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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung sowie eine Vorrichtung mit einer derartigen Positionsmesseinrichtung.
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Aus der
EP 1 739 395 A1 ist eine Positionsmesseinrichtung bekannt, die zur hochpräzisen Positionsbestimmung von zueinander beweglichen Objekten geeignet ist. Beispielsweise kann es sich bei diesen Objekten um Maschinenkomponenten in Halbleiter-Fertigungseinrichtungen handeln, deren Relativposition zueinander genau bestimmt werden muss.
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Die bekannte Positionsmesseinrichtung umfasst eine Maßverkörperung sowie eine hierzu in mindestens einer Messrichtung bewegliche Abtasteinheit. In der Abtasteinheit sind eine Reihe unterschiedlicher Elemente zur hochauflösenden optischen Abtastung der Maßverkörperung angeordnet. So sind in den Abtasteinheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele etwa eine Lichtquelle, eine optoelektronische Detektoranordnung sowie ein oder mehrere Abtastplatten mit darauf angeordneten Gitterstrukturen und Reflektorelementen vorgesehen. Für bestimmte Anwendungen ist es möglich, die Lichtquelle und die Detektoranordnung räumlich getrennt von der Abtasteinheit in einer separaten Signaleinheit zu platzieren. Sowohl die Beleuchtungsstrahlenbündel der Abtasteinheit bzw. der Abtastplatte als auch die zu detektierenden Teilstrahlenbündel der Detektoranordnung werden jeweils über Lichtleiter zugeführt. Relativ zueinander beweglich sind in einer derartigen Variante der bekannten Positionsmesseinrichtung demzufolge die Maßverkörperung und die Abtasteinheit mit der Abtastplatte, wobei typischerweise die Maßverkörperung stationär angeordnet ist und die Abtasteinheit beweglich. Zwischen der Abtasteinheit und der separaten Signaleinheit mit Lichtquelle und Detektoranordnung besteht über die vorgesehenen Lichtleiter somit eine mechanische Verbindung bzw. eine mechanische Kopplung. Für Hochpräzisionsanwendungen kann eine derartige mechanische Kopplung der beweglichen Abtasteinheit mit der Signaleinheit, die sich nicht mit der Abtasteinheit mitbewegt, jedoch nachteilig sein und zu Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung führen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung zur hochpräzisen Positionserfassung zu schaffen, bei der die beweglichen Komponenten der Positionsmesseinrichtung möglichst nicht mechanisch mit anderen Komponenten der Positionsmesseinrichtung gekoppelt sind. Gefordert ist zudem eine kompakte Bauweise sowie eine möglichst große Unempfindlichkeit gegenüber Verkippungen einzelner Komponenten der Positionsmesseinrichtung.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
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Eine Vorrichtung mit der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist Gegenstand des Anspruchs 15.
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Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die Strahlenbündel zwischen der Signaleinheit und der Abtasteinheit in beiden Richtungen als Freistrahlen propagieren, ohne dass diese hierbei über zwischengeordnete optische Elemente umgelenkt werden müssen und/oder eine Signalübertragung über Lichtleiter erforderlich wäre. Hierzu sind die Abtasteinheit und die Signaleinheit in zueinander parallelen Ebenen angeordnet; die Ausbreitungsrichtung der Freistrahlen zwischen diesen Einheiten ist senkrecht zu den erwähnten Anordnungsebenen der Abtast- und Signaleinheit orientiert.
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Die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung umfasst eine reflektierende Maßverkörperung, eine Abtasteinheit mit mindestens einem Retroreflektor und eine Signaleinheit mit mindestens einer Lichtquelle und einer Detektoranordnung. Hierbei sind die Abtasteinheit und die Signaleinheit als baulich getrennte Einheiten ausgebildet und die Abtasteinheit ist gegenüber der Maßverkörperung entlang mindestens einer Messrichtung beweglich angeordnet. Mindestens ein von der Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel propagiert als Freistrahl von der Signaleinheit in Richtung der Abtasteinheit propagiert; von der Abtasteinheit propagieren mindestens ein Paar interferierender Teilstrahlenbündel als Freistrahlen in Richtung Signaleinheit. Die Abtasteinheit und die Signaleinheit sind in zueinander parallelen Ebenen angeordnet. Die Ausbreitungsrichtung zumindest eines Teils der Freistrahlen zwischen Signaleinheit und Abtasteinheit ist senkrecht zu diesen Ebenen orientiert
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Vorzugsweise sind die Ebenen, in denen die Abtasteinheit und die Signaleinheit angeordnet sind, parallel zur Ebene der Maßverkörperung orientiert.
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Es kann vorgesehen werden, dass die Detektoranordnung in der Signaleinheit mehrere optoelektronische Detektorelemente umfasst, denen mindestens eine in der Signaleinheit angeordnete Linse vorgeordnet ist, welche die in Richtung der Detektorelemente propagierenden Freistrahlen auf die Detektorelemente fokussiert.
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Es ist möglich, dass das mindestens eine Paar interferierender Teilstrahlenbündel jeweils kollinear mit zueinander orthogonaler Polarisation von der Abtasteinheit in Richtung Signaleinheit als Freistrahlen propagiert.
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Mit Vorteil erfährt das mindestens eine Paar interferierender Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit jeweils eine Überlagerung und eine Aufspaltung in mindestens zwei resultierende Teilstrahlenbündel, die getrennt von der Abtasteinheit in Richtung Signaleinheit als Freistrahlen propagieren.
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In einer möglichen Ausführungsform durchtritt der von der Lichtquelle zur Abtasteinheit propagierende Freistrahl die Abtasteinheit unabgelenkt in Richtung der Maßverkörperung.
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Die Abtasteinheit kann ferner ein Aufspaltelement und die Signaleinheit zwei Detektoranordnungen umfassen, so dass nach der Aufspaltung des von der Lichtquelle her einfallenden Strahlenbündels über das Aufspaltelement zwei asymmetrische Abtaststrahlengänge resultieren und über die beiden Detektoranordnungen Abtastsignale erfassbar sind, über die eine gleichzeitige Positionsbestimmung entlang mindestens einer lateralen als auch entlang einer vertikalen Verschieberichtung der Abtasteinheit gegenüber der Maßverkörperung möglich ist.
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Der Retroreflektor in der Abtasteinheit kann als Linse-Spiegel-Retroreflektor ausgebildet sein und die Abtasteinheit ein transparentes, planparalleles Trägersubstrat umfassen, auf dessen der Maßverkörperung zugewandten Seite mindestens erste und zweite Linsenelemente und auf dessen der Maßverkörperung abgewandten Seite mindestens ein Reflektorelement angeordnet ist.
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Hierbei können die ersten und zweiten Linsenelemente als auf dem Trägersubstrat aufgebrachte diffraktive Linsen ausgebildet sein.
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Ferner kann das Reflektorelement als auf dem Trägersubstrat aufgebrachte Reflexionsschicht ausgebildet sein, dessen reflektierende Seite in Richtung der Linsenelemente orientiert ist.
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Es ist hierbei möglich, dass
- - die ersten Linsenelemente auf die durchlaufenden Teilstrahlenbündel beim Durchlaufen eine Ablenkwirkung sowie eine zumindest teilfokussierende Wirkung zum Reflektorelement hin ausüben und
- - die zweiten Linsenelemente auf die durchlaufenden Teilstrahlenbündel beim Durchlaufen eine Ablenkwirkung sowie eine zumindest teilkollimierende Wirkung ausüben.
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Die ersten und zweiten Linsenelemente können eine Brennweite besitzen, die dem optischen Abstand zwischen den Linsenelementen und dem Reflektorelement entspricht.
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Desweiteren ist es möglich, dass der Retroreflektor in der Abtasteinheit als Dachkantprisma ausgebildet ist, dessen Dachkante in Messrichtung orientiert ist.
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Ferner kann vorgesehen werden, dass die Lichtquelle und/oder die Detektorelemente außerhalb der Signaleinheit angeordnet und mittels optischer Fasern mit der Signaleinheit verbunden sind.
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In einer Vorrichtung mit der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung kann vorgesehen werden, dass
- - die Maßverkörperung ortsfest angeordnet ist und
- - die Abtasteinheit auf einem Feinpositionierungstisch angeordnet ist, der die Abtasteinheit gegenüber der Maßverkörperung mindestens entlang der Messrichtung positioniert und
- - die Signaleinheit auf einem Grobpositionierungstisch angeordnet ist, der die Signaleinheit gegenüber der Maßverkörperung mindestens entlang der Messrichtung positioniert.
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Vorzugsweise ist von den über die Positionierungstische beweglichen Einheiten lediglich die Signaleinheit über Kabelverbindungen mit nachgeordneten ortsfesten Komponenten verbunden.
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Es kann hierbei vorgesehen sein, dass
- - die Maßverkörperung oberhalb des Feinpositionierungstisches angeordnet ist und
- - der Feinpositionierungstisch oberhalb des Grobpositionierungstisches angeordnet ist.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann nunmehr auf eine Verbindung der Abtasteinheit mit der Signaleinheit über Lichtleiter verzichtet werden. Auf diese Art und Weise lassen sich ansonsten resultierende Störkräfte auf die bewegliche Abtasteinheit nahezu vollständig minimieren. Über die gewählte Führung der Freistrahlen zwischen der Abtasteinheit und der Signaleinheit, die insbesondere keine mit der Abtasteinheit verbundene Strahlumlenkung über Spiegel oder dgl. erfordert, ergeben sich minimale optische Weglängen für die Freistrahlen. Dadurch lassen sich ggf. resultierende Fehler bei der Positionsbestimmung im Fall von eventuellen Verkippungen von Abtasteinheit und Maßverkörperung minimieren.
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Darüberhinaus ergeben sich weitere Vorteile in Bezug auf die Baugröße der Abtasteinheit. Da für die robuste bzw. störunempfindliche Übertragung mehrerer Freistrahlen eine entsprechend große Ein- und Austrittsfläche auf Seiten der Abtasteinheit benötigt wird, ist es besonders vorteilhaft, diese Flächen parallel zur Abtastfläche auf der Maßverkörperung anzuordnen, die bei hohen Genauigkeitsansprüchen ebenfalls ausgedehnt sein muss. Eine zusätzliche Vergrößerung der Abtasteinheit senkrecht zur Abtastfläche kann damit vermieden werden.
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Auch bei ggf. nötig werdenden schnellen Abbremsvorgängen, beispielsweise in Notfallsituationen, ergeben sich erhebliche Vorteile, wenn kurzzeitig große laterale Verschiebungen der Abtasteinheit parallel zur Abtastfläche auftreten können. Da die Komponenten der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung parallel zu dieser Verschieberichtung angeordnet sind, kann eine gegenseitige Berührung dieser Komponenten und damit eine Beschädigung derselbigen vermieden werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren erläutert.
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Es zeigt
- 1 eine schematisierte Ansicht einer Vorrichtung mit der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
- 2a - 2c verschiedene Ansichten einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
- 3a - 3c verschiedene Ansichten einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
- 4a - 4c verschiedene Ansichten einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
- 5a - 5c verschiedene Ansichten einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
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In 1 ist in stark schematisierter Form eine Vorrichtung dargestellt, in der die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung in vorteilhafter Weise zum Einsatz kommen kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Halbleiter-Fertigungseinrichtung handeln, die einen ortsfesten Rahmen 1 mit einer Maschinenkomponente 2 besitzt. Als ortsfeste Maschinenkomponente 2 kann z.B. ein Werkzeug in Form eines Mikroskops oder eines Lithographie-Objektivs vorgesehen sein. Gegenüber dem ortsfesten Rahmen 1 bzw. der Maschinenkomponente 2 mindestens entlang einer Messrichtung x beweglich angeordnet ist ein Grobpositionierungstisch 39 sowie ein darauf angeordneter Feinpositionierungstisch 29. Auf dem Feinpositionierungstisch 29 ist ein Objekt 28 platziert, das gegenüber der ortsfesten Maschinenkomponente 2 präzise positioniert werden muss. Die Grob-Positionierung des Objekts 28 erfolgt hierbei über den Grobpositionierungstisch 39, die Feinpositionierung über den auf dem Grobpositionierungstisch 39 angeordneten Feinpositionierungstisch 29. Zur Positionierung der beiden -tische 29, 39 in gestapelter Anordnung dienen Linearantriebe, die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht in 1 dargestellt sind.
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An der ortsfesten Maschinenkomponente 2 ist eine reflektierende Maßverkörperung 10 der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung befestigt, deren abzutastende Fläche in Richtung des Feinpositionierungstisches 29 orientiert ist. Die Maßverkörperung 10 besteht aus einer in ein oder zwei Messrichtungen x, y periodischen Anordnung von Teilungsbereichen mit unterschiedlichen optischen Reflexionseigenschaften. Beispielsweise ist die Maßverkörperung 10 als ein- oder zweidimensionale Auflicht-Phasenteilung ausgebildet. Nachfolgend sei aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung von einer sich in Messrichtung x erstreckenden, eindimensionalen Maßverkörperung 10 ausgegangen, über die eine Relativbewegung des Objekts 28 gegenüber der ortsfesten Maschinenkomponente 2 entlang der Messrichtung x erfassbar ist. Selbstverständlich kann die Maßverkörperung 10 alternativ hierzu aber auch als zweidimensionales Kreuzgitter ausgebildet sein, wenn zusätzlich eine Positionserfassung in der zur x-Richtung senkrecht-orientierten zweiten Messrichtung y erfolgen soll.
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Auf dem unterhalb der Maßverkörperung 10 vorgesehenen Feinpositionierungstisch 29 ist eine Abtasteinheit 20 der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung angeordnet, die mindestens einen Retroreflektor umfasst. Unterhalb des Feinpositionierungstisches 29 ist der Grobpositionierungstisch 39 mit einer Signaleinheit 30 der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung angeordnet, welche mindestens eine Lichtquelle sowie eine Detektoranordnung aufweist. Sowohl die Abtasteinheit 20 als auch die Signaleinheit 30 sind in 1 nur stark schematisiert angedeutet; eine genauere Beschreibung derselbigen erfolgt anhand der weiteren Figuren.
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Desweiteren ersichtlich ist aus 1, dass von den beweglichen Einheiten der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung, d.h. von der Abtasteinheit 20 und der Signaleinheit 30, lediglich die auf dem Grobpositionierungstisch 39 angeordnete Signaleinheit 30 über Kabelverbindungen 40.1, 40.2 mit den nachgeordneten ortsfesten Komponenten der Vorrichtung, also mit dem Rahmen 1 oder damit gekoppelten Maschinenkomponenten, verbunden ist. Keine Kabelverbindung und damit auch keine mechanische Kopplung mit ortsfesten Komponenten ist in Bezug auf die Abtasteinheit 20 auf dem Feinpositionierungstisch 29 vorgesehen. Über die Kabelverbindungen 40.1, 40.2 erfolgt etwa die Stromversorgung der Signaleinheit 30 und/oder die Zuführung der über die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung erzeugten positionsabhängigen Abtastsignale zu einer nachgeordneten - nicht dargestellten - Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit steuert auf Basis der Abtastsignale die präzise Positionierung des Objekts 28 in der Vorrichtung.
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Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung, die in einer Vorrichtung wie in 1 dargestellt, zum Einsatz kommen kann, wird nachfolgend anhand der 2a - 2c im Detail beschrieben. Die 2a und 2b zeigen hierbei jeweils in schematisierter Form Teil-Abtaststrahlengänge in der x-z-Ebene, während 2c eine Ansicht des Abtaststrahlengangs in der y-z-Ebene zeigt. In 2a ist der Teil-Abtaststrahlengang von der Lichtquelle 131 in der Signaleinheit 130 bis zum Retroreflektor 121 in der Abtasteinheit 120 dargestellt, 2b veranschaulicht den Teil-Abtaststrahlengang vom Retroreflektor 121 in der Abtasteinheit 120 bis zu den optoelektronischen Detektorelementen 134.1 - 134.3 der Detektoranordnung in der Signaleinheit 130.
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Im Folgenden sei zunächst der Abtaststrahlengang der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung anhand der 2a - 2c beschrieben.
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Das von der Lichtquelle 131, z.B. einer Laserdiode, emittierte linear polarisierte Strahlenbündel wird zunächst über eine Kollimatorlinse 132 kollimiert, d.h. in ein paralleles Strahlenbündel umgewandelt. Sowohl die Lichtquelle 131 als auch die Kollimatorlinse 132 sind in der Signaleinheit 130 angeordnet. Das kollimierte Strahlenbündel propagiert sodann als Freistrahl von der Signaleinheit 130 zur baulich getrennten Abtasteinheit 120 und durchtritt die Abtasteinheit 120 unabgelenkt in Richtung der Maßverkörperung 110. Das Strahlenbündel trifft dann an einem ersten Auftreffort P1 ein erstes Mal auf die Maßverkörperung 110. Beim ersten Auftreffen des Strahlenbündels auf der Maßverkörperung 110 erfolgt eine Aufspaltung des einfallenden Strahlenbündels in zwei Teilstrahlenbündel, die als +/- 1. Beugungsordnungen in Richtung der Abtasteinheit 120 zurückreflektiert werden.
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In der Abtasteinheit 120 durchlaufen die zurückreflektierten Teilstrahlenbündel zunächst transmittive Abtastgitter 122.1, 122.2, die auf einer Abtastplatte 123 angeordnet sind. Über die Abtastgitter 122.1, 122.2 erfolgt die Parallelausrichtung der beiden Teilstrahlenbündel, die dann auf einen Retroreflektor 121 gelangen. Dieser ist im vorliegenden Beispiel als refraktives Element in Form eines Dachkantprismas ausgebildet, dessen Dachkante in Messrichtung x orientiert ist. Vom Retroreflektor 121 werden die Teilstrahlenbündel in y-Richtung versetzt wieder in die Einfallsrichtung zurückreflektiert und treffen erneut auf die Abtastgitter 122.1, 122.2 auf der Abtastplatte 123. Das Dachkantprisma fungiert aufgrund der Dachkanten-Ausrichtung in Messrichtung x demzufolge in y-Richtung als Retroreflektor.
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Über die Abtastgitter 122.1, 122.2 erfolgt eine Ablenkung der Teilstrahlenbündel in Richtung der optischen Achse des Gesamtsystems hin zu einem zweiten Auftreffort P2 auf der Maßverkörperung 110. Der zweite Auftreffort P2 ist hierbei in der Maßverkörperungsebene in y-Richtung versetzt gegenüber dem ersten Auftreffpunkt P1, wie dies z.B. aus 2c ersichtlich ist. Vor dem zweiten Auftreffen auf der Maßverkörperung 110 durchlaufen die Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit 120 noch polarisationsoptische Bauelemente 123.1, 123.2 in Form von λ/4-Plättchen, so dass ein Teilstrahlenbündel darüber links-zirkular und das andere Teilstrahlenbündel rechts-zirkular polarisiert wird.
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Am zweiten Auftreffort P2 auf der Maßverkörperung 110 gelangen die darauf eintreffenden Teilstrahlenbündel zur Überlagerung und werden als Paar interferierender Teilstrahlenbündel in z-Richtung zurück zur Abtasteinheit 120 reflektiert. Das Paar interferierender Teilstrahlenbündel durchläuft sodann unabgelenkt die Abtasteinheit 120 und propagiert als Freistrahlen von der Abtasteinheit 120 in Richtung der Signaleinheit 130. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel propagiert das mindestens eine Paar interferierender Teilstrahlenbündel kollinear mit zueinander orthogonaler, zirkularer Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel von der Abtasteinheit 120 zur Signaleinheit 130.
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In der Signaleinheit 130 trifft das Paar interferierender Teilstrahlenbündel zunächst auf ein transmittives Aufspaltgitter 131, das eine Aufspaltung in drei weitere Teilstrahlenbündel bewirkt, die in drei unterschiedlichen Raumrichtungen zu einer Linse 135 weiterpropagieren; über die Linse 135 erfolgt hierbei eine Fokussierung der Teilstrahlenbündel auf die nachgeordneten optoelektronischen Detektorelemente 134.1 - 134.4. Nach dem Durchlaufen der Linse 135 durchtreten die drei Teilstrahlenbündel jeweils geeignet orientierte Polarisatoren 133.1 - 133.3, bevor diese auf den drei optoelektronischen Detektorelementen 134.1 - 134.3 auftreffen, an denen im Fall der Relativbewegung von Maßverkörperung 110 und Abtasteinheit/Signaleinheit 120/130 drei um je 120° phasenverschobene Abtastsignale resultieren, die von einer Auswerteeinheit weiterverarbeitbar sind.
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Maßgeblich für die vorliegende Erfindung ist nunmehr nicht vorrangig der der Signalerzeugung zugrundeliegende Abtaststrahlengang, wie er anhand der ersten Ausführungsform vorab beispielhaft erläutert wurde, sondern die Anordnung der verschiedenen Komponenten der Positionsmesseinrichtung in den verschiedenen Einheiten, respektive in der Abtasteinheit 120 und in der Signaleinheit 130 bzw. die Relativanordnung dieser Einheiten zueinander.
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So ist zum einen entscheidend, dass das von der Lichtquelle 131 emittierte Strahlenbündel auf dem Hinweg zum ersten Auftreffort P1 auf der Maßverkörperung 110 als Freistrahl von der Signaleinheit 130 in Richtung Abtasteinheit 120 propagiert und beim Rückweg vom zweiten Auftreffort P2 zur Detektoranordnung die interferierenden Teilstrahlenbündel ebenfalls als Freistrahlen von der Abtasteinheit 120 in Richtung Signaleinheit 130 propagieren.
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Durch die parallel zur optischen Achse ausgerichteten Freistrahlen zwischen der Signaleinheit 130 und der Abtasteinheit 120 können in z-Richtung große Montage- und Betriebstoleranzen zugelassen werden, ohne dass darüber die Abtastsignale beeinträchtigt werden. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn die Position des Feinpositionierungstischs 29 aus 1 gegenüber dem Grobpositionierungstisch 39 in z-Richtung durch entsprechende Aktuatoren einstellbar ist. Dabei resultierende Verschiebungen der Signaleinheit 130 und der Abtasteinheit 120 in x- und y-Richtung führen aber zu Strahlverschiebungen. Eine entsprechend große Linse 135 vor den Detektorelementen 134.1 - 134.3 stellt dann sicher, dass die beiden interferierenden Teilstrahlenbündel stets vollständig auf die Detektorelemente 134.1 - 134.3 fokussiert werden. Da der Fokusort unabhängig von den oben erwähnten Strahlverschiebungen unbeeinflusst bleibt, lassen sich durch die Fokussierung über die Linse 135 kleine und damit schnelle optoelektronische Detektorelemente 134.1 - 134.3 verwenden.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Abtasteinheit 120 und die Signaleinheit 130 in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind; im vorab erläuterten ersten Ausführungsbeispiel sind diese Ebenen zudem parallel zur Ebene der Maßverkörperung 110 angeordnet. Die Ausbreitungsrichtung zumindest eines Teils der zwischen Abtasteinheit 120 und Signaleinheit 130 propagierenden Freistrahlen ist hierbei jeweils senkrecht zu diesen Ebenen orientiert.
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Über diese Maßnahmen, die auch in Verbindung mit anderen Abtaststrahlengängen gemäß den noch folgenden Ausführungsbeispielen genutzt werden können, resultieren die maßgeblichen - eingangs bereits erwähnten - Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung wie die Minimierung von Störkräften auf die Abtasteinheit, Verkippungsunempfindlichkeit, Reduzierung der Baugröße etc..
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Wie aus den 2a - 2c ersichtlich, ist lediglich eine Verbindung der Signaleinheit 130 über Kabelverbindungen 140.1, 140.2 mit den ortsfesten Maschinenkomponenten erforderlich. So wird über die Kabelverbindung 140.1 die Lichtquelle 131 mit Strom versorgt, über die Kabelverbindungen 140.2 werden die resultierenden Abtastsignale der Detektorelemente 134.1 - 134.3 einer nachgeordneten, ortsfesten Auswerteeinheit zugeführt. Mechanisch hingegen völlig entkoppelt von den ortsfesten Maschinenkomponenten ist die bewegliche Abtasteinheit 120.
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Insbesondere die Wahl der verschiedenen Anordnungsebenen für die Abtasteinheit 120 und die Signaleinheit 130 sowie das Weglassen jeglicher optischer Elemente zwischen diesen Einheiten ist maßgeblich für minimale optische Weglängen im Abtaststrahlengang. Hierdurch können die Hebelarme bei eventuellen Verkippungen der Abtasteinheit 120 und/oder der Signaleinheit 130 gegenüber der Maßverkörperung 110 minimiert werden, was eventuelle Signalfehler in diesem Fall erheblich verringert.
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Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung wird anhand der 3a - 3c erläutert. Die Darstellungen der verschiedenen Teil-Abtaststrahlengänge in den jeweiligen Ansichtsebenen entsprechen denjenigen aus dem ersten Ausführungsbeispiel. Nachfolgend wird i.w. nur auf die maßgeblichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
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Einer der Unterschiede besteht im vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel in der Ausbildung des Retroreflektors 221 in der Abtasteinheit 220. So ist der Retroreflektor 220 nunmehr als Linse-Spiegel-Retroreflektor ausgebildet, wie dies etwa aus der eingangs erwähnten
EP 1 739 395 A2 der Anmelderin bekannt ist. Der Retroreflektor 220 umfasst hierbei ein transparentes, planparalleles Trägersubstrat, auf dessen der Maßverkörperung 210 zugewandten Seite erste Linsenelemente 222.1, 222.2 und zweite Linsenelemente 222.3, 222.4 und auf dessen der Maßverkörperung 210 abgewandten Seite Reflektorelemente 221.1, 221.2 angeordnet sind. Die ersten und zweiten Linsenelemente 222.1, 222.2 bzw. 222.3, 221.4 sind als auf dem Trägersubstrat aufgebrachte Gitterstrukturen bzw. diffraktive Linsen ausgebildet, die Reflektorelemente 222.1, 222.2 als auf dem Trägersubstrat aufgebrachte Reflexionsschichten, deren reflektierende Seiten jeweils in Richtung der zugeordneten, darüber befindlichen Linsenelemente 222.1, 222.2, 222.3, 222.4 orientiert sind.
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Die ersten und zweiten Linsenelemente 222.1, 222.2 bzw. 222.3, 221.4 üben beim jeweiligen Durchgang der der Teilstrahlenbündel jeweils eine definierte Linsenwirkung auf die Teilstrahlenbündel aus.
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Über die ersten Linsenelemente 222.1, 222.2 resultiert wie aus 3a ersichtlich hierbei beim Durchlaufen auf die aufgespaltenen Teilstrahlenbündel eine antiparallel zur Einfallsrichtung orientierte Ablenkwirkung in Messrichtung x; die beiden Teilstrahlenbündel werden somit parallel zur optischen Systemachse ausgerichtet. Über die ersten Linsenelemente 222.1, 222.2 werden die beiden Teilstrahlenbündel ferner senkrecht zur Messrichtung zum jeweiligen Reflektorelement 222.1, 222.2 hin teilfokussiert.
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Beim Durchlaufen der zweiten Linsenelemente 222.3, 222.4 üben diese auf die jeweiligen Teilstrahlenbündel zum einen eine ablenkende Wirkung in Messrichtung x zum zweiten Auftreffpunkt P2 auf der Maßverkörperung 210 hin aus. Desweiteren resultiert noch eine zumindest teilkollimierende optische Wirkung auf die durchlaufenden Strahlenbündel, die senkrecht zur Messrichtung x orientiert ist.
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Die ersten und zweiten Linsenelemente 222.1, 222.2, 222.3, 222.4 besitzen im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils eine Brennweite, die dem optischen Abstand zwischen dem jeweiligen Linsenelement 222.1, 222.2, 222.3, 222.4 und dem zugeordneten Reflektorelement 221.1, 221.2 entspricht.
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Als weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist eine alternative Ausbildung der Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der phasenverschobenen Abtastsignale zu erwähnen. So ist wie aus 3b ersichtlich vorgesehen, das Paar interferierender Teilstrahlenbündel, das vom zweiten Auftreffort P2 auf der Maßverkörperung 210 in Richtung Abtasteinheit 220 zurückreflektiert wird, bereits in der Abtasteinheit 220 über ein Aufspaltgitter 224 in mehrere Teilstrahlenbündel aufzuspalten, die voneinander getrennt als Freistrahlen unter verschiedenen Winkeln in Richtung der Signaleinheit 230 propagieren. In der Signaleinheit 230 durchlaufen die aufgespaltenen Teilstrahlenbündel jeweils Polarisatoren 233.1 - 233.3 und werden dann über Linsen 235.1 - 235.3 auf die nachgeordneten optoelektronischen Detektorelemente 234.1 - 234.3 fokussiert. An diesen resultieren wiederum die phasenverschobenen, positionsabhängigen Abtastsignale.
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Um große Montage- und Betriebstoleranzen zwischen der Abtasteinheit 220 und der Signaleinheit 230 in z-Richtung zulassen zu können, dürfen die Winkel zwischen den Freistrahlen, die zurück zur Signaleinheit 230 propagieren, in diesem Ausführungsbeispiel nicht zu groß sein. So sollte der Winkel der Freistrahlen gegen die optische Achse möglichst unter 30° liegen. Bei eventuellen z-Verschiebungen der Signaleinheit 230 oder der Abtasteinheit 220 bleiben die resultierenden Verschiebungen in x- und y-Richtung dann begrenzt. Die Linsen 235.1 - 235.3 müssen einen entsprechend großen Durchmesser aufweisen, damit innerhalb der zulässigen Strahlverschiebungen stets die Teilstrahlenbündel vollständig auf die optoelektronischen Detektorelemente 234.1 - 234.3 fokussiert bzw. abgebildet werden. Dabei kann es unter Umständen auch vorteilhaft sein, statt der drei Linsen 235.1 - 235.3 eine einzige Linse vorzusehen, die alle Teilstrahlenbündel gemeinsam fokussiert. Hierbei werden den unterschiedlichen Winkeln der Freistrahlen jeweils getrennte Fokusorte zugeordnet, an denen jeweils die optoelektronischen Detektorelemente 234.1 - 234.3 angeordnet sind. Die Polarisatoren 233.1 - 233.3 sind in diesem Fall dicht vor den optoelektronischen Detektorelementen 234.1 - 234.3 anzuordnen.
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In Bezug auf weitere Details zum Abtaststrahlengang des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung sei auf die bereits oben erwähnte
EP 1 739 395 A2 der Anmelderin verwiesen.
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Darüberhinaus entspricht der grundsätzliche Aufbau dieses Ausführungsbeispiels, insbesondere die Anordnung der verschiedenen zur Abtastung der Maßverkörperung 210 benötigten abtastseitigen Komponenten in der Abtasteinheit 220 und in der Signaleinheit 230 sowie die Relativanordnung derselbigen, dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Eine gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel nochmals geringfügig abgewandelte Variante ist als drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung in den 4a - 4c dargestellt. Diese Figuren zeigen den Abtaststrahlengang analog zu den Darstellungen in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen; erläutert werden wiederum lediglich die Unterschiede zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
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So ist nunmehr wie im zweiten Ausführungsbeispiel wieder vorgesehen, das vom zweiten Auftreffort P2 auf der Maßverkörperung 310 her einfallende Paar interferierender Teilstrahlenbündel über ein Aufspaltgitter 325 in der Abtasteinheit 320 in drei Teilstrahlenbündel aufzuspalten, die in drei verschiedenen Raumrichtungen weiterpropagieren. Den beiden in 4b hierbei nach links und rechts abgelenkten Teilstrahlenbündeln ist jeweils ein transmittives Ablenkgitter 325.1 bzw. 325.2 in der Abtasteinheit 320 nachgeordnet. Über diese Ablenkgitter 325.1, 325.2 erfahren die entsprechenden beiden Teilstrahlenbündel jeweils eine Ablenkung in Richtung der optischen Systemachse, so dass nach der Abtasteinheit 320 die drei Teilstrahlenbündel parallel als Freistrahlen in Richtung der Signaleinheit 330 propagieren. Dort entspricht der weitere Abtaststrahlengang und die Signalerzeugung dem vorhergehend erläuterten zweiten Ausführungsbeispiel. Ebenso identisch zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist die Ausbildung des Retroreflektors 321 in der Abtasteinheit 320 als Linse-Spiegel-Retroreflektor vorgesehen.
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Da hier wie im ersten Ausführungsbeispiel alle Freistrahlen parallel zur optischen Achse verlaufen, werden in z-Richtung besonders große Montage- und Betriebstoleranzen ermöglicht.
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Abschließend sei anhand der 5a - 5c ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung erläutert. Wiederum zeigen die 5a - 5c die verschiedenen Teil-Abtaststrahlengänge analog zu den vorherigen Beispielen.
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Im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen ist nunmehr vorgesehen, über die entsprechende Anordnung von Komponenten in der Abtasteinheit 420 und in der Signaleinheit 430 zwei separate Abtaststrahlengänge auszubilden, über die die Maßverkörperung 410 abgetastet wird. Die beiden Abtaststrahlengänge sind hierbei asymmetrisch bzgl. einer Ebene senkrecht zur lateralen Verschiebungsrichtung x ausgebildet und erlauben eine Positionsbestimmung für laterale Verschiebebewegungen in x-Richtung wie auch eine Positionsbestimmung für vertikale Verschiebebewegungen in der hierzu senkrechten Richtung z. Ausgangsseitig resultieren dann insgesamt sechs phasenverschobene Abtastsignale, aus denen in bekannter Art und Weise die Positionsänderungen in lateraler und vertikaler Richtung ermittelt werden können. In Bezug auf dieses Messprinzip sei ausdrücklich auf die
EP 1 762 828 A2 der Anmelderin verwiesen.
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Um in der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung zwei separate Abtaststrahlengänge auszubilden, ist in der Abtasteinheit 420 ein Aufspaltelement 426 in Form eines Aufspaltgitters vorgesehen, das auf der Oberseite des Trägersubstrats des Retroreflektors 421 angeordnet ist. Über dieses Aufspaltgitter wird das von der Lichtquelle 431 in der Signaleinheit 430 her einfallende Strahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel aufgespalten, die dann die Maßverkörperung 410 an den ersten Auftrefforten P1a, P1b beaufschlagen. Die nachfolgenden Abtaststrahlengänge entsprechen bis zum Wiedereintritt in die Signaleinheit 430 jeweils dem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Retroreflektor 421 ist demnach wieder als Linse-Spiegel-Retroreflektor ausgebildet; angesichts der nunmehr vorgesehenen zwei Abtaststrahlengänge verdoppelt sich die Zahl der erforderlichen Linsenelemente 422.1a, 422.2a, 422.3a, 422.4a, 422.1b, 422.2b, 422.3b, 422.4b im Retroreflektor 421. Die optischen Wirkungen der verschiedenen Linsenelemente 422.1a, 422.2a, 422.3a, 422.4a, 422.1b, 422.2b, 422.3b, 422.4b in den beiden Abtaststrahlengängen sind grundsätzlich identisch zum zweiten Ausführungsbeispiel gewählt.
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In jedem der beiden Abtaststrahlengänge propagiert dann von den zweiten Auftrefforten P2a, P2b je ein Paar interferierender Teilstrahlenbündel als Freistrahlen von der Abtasteinheit 420 in Richtung Signaleinheit 430. In der Signaleinheit 430 treffen die beiden Paare interferierender Teilstrahlenbündel jeweils auf Aufspaltgitter 434.a, 434.b, die analog zum ersten Ausführungsbeispiel die einfallenden Teilstrahlenbündel in je drei weitere Teilstrahlenbündel aufspalten und jeweils über eine Linse 432a, 432b und mehreren Analysatoren 433.1 a, 433.2a, 433.3a, 433.1b, 433.2b, 433.3b den nunmehr sechs optoelektronischen Detektorelementen 434.1 a, 434.2a, 434.3a, 434.1b, 434.2b, 434.3b zuführen, über die die phasenverschobenen Abtastsignale erfasst werden. Detektionsseitig sind in diesem Ausführungsbeispiel für die zwei ausgebildeten Abtaststrahlengänge demnach zwei Detektoranordnungen vorgesehen, über die jeweils eine Mehrzahl phasenverschobener Abtastsignale erzeugt wird.
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Um auch in diesem Ausführungsbeispiel eine möglichst große Montage- und Betriebstoleranz der Abtasteinheit 420 und der Signaleinheit 430 in z-Richtung zu erreichen, sollten die Freistrahlen, die von der Abtasteinheit 420 zur Signaleinheit 430 propagieren, analog zu einem vorhergehenden Ausführungsbeispiel nur einen Winkel von maximal 30° zur optischen Achse in z-Richtung aufweisen.
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Trotz der unterschiedlichen Abtaststrahlengänge sind auch in diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung die oben erläuterten Maßnahmen in Bezug auf die Ausbildung und Anordnung der Abtasteinheit 420 und der Signaleinheit 430 umgesetzt.
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Neben den konkret erläuterten Ausführungsbeispielen gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten.
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So kann etwa die eigentliche Lichtquelle der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung auch außerhalb der Signaleinheit angebracht werden, wobei die Lichtzuführung von der extern angeordneten Lichtquelle zur Signaleinheit über eine optische Faser erfolgt. In der Signaleinheit fungiert dann die Austrittsfläche dieser Faser als Lichtquelle. Die Faser ist vorzugsweise als polarisationserhaltende Singlemode-Faser ausgebildet. Durch die extern angeordnete Lichtquelle wird eine unerwünschte Wärmeerzeugung in der Signaleinheit verhindert.
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Auch die optoelektronischen Detektorelemente lassen sich außerhalb der Signaleinheit unterbringen. Dazu sind in der Signaleinheit statt der optoelektronischen Detektorelemente jeweils optische Multimode-Fasern vorzusehen, deren Eintrittsfacetten jeweils im Fokus der Teilstrahlenbündel angeordnet sind; hier fungieren somit die Eintrittsfacetten der Fasern in der Signaleinheit als Detektorelemente. Am anderen Ende der Multimode-Fasern empfangen extern angeordnete, optoelektronische Detektorelemente jeweils das übertragene Lichtbündel. Durch die externe Anordnung der eigentlichen Detektorelemente kann verhindert werden, dass wärmeerzeugende Vorverstärker in der Signaleinheit untergebracht werden müssen.
