Messlichtstrahlen 4a, 4b, 4c stets in den Bereich des Abtastschlitzes 5 einkoppelt.
Bei der Einzelspaltbeugung besitzt das Maximum nullter Ordnung eine verglichen mit den Nebenmaxima sehr hohe Intensität und kann auch in seiner Breitenausdehnung relativ einfach detektiert werden. Wenn man als seine Breite B den Abstand der beiden angrenzenden Beugungsminima erster Ordnung wählt, so gilt für diese in Abhängigkeit von der effektiven Beugungsspaltbreite b die Beziehung B = 2 ⋅ L ⋅ tan(arcsin (λ/b)) bei gegebener Lichtwellenlänge λ und gegebenem Abstand L des Detektors 7 vom Spalt, d.h. hier von der Anordnung aus Maßstabplatte 2 und dicht benachbarter Abtastplatte 1.
Aus dieser Beziehung lässt sich ableiten, dass durch eine Messung dieser Breite B des Einzelspalt-Beugungsmaximums nullten Ordnung in der Praxis ohne weiteres eine Bestimmung der effektiven Beugungsspaltbreite b und damit des Verfahrweges x mit einer Auflösung in der Größenordnung bis herunter zu etwa 1 nm möglich ist. 3 veranschaulicht den oben angegebenen Zusammenhang zwischen der Breite B des Einzelspalt-Beugungsmaximums nullter Ordnung in Abhängigkeit von der Beugungsspaltbreite b im Spaltbreitenbereich von 0,95μm bis 1,65μm bei einer typischen Wellenlänge λ im sichtbaren Bereich und einem Detektorabstand L von 1 cm. Die Zahlenangaben an beiden Achsen sind in Meter. Betrachtet man die Pixelgröße von gegenwärtig erhältlichen CCD-Arrays als Auflösungsgrenze, so lässt sich ableiten, dass für Spaltbreiten b bis etwa 1,1 μm (b ≤ 1,1 μm) Spaltbreitenänderungen Δb und damit Verfahrwegänderungen Δx von etwa 1 nm problemlos aufgelöst werden können. In diesem Bereich ist die Kennlinie der Maximumbreite B in Abhängigkeit von der Spaltbreite b ausreichend steil. Je nach Bedarf kann für eine weiter gesteigerte Auswertung zusätzliche Beugungsinformation aus den weiter außen liegenden Nebenmaxima und Nebenminima herangezogen werden.
4 veranschaulicht in einer schematischen Detailansicht das Lichtbeugungsverhalten in einer ungefähr derjenigen von 2 entsprechenden Relativstellung von Abtastplatte 1 und Maßstabplatte 2. Der erste Beugungsspalt BS1 ist durch eine vollständige Freigabe des zugehörigen Maßstabschlitzes 6b durch den Abtastschlitz 5 definiert und beugt den durch ihn hindurchtretenden Messlichtstrahl 4a, in 4 gestrichelt wiedergegeben, mit der entsprechenden Spaltbreite b=d. Die beiden anderen Beugungsspalte BS2, BS3 beugen den jeweils zugehörigen Messlichtstrahl 4b, 4c, in 4 strichpunktiert bzw. durchgezogen gezeichnet, wegen der nur teilweisen Schlitzüberlappung mit reduzierter Spaltbreite b<d und somit größerer zugehöriger Breite B des Beugungsspaltmaximums nullter Ordnung. Das CCD-Array 7 empfängt eine entsprechende Beugungsinformationsmenge M, die insbesondere die Informationen über den Beugungsverlauf jedes der drei gebeugten Messlichtstrahlen 4a, 4b, 4c, z.B. eines roten, grünen und blauen gebeugten Strahls, in x-Richtung enthält. In diesen ist wiederum unter anderem die Breite B, d.h. die x-Ausdehnung, jedes zugehörigen Beugungsmaximus nullter Ordnung enthalten.
Aus 4 ist weiter ersichtlich, dass der Abtastschlitz 5 mit geschrägter Randkante 9 gebildet ist, vorzugsweise mit einem Schrägwinkel von ca. 60°. Eine solche Schrägkante kann z.B. aus einer einkristallinen Siliziumplatte herausgeätzt werden, aus der die Abtastplatte 1 bestehen kann. Diese Maßnahme reduziert etwaige Störeinflüsse aufgrund der endlichen Ausdehnung der Spaltkanten, wie z.B. „schiefe" Doppelbrechung. Zur weiteren Reduktion solcher Störeinflüsse ist ein hohes Maß an Ebenheit gerade auch der Maßstabplatte 2 anzustreben. Dazu kann diese bevorzugt aus einer Glasplatte gefertigt sein, in welche die Schlitzanordnung 6 geätzt wird und die anschließend auf eine vorgegebene Rautiefe von z.B. nicht größer als 0,1μm eben poliert wird. Die Abtastplatte 1 wird möglichst nahe an der Maßstabplatte 2 geführt, z.B. auf zwei Punkten entlang einer Kante auf der Ebene der Maßstabplatte oder mit direkter Ebenenberührung. Optional kann ein elastisches Andrücken mittels Federn zwecks Spielverhinderung vorgesehen sein.
Die Beugungsinformationsmenge M, die vom CCD-Array 7 durch Erfassung des gebeugten Lichts geliefert wird, wird dann von der Auswerteeinheit 8 geeignet ausgewertet. Eine mögliche Realisierung einer solchen Auswerteeinheit zeigt 5. In diesem Ausführungsbeispiel wer den die vom CCD-Array 7 gelieferten Rohdaten M einer Eingangsstufe 10 eines neuronalen Netzwerks 11 zugeführt, das daraus an einer Ausgangsstufe 12 rohe Positions- und/oder Weglängendaten X' bereitstellt. Diese werden in einer Korrektorstufe 13 einer Wertkorrektur unterzogen, um dann am Ausgang 14 die gesuchten Positions- bzw. Weglängendaten X bereitzustellen. Die Wertkorrektur erfolgt anhand von abgelegten Kalibrierdaten 15, aus denen zu den ermittelten Positions- bzw. Weglängendaten X eine positionsabhängige Kalibrierkurve 16 ermittelt wird, mit der die vom neuronalen Netz gelieferten Rohdaten X' abgeglichen werden. Die Auswerteeinheit kann z.B. als ASIC ausgeführt sein. Es versteht sich, dass je nach Anwendungsfall auch eine einfachere oder komplexere, andersartige Auswertung möglich ist.
Des weiteren versteht sich, dass je nach Anwendungsfall eine andere als die gezeigte Schlitzdimensionierung gewählt werden kann, von der dann im allgemeinen auch die Art der Auswertung durch die Auswerteeinheit 8 abhängt. Beispielsweise kann die Abtastschlitzbreite T statt wie erwähnt auf den doppelten Wert der Maßstabschlitzbreite d auf jeden anderen geeigneten Wert vorgegeben werden, z.B. auf 3d oder 4, 7d. Es können sich dann gegebenenfalls pro Maßstabschlitzreihe 6a, 6b, 6c überlagerte Beugungsmuster ergeben, indem zwei oder mehr Maßstabschlitze 6 einer jeweiligen Schlitzreihe 6a, 6b, 6c mit dem Abtastschlitz 5 ganz oder teilweise überlappen. In weiteren alternativen Ausführungsformen der Erfindung sind Maßstabplatten mit nur zwei Schlitzreihen oder mit mehr als drei Schlitzreihen vorgesehen. Wenngleich die Wahl einer gegenüber der Maßstabschlitzbreite d größeren Abtastschlitzbreite T sehr vorteilhaft ist, sind auch Abtastschlitzbreiten kleiner als die Maßstabschlitzbreite möglich. So kann z.B. eine Abtastschlitzbreite gleich der halben Maßstabschlitzbreite, d.h. T = d/2, in Kombination mit drei Maßstabschlitzreihen vorgesehen sein, bei denen in jeder Reihe der Schlitzabstand D gleich der Abtastschlitzbreite T ist und benachbarte Reihen um den Wert des Schlitzabstands D gegeneinander verschoben sind.
In einer weiteren vorteilhaften Variante, wie sie in einem Beispiel in 6 dargestellt ist, wird die Beugungsinformation in y-Richtung, die ebenfalls in der vom zweidimensionalen CCD-Array 7 aufgenommenen Beugungsinformationsmenge M enthalten ist, zusätzlich zur Bestimmung der x-Position herangezogen, wozu ein Querversatz der Maßstabschlitze innerhalb einer jeweiligen Reihe 6a, 6b, 6c vorgesehen ist. Speziell ist dies im Beispiel von 6 dadurch realisiert, dass in der linken Schlitzreihe 6a eine gewisse Anzahl von aufeinanderfolgenden Schlitzen 17, 18, 19, 20 um jeweils einen vorgegebenen Querversatz dy in y-Richtung gegeneinander versetzt sind, bevor dann ein nächster, im Beispiel von 6 fünfter Schlitz 21 wieder die y-Lage des ersten Schlitzes 17 einnimmt und weitere Schlitze 22 wieder um den Querversatz dy versetzt sind.
Entlang der jeweiligen Gruppe von gegeneinander in y-Richtung versetzten Schlitzen 17 bis 20 der linken Schlitzreihe 6a ist folglich eine absolute x-Positionsbestimmung mit einer Auflösung in der Größenordnung des Schlitzabstands D durch Auswertung der y-Lage des Beugungsmusters möglich, das sich durch Überlappung des Abtastschlitzes 5 mit einem dieser quer versetzten Maßstabschlitze 17 bis 20 ergibt. Zur Unterscheidbarkeit der x-Position bezüglich jedes vierten, sich in der y-Lage entsprechenden Schlitzes 17, 21 bzw. 18, 22 der linken Schlitzreihe 6a sind in der mittleren Schlitzreihe 6b die Schlitze ab Höhe des fünften Schlitzes 21 der linken Reihe 6a gegenüber den vorigen um wiederum einen vorgegebenen Querversatz dy1 versetzt, der demjenigen der Schlitze 17 bis 22 in der linken Reihe 6a entsprechen oder davon verschieden sein kann. Dies kann bei gegenüber 6 erweiterter Schlitzanzahl pro Reihe 6a, 6b, 6c fortgesetzt werden, bis auch die Schlitze der dritten Reihe 6c querversetzt sind.
Schon mit dieser einfachen Maßnahme können bei Fortsetzung der drei Schlitzreihen 6a, 6b, 6c von 6 um weitere Schlitze bis zu 4³=64 aufeinanderfolgende x-Intervalle von jeweils der Größenordnung des Schlitzabstands D in ihrer x-Absolutposition erkannt werden. Außerdem erlaubt dies eine Erkennung der Bewegungsrichtung. Da in der Praxis schon ein Querversatz in der Größenordnung von 0,01 mm problemlos detektierbar ist, können auch mehr als wie gezeigt vier Schlitze aufeinanderfolgend querversetzt sein, bevor sich die y-Position für zwei Schlitze einer Schlitzreihe wiederholt, so dass noch weit mehr x-Intervalle in ihrer Absolutposition erkannt werden können, wenn hierfür Bedarf besteht. Hierbei kann optional diese x-Absolutposition an einem entsprechenden Glasmaßstab genau abgelesen werden, der vom Lasermesslicht beleuchtet wird, das dann vorzugsweise mit dem Abtastschlitz 5 mitbewegt wird. Des weiteren kann die so erfasste x-Absolutposition auch als Zuordnung für eine Kalibriertabelle verwendet werden, welche die Kalibrierdaten für die Auswerteeinheit von 5 enthält.
Alternativ zu dem gezeigten und beschriebenen Querversatz kann zur absoluten x-Positionsbestimmung auch vorgesehen sein, die Größe und/oder Form der Maßstabschlitze zu ändern. Auch Kombinationen beider Maßnahmen sind möglich.
Die oben erläuterten Ausführungsformen machen deutlich, dass die Erfindung mit relativ geringem Aufwand eine Vorrichtung zur vergleichsweise präzisen optoelektronischen Wegmessung im Submikrometerbereich bereitstellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich für alle entsprechenden Anwendungen, insbesondere auch solchen, bei denen neben einer Erfassung der relativen Verschiebelänge eine absolute Positionsbestimmung und/oder Bewegungsrichtungserkennung benötigt wird, wie bei hochgenauen Justiersystemen und Messmaschinen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere auch für An wendungen, die geringe Rauschbreiten erfordern, wie als Wegmessaufnehmer in Regelstrecken mit Submikrometer-Regelung und für Messaufgaben im Nanometerbereich, wie sie bei der Justierung und Vermessung optischer Systeme, bei Maschinen für die Montage von Mikrosystemen und bei Fertigungsmaschinen in der Halbleiterproduktion auftreten. Ein solcher Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Z-Manipulatoren, mit denen Optikkomponenten in optischen Systemen für die Halbleiterfertigung entlang der optischen Achse verschoben werden.

Claims

Vorrichtung zur optoelektronischen Wegmessung mit – Mitteln (3) zur Erzeugung von Messlicht (4), – einer Maßstabplatte (2) und einer Abtastplatte (1 ), die parallel und im Messlichtstrahlengang hintereinander in einer zu ihren Plattenebenen parallelen Verschiebewegrichtung (x) relativbeweglich angeordnet sind, – einer Sensoreinheit (7) zur Abtastung von durch die Maßstab- und die Abtastplatte hindurchgetretenem Messlicht (4a) und Abgabe eines entsprechenden Sensorsignals und – einer Auswerteeinheit (8) zur Ermittlung des Verschiebeweges (x) zwischen Maßstabplatte und Abtastplatte anhand des Sensorsignals, dadurch gekennzeichnet , dass – die Maßstabplatte (2) wenigstens zwei quer zur Verschiebewegrichtung (x) nebeneinander liegende und in der Verschiebewegrichtung gegeneinander versetzte Reihen (6a, 6b, 6c) von in der Verschiebewegrichtung aufeinander folgenden, quer verlaufenden Maßstabschlitzen (6) aufweist, – die Abtastplatte (1) einen sich quer über alle Schlitzreihen erstreckenden Abtastschlitz (5) aufweist, der durch teilweise oder vollständige Überlappung mit einem oder mehreren Maßstabschlitzen einen jeweiligen Beugungsspalt (BS1, BS2, BS3) bildet, wobei die Breite (d) der Maßstabschlitze und die Breite (T) des Abtastschlitzes sowie der Maßstabschlitzabstand (D) so dimensioniert sind, dass eine Verschiebewegänderung (Δx) in jeder Relativstellung (x) von Maßstabplatte und Abtastplatte zu einer Änderung der Spaltbreite (b) wenigstens eines der durch die teilweise oder vollständige Überlappung des Abtastschlitzes mit einem jeweiligen Maßstabschlitz gebildeten Beugungsspalte führt, und – die Sensoreinheit (7) und die Auswerteeinheit (8) zur Detektion von Lichtbeugungsinformation, die im empfangenen Meßlicht (4a) enthalten ist, und zur Verschiebewegbestimmung aus dieser Lichtbeugungsinformation eingerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastschlitzbreite (T) nicht größer als der Maßstabschlitzabstand (D) gewählt ist und/oder die Schlitzreihen (6a, 6b, 6c) jeweils um höchstens die Maßstabschlitzbreite (d) gegeneinander versetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (7) und die Auswerteeinheit (8) zur Erfassung und Auswertung der Breite (B) des Beugungsmaximum nullten Ordnung für den jeweils gebildeten Beugungsspalt (BS1, BS2, BS3) eingerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Messlichterzeugungsmittel (3) Messlichtstrahlen (4a, 4b, 4c) unterschiedlicher Wellenlänge für die verschiedenen Schlitzreihen (6a, 6b, 6c) bereitstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der aufeinanderfolgenden Maßstabschlitze (17 bis 22) innerhalb einer oder mehrerer Schlitzreihen (6a, 6b, 6c) mit gegenseitigem Querversatz angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Maßstabplatte (2) aus einer Glasplatte gefertigt ist, aus der die Maßstabschlitze (6) herausgeätzt sind und die auf eine vorgegebene Rautiefe, insbesondere eine Rautiefe von nicht mehr als etwa 0,1μm, poliert ist und/oder der Abtastschlitz (5) mit einer Schrägkante (9) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Messlichterzeugungsmittel (3) so ausgelegt sind, dass das von ihnen bereitgestellte Messlicht mit der Relativbewegung von Maßstabplatte und Abtastplatte mitbewegt wird.