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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Eine derartige Vorrichtung ist z. B. aus der
DE 10 2007 016 774 A1 bekannt. Diese umfasst eine Lichtquelle sowie ein Abtastelement bzw. eine Abtastplatte in Form einer transparenten Glasplatte. Auf der Glasplatte sind erste Aufspaltmittel angeordnet, die das von der Lichtquelle emittierte Strahlenbündel in mindestens ein Messstrahlenbündel und mindestens ein Referenzstrahlenbündel aufspalten. Ferner ist ein in Richtung der Ausbreitungsrichtung der Strahlenbündel beabstandet angeordneter Reflektor vorgesehen. Über ein oder mehrere Detektorelemente werden die resultierenden Interferenzsignale erfasst. Die Interferenzsignale entstehen hierbei aus der Überlagerung eines Messstrahlenbündels und eines Referenzstrahlenbündels. Das Messstrahlenbündel propagiert in Richtung des Reflektors und wird von dort zur Abtastplatte zurückreflektiert. Das Referenzstrahlenbündel wird ausschließlich in der Abtastplatte geführt und schließlich mit dem Messstrahlenbündel zur interferierenden Überlagerung gebracht. Aus den hieraus gewonnenen Interferenzsignalen lässt sich in bekannter Art und Weise der Abstand zwischen der Abtastplatte und dem Reflektor bzw. die Abstandsänderungen zwischen diesen Komponenten ermitteln. Derartige Vorrichtungen können etwa in Halbleiter-Fertigungseinrichtungen eingesetzt werden, um z. B. neben den über herkömmliche Positionsmesseinrichtungen gewonnenen zweidimensionalen Verschiebeinformationen bzgl. eines Wafertisches zusätzliche Informationen bzgl. einer eventuellen Verkippung desselben zur Verfügung zu stellen. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung aus der
DE 10 2007 016 774 A1 ist nunmehr, dass das Mess- und das Referenzstrahlenbündel unterschiedliche Weglängen in verschiedenen Medien durchlaufen; insbesondere propagiert hierbei das Referenzstrahlenbündel nahezu ausschließlich in der Abtastplatte. Wenn sich daher für das in Luft propagierende Messstrahlenbündel aufgrund von Temperatur-, Druck- oder Feuchtigkeitsänderungen Schwankungen in der Wellenlänge der von der Lichtquelle gelieferten Strahlung resultieren, so hat dies Fehler bei der Abstandsbestimmung zur Folge, da als Mess-Normal eben diese Wellenlänge fungiert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur interferentiellen Abstandmessung zu schaffen, die auch im Fall von schwankenden Umgebungsbedingungen Fehlmessungen möglichst vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass sowohl das Messstrahlenbündel als auch das Referenzstrahlenbündel entlang verschiedener optischer Wege in Richtung des Reflektors propagieren. Dort erfolgt eine Rückreflexion in Richtung der Abtastplatte, wo an einem Vereinigungsort das Messstrahlenbündel und das Referenzstrahlenbündel zur interferierenden Überlagerung gelangen. Über das mindestens eine Detektorelement ist ein erstes Abstandssignal aus den interferierenden Strahlenbündeln bezüglich des Abstands zwischen der Abtastplatte und dem Reflektor detektierbar.
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Vorzugsweise erfolgt über die ersten Aufspaltmittel der Abtastplatte eine Aufspaltung in zwei Messstrahlenbündel und in ein Referenzstrahlenbündel. Die Abtastplatte umfasst ferner zweite Aufspaltmittel, die das Referenzstrahlenbündel in zwei Teil-Referenzstrahlenbündel aufspalten. Die zwei Messstrahlenbündel als auch die zwei Teil-Referenzstrahlenbündel propagieren jeweils entlang verschiedener optischer Wege in Richtung des Reflektors, wo eine Rückreflexion in Richtung der Abtastplatte erfolgt. Dort gelangen an zwei Vereinigungsorten je ein Messstrahlenbündel und ein Teil-Referenzstrahlenbündel zur interferierenden Überlagerung. Über mindestens zwei Detektorelemente sind ein erstes und ein zweites Abstandssignal aus den jeweils interferierenden Strahlenbündeln bezüglich des Abstands zwischen der Abtastplatte und dem Reflektor detektierbar.
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Ferner ist hierbei eine Signalverarbeitungseinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, aus der arithmetischen Mittelung von aus den ersten und zweiten Abstandssignalen erzeugten Abstandswerten einen von eventuellen Verkippungen des Reflektors unabhängigen Abstandswert zwischen der Abtastplatte und dem Reflektor zu bestimmen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn über mehrere Detektorelemente mehrere zueinander phasenverschobene Abstandssignale detektierbar sind.
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Mit Vorteil besteht die Abtastplatte aus einer transparenten Glasplatte, auf deren dem Reflektor abgewandten Seite die ersten Aufspaltmittel angeordnet sind.
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Es ist möglich, dass auf der dem Reflektor zugewandten Seite der Glasplatte die zweiten Aufspaltmittel angeordnet sind.
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Die Aufspaltmittel können als Transmissions-Beugungsgitter ausgebildet sein.
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Vorzugsweise sind die Lichtquelle, das mindestens eine Detektorelement, die Abtastplatte sowie die Signalverarbeitungseinheit gemeinsam in einer Abtast-Baueinheit angeordnet.
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Desweiteren ist es möglich, dass am Vereinigungsort ein Vereinigungsgitter angeordnet ist, welches die darauf einfallenden, interferierenden Strahlenbündel in mehrere Paare von Strahlenbündeln aufspaltet, die in unterschiedliche Raumrichtungen propagieren. In diesen Raumrichtungen ist jeweils ein Detektorelement angeordnet. Die Gitterparameter des Vereinigungsgitters sind hierbei dergestalt gewählt, dass über die Detektorelemente mehrere phasenverschobene Abstandssignale detektierbar sind.
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Es ist desweiteren möglich, dass die ersten Aufspaltmittel derart ausgebildet sind, dass die darüber aufgespaltenen Messstrahlenbündel und Referenzstrahlenbündel orthogonal zueinander polarisiert sind.
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Hierbei können die ersten Aufspaltmittel als polarisierende Gitter ausgebildet sein.
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Ferner ist es möglich, dass zwischen dem Vereinigungsort und den zugeordneten mehreren Detektorelementen mehrere polarisationsoptische Bauelemente derart angeordnet sind, dass über die Detektorelemente mehrere phasenverschobene Abstandssignale detektierbar sind.
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Desweiteren kann vorgesehen werden, dass am Vereinigungsort ein Vereinigungsgitter und zwischen dem Vereinigungsgitter und den mehreren Detektorelementen die folgenden Komponenten angeordnet sind:
- – eine Lambda/4-Platte, die unter einem Winkel von 45° zu den senkrecht zueinander polarisierten Mess- und Referenzstrahlenbündeln angeordnet ist, die am Vereinigungsgitter zur Überlagerung gelangen;
- – ein der Lambda/4-Platte nachgeordnetes Aufspaltgitter, über welches das darauf einfallende Strahlenbündel in mehrere Teilstrahlenbündel aufspaltet, die jeweils in Richtung der Detektorelemente propagieren;
- – ein vor jedem Detektorelement angeordnetes Polarisationsfilter,
wobei die Orientierungen der Polarisationsfilter für die verschiedenen Teilstrahlenbündel derart unterschiedlich gewählt sind, dass über die Detektorelemente mehrere phasenverschobene Abstandssignale detektierbar sind.
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Ferner kann vorgesehen werden, dass die ersten Aufspaltmittel als Gitter mit einer ersten Teilungsperiode ausgebildet sind, die zweiten Aufspaltmittel als Gitter mit einer zweiten Teilungsperiode ausgebildet sind und am Vereinigungsort ein Vereinigungsgitter mit einer dritten Teilungsperiode angeordnet ist. Die Teilungsperioden sind derart verschieden voneinander gewählt, dass auf dem Detektorelement ein periodisches Vernierstreifenmuster resultiert.
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Desweiteren ist es möglich, dass der Reflektor aus einem transparenten Trägerkörper ausgebildet ist, auf dessen der Abtastplatte zugewandten Seite ein Transmissionsgitter angeordnet ist und auf der hierzu entgegengesetzten Seite eine Reflexionsschicht angeordnet ist.
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Als besonders vorteilhaft ist bezüglich der erfindungsgemäßen Lösung zu erwähnen, das sowohl das Mess- als auch das mindestens eine Referenzstrahlenbündel bzw. Teil-Referenzstrahlenbündel, die am Vereinigungsort zur interferierenden Überlagerung kommen, in einem bevorzugten Sollabstand grundsätzlich die gleichen optischen Weglängen zurücklegen. Dies hat zur Folge, dass alle an der Signalgewinnung beteiligten Strahlenbündel entlang der im Messspalt zurückgelegten optischen Wegstrecken ähnlichen Umgebungseinflüssen (Temperatur-, Druck, Feuchtigkeitsänderungen) ausgesetzt sind, insbesondere den gleichen Brechungsindexschwankungen in Luft. Als Konsequenz daraus lassen sich Fehlmessungen aufgrund von resultierenden Wellenlängenschwankungen weitestgehend vermeiden. Diese würden etwa in der eingangs diskutierten Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik resultieren, wenn lediglich ein Teil dieser Strahlenbündel derart beeinflusst würde. Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen resultiert somit eine deutlich höhere Messgenauigkeit.
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Ferner ist zu erwähnen, dass bei allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sichergestellt ist, dass die phasenverschobenen Abstandssignale einer Abtastung alle von der gleichen Position des Reflektors abgeleitet werden. Bei der eingangs diskutierten Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ergeben sich insbesondere im Fall einer Verkippung des Reflektors unterschiedliche Auftrefforte der Messstrahlenbündel unterschiedlicher Phase auf dem Reflektor. Dies wiederum hat Fehlmessungen zur Folge, während die Abstandsmessung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in diesem Fall nicht beeinträchtigt wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit den Figuren erläutert.
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Es zeigt
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1 eine schematisierte Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung der Abtast-Baueinheit der Vorrichtung aus 1;
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3 eine schematisierte Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 eine schematisierte Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 den Abtaststrahlengang einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in Verbindung mit allen Ausführungsformen eingesetzt werden kann.
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Bevor anhand der verschiedenen Figuren nachfolgend diverse unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung im Detail beschrieben werden, sei vorab das gemeinsame Grundprinzip aller Varianten erläutert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung umfasst zum einen eine Lichtquelle, eine Abtastplatte mit ersten Aufspaltmitteln, die das von der Lichtquelle emittierte Strahlenbündel in mindestens ein Messstrahlenbündel und mindestens ein Referenzstrahlenbündel aufspalten sowie ein oder mehrere Detektorelemente. In einer möglichen Ausführungsform sind zusätzlich noch zweite Aufspaltmittel sowie eine Signalverarbeitungseinheit vorgesehen. Desweiteren kann vor der Lichtquelle noch eine Kollimatorlinse angeordnet werden. Diese Komponenten sind vorzugsweise gemeinsam in einer Abtast-Baueinheit angeordnet. Zum anderen gehört zur erfindungsgemäßen Vorrichtung noch ein Reflektor, der beabstandet zur Abtast-Baueinheit bzw. beabstandet zu den restlichen Komponenten angeordnet ist. Der Raum zwischen der Abtast-Baueinheit und dem Reflektor sei nachfolgend auch als Messspalt bezeichnet. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich über eine interferentielle Abstandsmessung die Distanz bzw. eine Distanzänderung zwischen der Abtast-Baueinheit und den darin angeordneten Komponenten einerseits und dem Reflektor andererseits hochpräzise ermitteln.
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Zur interferentiellen Abstandsmessung ist über die Anordnung und/oder Ausgestaltung der verschiedenen Komponenten der Abtast-Baueinheit zu gewährleisten, dass ein Messstrahlenbündel als auch ein Referenzstrahlenbündel bzw. Teil-Referenzstrahlenbündel im Messspalt entlang unterschiedlicher optischer Wege in Richtung des Reflektors propagieren; grundsätzlich durchlaufen hierbei alle zur interferierenden Überlagerung gelangenden Strahlenbündel entlang des zurückgelegten Weges i. w. die gleichen Medien. Vom Reflektor werden die Mess- und Referenzstrahlenbündel zurück in Richtung der Abtast-Baueinheit bzw. der darin angeordneten Komponenten reflektiert. An einem Vereinigungsort in der Abtast-Baueinheit gelangen das Messstrahlenbündel und das Referenzstrahlenbündel schließlich zur interferierenden Überlagerung. Über das mindestens eine Detektorelement, welches dem Vereinigungsort in Lichtausbreitungsrichtung nachgeordnet ist, kann ein interferentielles Abstandssignal erfasst werden, wenn sich der Abstand zwischen der Abtast-Baueinheit und den darin angeordneten Komponenten und dem Reflektor ändert. Das interferentielle Abstandssignal resultiert hierbei aufgrund der bei einer Abstandsänderung sich unterschiedlich stark ändernden durchlaufenen optischen Wege der Mess- und Referenzstrahlenbündel.
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Die Begriffe Mess- und Referenzstrahlenbündel bzw. Teilreferenzstrahlenbündel für die zur Interferenz gelangenden Strahlenbündel sind hier im übrigen willkürlich gewählt, da beide Strahlenbündel in einem bestimmten Sollabstand den gleichen optischen Weg durchlaufen und vom gleichen Auftreffort des Reflektors zurück zur Abtast-Baueinheit reflektiert werden. Die Bezeichnung der zur Signalgewinnung genutzten Strahlenbündel könnte demzufolge natürlich auch vertauscht werden.
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Das derart gewonnene, interferentielle Abstandssignal ist ein Maß für ggf. resultierende Abstandsänderungen. In der einfachsten Ausführungsform fungiert die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung demzufolge als relativ-messendes System. Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einem absolut-messenden System auszubauen, indem etwa Abstandsmessungen mit verschiedenen Lichtquellen-Wellenlängen erfolgen und diese Messungen gemäß dem bekannten Nonius-Prinzip zur Bestimmung einer absoluten Distanz zwischen der Abtast-Baueinheit und dem Reflektor ausgewertet werden.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich grundsätzlich, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgebildet wird, dass über die erfindungsgemäße Vorrichtung mittels zwei interferierender Mess- und Referenzstrahlenbündel-Paare zwei separate Abstandssignale erzeugt werden. Diese Abstandssignale besitzen Signalperioden, die abhängig vom jeweiligen Verkippwinkel des Reflektors sind. Um stets den korrekten Abstand zwischen der Abtast-Baueinheit bzw. den darin angeordneten Komponenten und dem Reflektor zu bestimmen, ist vorgesehen, über eine Signalverarbeitungseinheit eine arithmetische Mittelung der aus den beiden Abstandssignalen resultierenden Abstandswerte, einen Abstandswert zu erzeugen, der unabhängig vom Verkippwinkel zwischen Reflektor und Abtast-Baueinheit bzw. Abtastplatte ist. Auf diese Art und Weise lässt sich auch bei eventuellen Verkippungen des Reflektors eine korrekte Abstandsbestimmung gewährleisten.
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Weiterhin kann mit Hilfe der beiden Abstandssignale eine Information über eine eventuelle Verkippung des Reflektors um eine Achse gewonnen werden, welche parallel zu den Strichen der Teilungen auf der Abtastplatte orientiert ist. Hierzu wird über die Signalverarbeitungseinheit die Differenz der aus den Abstandssignalen erzeugten Abstandswerte gebildet und durch den Abstand zwischen den Auftreffpunkten auf dem Reflektor dividiert.
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Über die erfindungsgemäße Vorrichtung kann nunmehr insbesondere die Wellenlängenabhängigkeit der Abstandssignale deutlich minimiert werden. Dies ist maßgeblich auf den gewählten Strahlengang der Mess- und Referenzstrahlenbündel sowie die definierte Ausbildung bestimmter Komponenten in der Abtast-Baueinheit zurückzuführen. Darüber lässt sich sicherstellen, dass die zur Interferenz gelangenden Mess- und Referenzstrahlenbündel für einen vorgegebenen Soll-Abstand identische optische Weglängen zurücklegen. Eventuelle Drifts der Lichtquellen-Wellenlänge als auch ggf. schwankende Umgebungsbedingungen und damit zusammenhängende Wellenlängenschwankungen haben nunmehr keinen Einfluss mehr auf die Messgenauigkeit.
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Um bei der Relativ-Messung auch Informationen bzgl. der Richtung der erfolgenden Abstandsänderung verfügbar zu haben, ist grundsätzlich die Erzeugung mehrerer phasenverschobener Abstandssignale erforderlich. So können etwa drei um jeweils 120° phasenverschobene Abstandssignale oder aber von vier um jeweils 90° zueinander phasenverschobene Abstandssignale erzeugt werden. Zur Erzeugung phasenverschobener Abstandssignale stehen grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Die nachfolgend im Detail erläuterten Ausführungsbeispiele der 1, 2 und 3 sowie 4 unterscheiden sich i. w. durch die Art der Erzeugung der phasenverschobenen Abstandssignale in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die abschließend anhand von 5 erläuterte Strahlengangvariante lässt sich grds. mit allen drei vorgeschlagenen Möglichkeiten zur Erzeugung phasenverschobener Abstandssignale realisieren.
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Anhand der 1 und 2 sei nunmehr eine erste konkrete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert, die ein erstes Prinzip zur Erzeugung phasenverschobener Abstandssignale nutzt. 1 zeigt hierbei in schematischer Form die zur Abstandsmessung genutzten Abtaststrahlengänge; 2 in vergrößerter Ansicht die Abtast-Baueinheit dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Wie bereits oben angedeutet, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung eine Abtast-Baueinheit 10 mit einer Reihe darin angeordneter Komponenten sowie einen im Abstand Z davon beabstandeten Reflektor 20, ausgebildet als Planspiegel. In der Abtast-Baueinheit 10 befindet sich eine Lichtquelle 11 sowie eine Abtastplatte 17, bestehend aus einer transparenten Glasplatte 15 mit darauf angeordneten ersten Aufspaltmitteln 12 und zweiten Aufspaltmitteln 13. Die ersten und zweiten Aufspaltmittel 12, 13 sind jeweils als Transmissions-Beugungsgitter ausgebildet mit einer geeignet gewählten ersten und zweiten Teilungsperiode TP_1, TP_2. Ebenfalls als Transmissions-Beugungsgitter sind zwei in der Abtast-Baueinheit 10 vorgesehene, der Abtastplatte 17 zugeordnete Vereinigungsgitter 14.1, 14.2 ausgebildet. Die verschiedenen Gitter der Abtastplatte 17 können hierbei als Phasengitter, Amplitudengitter oder aber aus kombinierten Phasen-/Amplitudengittern ausgebildet sein. Den beiden Vereinigungsgittern 14.1, 14.2 nachgeordnet sind jeweils noch drei Detektorelemente 16.1a, 16.1b, 16.1c bzw. 16.2a, 16.2b, 16.2c in der Abtast-Baueinheit 10 vorgesehen.
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Die ersten Aufspaltmittel 12, d. h. das entsprechende Transmissions-Beugungsgitter, sowie die beiden Vereinigungsgitter 14.1, 14.2 sind auf der Oberseite der transparenten Glasplatte 15 der Abtastplatte 17 angeordnet, d. h. auf der dem Reflektor 20 abgewandten Seite. Die Gitterstriche der Transmissions-Beugungsgitter der ersten Aufspaltmittel 12 und der Vereinigungsgitter 14.1, 14.2 erstrecken sich mit ihrer Längsachse in der angegebenen y-Richtung und sind periodisch in der angegebenen x-Richtung angeordnet. Die Teilungsperiode TP_1 des Transmissions-Beugungsgitters der ersten Aufspaltmittel 12 beträgt in einer möglichen Ausführung TP_1 = 4 μm; die Teilungsperiode TP_V der Vereinigungsgitter 14.1, 14.2 wird gemäß TP_V = 4 μm gewählt.
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Die zweiten Aufspaltmittel 13, ebenfalls ausgebildet als Transmissions-Beugungsgitter, sind auf der Unterseite der Glasplatte 15 der Abtastplatte 17 angeordnet, die dem Reflektor 20 zugewandt ist. Wie aus 1 ersichtlich, erstreckt sich dieses Transmissions-Beugungsgitter entlang der x-Richtung nahezu über die ganze Länge der Unterseite der Abtastplatte 17. Die Gitterorientierung ist identisch zur Orientierung der verschiedenen Gitter auf der Oberseite der Abtastplatte 17 gewählt, d. h. die Gitterstriche des Transmissions-Beugungsgitters der zweiten Aufspaltmittel 13 erstrecken sich in y-Richtung und sind periodisch mit der Teilungsperiode TP_2 entlang der x-Richtung angeordnet. In einer möglichen Ausführungsform beträgt TP_2 = 4 μm.
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Im Folgenden sei der Abtaststrahlengang zur Erzeugung der drei phasenverschobenen Abstandssignale S2_0, S2_120, S2_240 auf den Detektorelementen 16.2a, 16.2b, 16.2c erläutert. Das von der Lichtquelle 11 emittierte Strahlenbündel trifft zunächst auf die ersten Aufspaltmittel 12, wo eine Aufspaltung in zwei Messstrahlenbündel M1, M2 sowie ein Referenzstrahlenbündel R erfolgt; der Strahlengang des Referenzstrahlenbündels ist in 1 strichliniert dargestellt. Über die als Transmissions-Beugungsgitter ausgebildeten ersten Aufspaltmittel 12 erfolgt hierbei eine Beugung in eine 0. (Referenzstrahlenbündel R) sowie in +/–1. Beugungsordnungen (Messstrahlenbündel M2, M1). Die verschiedenen aufgespaltenen Strahlenbündel M1, M2 und R propagieren nach der Aufspaltung in Richtung des Reflektors 20.
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Das Referenzstrahlenbündel R trifft dann auf die zweiten Aufspaltmittel 13 auf der Unterseite der Abtastplatte 17, wo eine Aufspaltung in zwei Teil-Referenzstrahlenbündel R1, R2 erfolgt, die sich anschließend weiter in Richtung des Reflektors 20 ausbreiten. Über die ebenfalls als Transmissions-Beugungsgitter ausgebildeten zweiten Aufspaltmittel 13 erfolgt hierbei eine Aufspaltung des Referenzstrahlenbündels R in eine +.1 Beugungsordnung (Teil-Referenzstrahlenbündel R1) sowie in eine –1. Beugungsordnung (Teil-Referenzstrahlenbündel R2).
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Das Teil-Referenzstrahlenbündel R2 trifft schließlich am Auftreffort A2 auf den Reflektor 20. Vom Auftreffort A2 erfolgt die Rückreflexion des Teil-Referenzstrahlenbündels R2 in Richtung der Abtast-Baueinheit 10 bzw. der Abtastplatte 17. Nach einer erneuten Beugung am Transmissions-Beugungsgitter der zweiten Aufspaltmittel 13 an der Unterseite der Abtastplatte 17 propagiert das zur Signalgewinnung genutzte Teil-Referenzstrahlenbündel R2 in Richtung des Vereinigungsorts V2 auf der Oberseite der Abtastplatte 17, wo das Vereinigungsgitter 14.2 angeordnet ist.
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Das von den ersten Aufspaltmitteln 12 erzeugte, rechte Messstrahlenbündel M2 wird über das Transmissions-Beugungsgitter der zweiten Aufspaltmittel 13 an der Unterseite der Abtastplatte 17 gebeugt und propagiert dann anschließend senkrecht in Richtung des Reflektors 20. Es trifft ebenfalls am Auftreffort A2 auf den Reflektor 20 auf und wird dann wieder in Richtung der Abtastplatte 17, d. h. in die Einfallsrichtung, zurückreflektiert. Am Transmissions-Beugungsgitter der zweiten Aufspaltmittel an der Unterseite der Abtastplatte 17 erfolgt eine weitere Beugung, bevor das zur Signalgewinnung genutzte Messstrahlenbündel M2 ebenfalls in Richtung des Vereinigungsorts V2 auf der Oberseite der Abtastplatte 17 propagiert.
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Am Vereinigungsort V2 kommen schließlich das Messstrahlenbündel M2 sowie das Teil-Referenzstrahlenbündel R2 nach dem Durchlaufen der unterschiedlichen Strahlwege zur interferierenden Überlagerung. Über das am Vereinigungsort V2 platzierte Vereinigungsgitter 14.2 mit der geeignet gewählten Teilungsperiode TP_V werden jeweils drei Paare interferierender Strahlenbündel in drei Raumrichtungen aufgespalten. In den entsprechenden drei Raumrichtungen sind beabstandet vom Vereinigungsgitter 14.2 drei nachgeordneten Detektorelemente 16.2a, 16.2b, 16.2c platziert. Über die Detektorelemente 16.2a, 16.2b, 16.2c werden im Fall einer Änderung des Abstands Z drei um 120° phasenverschobene, periodische Abstandssignale S2_0, S2_120, S2_240 erfasst. Die Phasenbeziehung zwischen den drei erzeugten Abstandssignalen S2_0, S2_120, S2_240 wird hierbei in bekannter Art und Weise über die Wahl der Gitterparameter des Vereinigungsgitters 14.2 eingestellt. Dies kann etwa durch die geeignete Wahl der Stegbreiten und Ätztiefen erfolgen, wenn dieses Gitter als Phasengitter ausgebildet ist.
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Ebenfalls in bekannter Art und Weise lässt sich aus den Abstandssignalen S2_0, S2_120, S2_240 dann ein Abstandswert Z2 bzgl. des Abstands zwischen dem Reflektor 20 und der Abtast-Baueinheit 10 bestimmen. Grundsätzlich ist auf diese Art und Weise der zu ermittelnde Abstand zwischen der Abtast-Baueinheit 10 und dem Reflektor bzw. Abstandsänderungen zwischen diesen Komponenten erfasst.
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Wie aus 1 ersichtlich, erfolgt zur nochmaligen Steigerung der Messgenauigkeit analog zur vorhergehenden Beschreibung ferner die Erzeugung weiterer dreier phasenverschobener Abstandssignale S1_0, S1_120, S1_240 bzw. eines weiteren Abstandswerts Z1 über die Detektorelemente 16.1a, 16.1b, 16.1c. Hierzu werden am Vereinigungsort V1 auf der Abtastplatte 17 das zweite Messstrahlenbündel M1 und das zweite Teil-Referenzstrahlenbündel R1 zur interferierenden Überlagerung gebracht. Über die nachgeordneten drei Detektorelemente 16.1a, 16.1b, 16.c werden wiederum drei phasenverschobene, periodische Abstandssignale S1_0, S1_120, S1_240 erfasst, aus denen ein weiterer Abstandswert Z1 erzeugbar ist.
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Die an den beiden Ausgängen der Vorrichtung bzw. den jeweils drei Detektorelementen 16.1a, 16.1b, 16.1c und 16.2a, 16.2b, 16.2c anliegenden periodischen Abstandssignale S1_0, S1_120, S1_240 bzw. S2_0, S2_120, S2_240 weisen aufgrund der gewählten Abtaststrahlengänge Signalperioden SP1, SP2 auf, die abhängig vom Kippwinkel des Reflektors 20 um eine Achse sind, die senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist. Um möglichst unabhängig von diesem Kippwinkel einen korrekten Abstandswert Z zu erzeugen, ist eine arithmetische Mittelung der beiden Abstandswerte Z1, Z2 erforderlich. Dies geschieht über eine in 2 angedeutete Signalverarbeitungseinheit 19 gemäß der nachfolgenden Beziehung: Z = (Z1 + Z2)/2 (Gl. 1)
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung des Abtaststrahlengangs hervorgeht, durchlaufen somit bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der Aufspaltung des von der Lichtquelle 11 erzeugten Strahlenbündels über die ersten Aufspaltmittel 12 die zur Interferenz gelangenden Mess- und Teilreferenzstrahlenbündel M2, R2 bzw. M1, R1 entlang der zurückgelegten Wegstrecken zwischen den ersten Aufspaltmitteln 12 und den Vereinigungsgittern 14.1, 14.2 im Sollabstand jeweils die gleichen optischen Weglängen. Dies hat wie bereits oben erwähnt zur Folge, dass Umwelteinflüsse auf die Abstandssignale S1_0, S1_120, S1_240 bzw. S2_0, S2_120, S2_240 und damit deren Wellenlängenabhängigkeit minimiert werden kann. Ein eventueller Messfehler aufgrund eines verkippten Reflektors lässt sich über die erläuterte Erzeugung von zwei Abstandswerten Z1, Z2 aus den phasenverschoben Abstandssignalen S1_0, S1_120, S1_240 bzw. S2_0, S2_120, S2_240 und der Erzeugung eines korrigierten Abstandswerts Z aus der arithmetischen Mittelung über die Abstandswerte Z1, Z2 vermeiden.
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Die Abtast-Baueinheit 10 der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 2 vergrößert dargestellt. Neben der Abtastplatte 17 ist in dieser Darstellung ein Trägerelement 18 erkennbar, auf dem neben den sechs Detektorelementen 16.1a, 16.1b, 16.1c und 16.2a, 16.2b, 16.2c noch die Lichtquelle 11 sowie die Signalverarbeitungseinheit 19 angeordnet ist. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Lichtquelle eine Laserdiode 11.1 sowie eine vorgeordnete Kollimatoroptik 11.2; die Laserdiode emittiert Strahlung mit der Wellenlänge λ = 785 nm. Alternativ könnte anstelle der Laserdiode etwa auch eine geeignete LED zum Einsatz kommen.
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Ferner ist in der Abtast-Baueinheit 10 die schon oben erwähnte Abtastplatte 17 angeordnet, die i. w. eine transparente Glasplatte 15 umfasst, auf deren Ober- und Unterseite die ersten und zweiten Aufspaltmittel 12, 13 und die beiden Vereinigungsgittern 14.1, 14.2 angeordnet sind. Diese sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils als Transmissions-Beugungsgitter ausgebildet, die identische Teilungsperioden TP_1 = TP_2 = TP_V aufweisen.
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Eine zweite Möglichkeit, wie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere phasenverschobene Abstandssignale erzeugbar sind, sei nachfolgend anhand des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst wiederum eine Abtast-Baueinheit 110 sowie einen Reflektor 120, deren Abstand Z zu bestimmen ist. Nachfolgend sei i. w. nur auf die maßgeblichen Unterschiede zur ersten beschriebenen Ausführungsform eingegangen. Diese bestehen primär in der Art und Weise der Erzeugung der jeweils drei phasenverschobenen Abstandssignale S1_0, S1_120, S1_240 bzw. S2_0, S2_120, S2_240 aus den beiden Abtastungen. So ist nunmehr im Unterschied zur vorherigen Variante eine sog. polarisationscodierte Erzeugung der phasenverschobenen Abstandssignale S1_0, S1_120, S1_240 bzw. S2_0, S2_120, S2_240 vorgesehen.
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Hierzu wird das von der Lichtquelle 111 emittierte Strahlenbündel über die ersten Aufspaltmittel 112 in ein Referenzstrahlenbündel R sowie zwei Messstrahlenbündel M1, M2 aufgespalten. Die Polarisationsvektoren des Referenzstrahlenbündels R einerseits und Messstrahlenbündel M1, M2 andererseits sind wie in 3 angedeutet orthogonal zueinander orientiert. Die ersten Aufspaltmittel 112 in Form eines Transmissions-Beugungsgitters sind zu diesem Zweck als polarisierende Gitter ausgebildet. Die von einem solchen Gitter in die einerseits 0. Beugungsordnung und andererseits in die +/–1. Beugungsordnungen aufgespaltenen Strahlenbündel besitzen bei einer geeigneten Dimensionierung der Gitterparameter senkrecht zueinander orientierte Polarisationsrichtungen. In Bezug auf derartige polarisationsselektive Gitter sei z. B. auf die Veröffentlichung „Gratings in the resonance domain as polarizing beam splitters" von M. Schmitz, R. Bräuer, O. Bryngdahl in OPTICS LETTERS Vol. 20, No. 17, S. 1830 (1995) verwiesen.
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Nach der erfolgten Aufspaltung über die ersten Aufspaltmittel 112 propagieren die Messstrahlenbündel M1, M2, das Referenzstrahlenbündel R sowie die Teil-Referenzstrahlenbündel R1, R2 bis zur Überlagerung an den Vereinigungsgittern 114.1, 114.2 bzw. an den Vereinigungsorten V1, V2 wie in der vorher beschriebenen, ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Über die verschiedenen resultierenden Beugungen und Reflexionen an den unterschiedlichen Komponenten ändern sich hierbei bis zur Wiedervereinigung an den Vereinigungsorten V1, V2 wie aus 3 ersichtlich die Polarisationsrichtungen der verschiedenen Strahlenbündel nicht mehr. An den Vereinigungsorten treffen daher Strahlenbündel mit orthogonal-orientierter linearer Polarisation wieder aufeinander.
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In einer möglichen Ausführung des zweiten Ausführungsbeispiels werden die Teilungsperioden TP_1, TP_2 und TP_V der ersten und zweiten Aufspaltmittel 112, 113 sowie der Vereinigungsgitter 114.1, 114.2 identisch gemäß TP_1 = TP_2 = TP_V = 2 μm gewählt.
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Von den nach den Vereinigungsgittern 114.1, 114.2 in verschiedene Raumrichtungen gebeugten Paaren von orthogonal polarisierten Strahlenbündeln wird zur Signalgewinnung jeweils nur dasjenige Paar genutzt, das senkrecht in Bezug auf die Vereinigungsgitter 114.1, 114.2 weiterpropagiert. Die entsprechenden Paare von Strahlenbündeln durchlaufen dann jeweils eine Lambda/4-Platte 118.1, 118.2, die unter einem Winkel von 45° zu den Polarisationsrichtungen der senkrecht zueinander polarisierten Strahlenbündel angeordnet ist. Über die Lambda/4-Platten 118.1, 118.2 werden die beiden orthogonal zueinander, linear polarisierten Strahlenbündel in unterschiedlich zirkular polarisierte Strahlenbündel umgewandelt, aus deren Überlagerung ein linear polarisiertes Strahlenbündel resultiert, dessen Polarisationsrichtung von der Phasenlage der unterschiedlich zirkular polarisierten Strahlenbündel abhängt.
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Anschließend gelangt das linear polarisierte Strahlenbündel aus den beiden Abtastungen jeweils auf ein Aufspaltgitter 119.1, 119.2. Die Aufspaltgitter 119.1, 119.2 spalten jeweils die darauf einfallenden Strahlenbündel in drei intensitätsmäßig gleich starke Beugungsordnungen auf. In den Raumrichtungen der aufgespaltenen drei Beugungsordnungen sind dann jeweils die Detektorelemente 116.1a, 116.1b, 116.1c bzw. 116.2a, 116.2b, 116.2c inklusive vorgeordneter linearer Polarisationsfilter 111.1a, 111.1b, 111.1c bzw. 111.2a, 111.2b, 111.2c angeordnet. Die drei Polarisationsfilter 111.1a, 111.1b, 111.1c bzw. 111.2a, 111.2b, 111.2c pro Abtastung sind hierbei unterschiedlich orientiert. So besitzen diese im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Relativorientierung von –60°, 0° und +60° zueinander. An den Detektorelementen 116.1a, 116.1b, 116.1c bzw. 116.2a, 116.2b, 116.2c resultieren dann im Fall von Abstandsänderungen drei um 120° phasenverschobene Abstandssignale S1_0, S1_120, S1_240 bzw. S2_0, S2_120, S2_240. Deren Weiterverarbeitung zu einem kippwinkel-korrigierten Abstandswert Z erfolgt dann wie oben bereits erläutert.
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In einer weiteren alternativen Variante mit einer polarisationscodierten Erzeugung der phasenverschobenen Abstandssignale S1_0, S1_120, S1_240 bzw. S2_0, S2_120, S2_240 wird anstelle der als polarisierend ausgebildeten ersten Aufspaltmittel ein Transmissions-Beugungsgitter wie im ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Dieses übt dann keine polarisationsoptische Wirkung auf das von der Lichtquelle her einfallende, linear polarisierte Strahlenbündel aus, sondern bewirkt lediglich die Aufspaltung in Mess- und Referenzstrahlenbündel. Über eine zusätzliche Lambda/2-Platte, die an der Unterseite der Abtastplatte nur im Bereich des Referenzstrahlenbündels angeordnet ist, wird in dieser Variante bewirkt, dass die von den zweiten Aufspaltmitteln aufgespaltenen Teil-Referenzstrahlenbündel in ihrer Polarisation um 90° gedreht werden. Deren Polarisationsrichtung ist jeweils wiederum orthogonal zu den Polarisationsrichtungen der beiden Messstrahlenbündel orientiert. Weiterhin sind zwei Ausgleichsplatten in den Strahlengängen vorgesehen, um die Gleichheit der optischen Wege der Messstrahlenbündel und der Teil-Referenzstrahlenbündel im Sollabstand herzustellen. Über die gleichen Strahlengangverläufe wie vorab beschrieben, werden dann die beiden Mess- und die beiden Teil-Referenzstrahlenbündel mit orthogonaler Polarisation an den Vereinigungsorten zusammengeführt. Die nachfolgende Signalverarbeitung und Erzeugung der phasenverschobenen Abstandssignale erfolgt analog zum erläuterten Beispiel 3.
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Im Zusammenhang mit der polarisationsoptischen Erzeugung der phasenverschobenen Abstandssignale sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich auch möglich ist, andere Phasenbeziehungen zwischen den Abstandssignalen einzustellen. So können auch vier, um jeweils 90° phasenverschobene Abstandssignale erzeugt werden. Hierzu werden jeweils vier Detektorelemente den Aufspaltgittern 119.1, 119.2 mit zugeordneten Polarisationsfiltern nachgeordnet, die jeweils um 45° zueinander verdreht angeordnet sind.
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Eine dritte Möglichkeit zur Erzeugung mehrerer phasenverschobener Abstandssignale in der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im Folgenden anhand der 4 erläutert.
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Die in 4 dargestellte dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst wie die vorherigen Beispiele eine Abtast-Baueinheit 210 sowie einen Reflektor 220, deren Abstand zueinander zu bestimmen ist. Nachfolgend wird i. w. wieder nur auf die maßgeblichen Unterschiede zu den beiden vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen eingegangen. Diese Unterschiede bestehen erneut primär in der Art und Weise der Erzeugung der phasenverschobenen Abstandssignale S1_0, S1_90, S1_180, S1_270 bzw. S2_0, S2_90, S2_180, S2_270 aus den beiden Abtastungen. Im Unterschied zu den beiden vorherigen Varianten ist nunmehr vorgesehen, ein periodisches Streifenmuster in der Ebene der Detektorelemente 216.1, 216.2 auf Basis des sog. Vernierprinzips zu erzeugen; das entsprechende Streifenmuster wird deshalb nachfolgend auch als Vernierstreifenmuster bezeichnet. Im Fall einer Abstandsänderung zwischen der Abtastbaueinheit 210 und dem Reflektor 220 wandert das erzeugte Vernierstreifenmuster über die Detektorelemente 216.1, 216.2. Diese sind in dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nunmehr nicht wie in den anderen Beispielen als flächige Fotoelemente ausgebildet, sondern als sog. strukturierte Photodetektoren. Hierunter ist eine in x-Richtung periodische Anordnung einer Vielzahl von Fotodetektoren zu verstehen, bei der gleichphasige Fotodetektoren miteinander leitend verbunden werden. Innerhalb einer Periode Λ des erzeugten Vernierstreifenmusters sind im vorliegenden Beispiel vier Fotodetektoren angeordnet. Somit resultieren ausgangsseitig pro Detektorelement 216.1, 216.2 je vier um 90° phasenverschobene, periodische Abstandssignale S1_0, S1_90, S1_180, S1_270 bzw. S2_0, S2_90, S2_180, S2_270. Diese können dann, wie im ersten Beispiel erläutert, weiterverarbeitet werden, um einen korrekten Abstandswert Z zu erzeugen.
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Maßgeblich für die Ausbildung des Vernierstreifenmusters in der Detektionsebene ist in dieser Variante, dass insbesondere die Teilungsperiode TP_1 des Transmissions-Beugungsgitters der ersten Aufspaltmittel 212 geringfügig verschieden von der Teilungsperiode TP_V der Vereinigungsgitter 214.1, 214.2 ausgebildet wird. Ebenso verschieden von diesen beiden Teilungsperioden TP_1, TP_V wird die Teilungsperiode TP_2 des Transmissions-Beugungsgitters der zweiten Aufspaltmittel 213 gewählt. In einer möglichen Ausführungsform werden die verschiedenen Teilungsperioden TP_2, TP_1, TP_V gemäß der nachfolgenden Beziehung gewählt: TP_2 > TP_1 > TP_V (Gl. 2)
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Durch die geeignete Wahl der verschiedenen Teilungsperioden TP_2, TP_1, TP_V lässt sich in grds. bekannter Art und Weise die Periode Λ des erzeugten Vernierstreifenmusters einstellen.
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Typische Zahlenwerte betragen für ein mögliches Ausführungsbeispiel etwa:
TP_2 = 4.096 μm
TP_1 = 4.089 μm
TP_V = 4.057 μm
Λ = 500 μm
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Darüberhinaus ist der grundsätzliche Strahlengang in dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung i. w. identisch zu demjenigen Strahlengang, der bereits im ersten Beispiel der 1 erläutert wurde.
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Abschließend sei anhand von 5 eine Strahlengangvariante für die erfindungsgemäße Vorrichtung erläutert, die sich grds. mit allen drei vorgeschlagenen Möglichkeiten zur Erzeugung phasenverschobener Abstandssignale realisieren lässt.
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Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst wiederum eine Abtast-Baueinheit 310 sowie einen Reflektor 320, deren Abstand zueinander zu bestimmen ist. Während in der dargestellten Figur die Ausbildung der Abtast-Baueinheit 310 und der dort vorgesehene Strahlengang identisch zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel der 4 gewählt ist, unterscheidet sich der Reflektor 320 dieser Variante von diesem Beispiel.
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So besteht der Reflektor 320 nunmehr nicht nur aus einem einfachen Planspiegel, auf den die von der Abtast-Baueinheit 310 kommenden Strahlenbündel einfallen. Vielmehr umfasst der Reflektor einen transparenten Trägerkörper 323, auf dessen Oberseite ein Transmissions-Beugungsgitter 321 und auf dessen Unterseite eine Reflexionsschicht 322 aufgebracht ist.
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Die von der Abtastplatte 317 bzw. von der Abtast-Baueinheit 310 her einfallenden und zur Signalgewinnung genutzten Strahlenbündel durchlaufen jeweils allesamt wie in 5 veranschaulicht zweimal das Transmissions-Beugungsgitter 321 des Reflektors 320 und werden hierbei zweimal in eine 1. Beugungsordnung abgelenkt. Dadurch erfahren diese Strahlenbündel eine zweimalige vorzeichenverschiedene Phasendrehung, so dass auch bei der eventuellen Verschiebung des Reflektors in der x-y-Ebene kein fehlerhaftes Abstandssignal resultiert.
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Als Vorteil einer derartigen Reflektorausbildung ist zunächst anzuführen, dass hier die Abtastplatte 315 des Abtastelements 317 dünner ausgebildet werden kann. Ferner ist die Signalerzeugung unempfindlicher gegen eine eventuelle Verschmutzung des Reflektors 320, da die maßgebliche Reflexion auf der im Inneren des Reflektors 320 liegenden Reflexionsschicht 322 erfolgt. Weiterhin ist es möglich, einen derart ausgebildeten Reflektor in Verbindung mit einem separaten Abtastkopf zur Erzeugung von inkrementellen Verschiebungssignalen in der x-y-Ebene zu verwenden.
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Neben den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007016774 A1 [0002, 0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Gratings in the resonance domain as polarizing beam splitters” von M. Schmitz, R. Bräuer, O. Bryngdahl in OPTICS LETTERS Vol. 20, No. 17, S. 1830 (1995) [0056]
