DE102011103536A1

DE102011103536A1 - Positionsdetektionseinrichtung

Info

Publication number: DE102011103536A1
Application number: DE102011103536A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Kuroda
Original assignee: Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2031-06-08
Also published as: JP2012002701A; KR20110137755A; CN102364307B; CN102364307A; JP5656467B2; TW201219741A; DE102011103536B4; KR101822566B1; US8446594B2; TWI493151B; US20110310397A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Positionsdetektionssystem, bei welchem sowohl gebeugtes Licht 2. oder hÖherer Ordnung als auch Streulicht in seiner Erzeugung unterdrückt wird, um das Signal-zu-Rauschverhältnis bei einem Positionsdetektionssignal und auch die Detektionsgenauigkeit zu verbessern. Mit einem Gitterabstand d des Beugungsgitters (11), dessen Gitteroberfläche (11a) bedeckt ist mit einer Schutzschicht (12) eines Brechungsindex n und mit einer Vakuumwellenlänge (λ0) bestrahlten kohärenten Lichts ergibt sich d < 2λ0/2n. Ein Einfallswinkel λ0 kohärenten Lichts auf das Beugungsgitter (11) wird so eingestellt, dass die Beziehung |sinθ0| < (2λ0/dn) – 1 erfüllt ist. Das Beugungslicht erster Ordnung wird zur Positionsdetektion verwendet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsdetektionseinrichtung, bei welcher eine Position eines Objekts detektiert wird durch Änderungen in der Phase von Licht, welche bewirkt werden durch eine Bewegung eines Beugungsgitters.
Beschreibung des technischen Hintergrunds
Als optische Verschiebungsmesseinrichtung zum Detektieren einer Position einer relativen Bewegung eines mobilen Teils, z. B. eines Maschinenwerkzeugs oder einer Halbleiterfertigungseinrichtung ist eine Einrichtungsanordnung bekannt, bei welcher ein Gitterinterferometer verwendet wird. Eine derartige Anordnung detektiert die Verschiebung einer Beugungsgitterposition, aufgezeichnet auf einer beweglichen Skala oder Anzeige (scale), durch vorteilhaftes Nutzen von Lichtinterferenz.
Die Erfinder haben bereits vorgeschlagen, z. B. in der Patentveröffentlichung 1, eine optische Verschiebungsmesseinrichtung zu konzipieren, bei welcher durch Überlagern zweier gebeugter Lichtstrahlen, die miteinander interferieren, eine Detektion der Position der Bewegung eines beweglichen Teils mit hoher Auflösung und mit hoher Genauigkeit zu erzeugen.
Bei der in der Patentveröffentlichung 1 vorgeschlagenen Vorgehensweise bildet ein kohärenter Lichtstrahl ein optisches Abbild auf einer Beugungsfläche und Beugungsoberfläche eines Beugungsgitters durch eine erste Bilderzeugungseinrichtung ab. Der erste gebeugte Lichtstrahl wird durch eine zweite Bilderzeugungseinrichtung kollimiert und beleuchtet einen Reflektor eines reflexionsoptischen Systems, und zwar ständig in einer senkrechten Richtung. Bei einer derartigen Anordnung oder Konfiguration wird ein derartiger gebeugter Lichtstrahl reflektiert den optischen Pfad zurücklaufen, dem er als einfallendes Licht gefolgt ist, wobei keinerlei Änderung in der optischen Bilderzeugungsposition auf der Gitterfläche des Beugungsgitters auftritt. Andererseits ist die optische Achse eines zweiten gebeugten Lichtstrahls, welcher erzeugt ist oder wird durch Beugung des ersten gebeugten Lichtstrahls, nicht verschoben, während keine Änderung in der Länge des optischen Pfads auftritt. Auf diese Art und Weise entsteht keinerlei Verschlechterung des Interferenzsignals zum Detektieren, und zwar selbst dann nicht, wenn das Beugungsgitter in einer anderen Richtung als einer Richtung parallel zum Gittervektor bewegt wird oder wurde, z. B. in einem Fall, bei welchem das Beugungsgitter geneigt oder geschwenkt wird oder wurde oder Gegenstand von Verzerrungen ist oder war.
Bei der optischen Skala oder Anzeige für ein Gitterinterferometer, welches Änderungen in der Lichtphase detektiert, die bewirkt werden durch eine Bewegung des Beugungsgitters, und zwar um die Positionsdetektion zu beeinflussen, neigen Fingerabdrücke oder Verunreinigungen dazu, auf dieser Skala oder Anzeige anhaften zu bleiben. Auch kann die Skala oder Anzeige zerkratzt, zerschrammt, matt oder stumpf sein oder werden, wenn z. B. das Beugungsgitter der Luft ausgesetzt ist. Folglich wird z. B. in der Patentveröffentlichung 2 vorgeschlagen, eine transparente Schutzschicht auf der Oberfläche des Beugungsgitters aufzubringen, um es zu bedecken oder abzudecken und die Oberfläche des Beugungsgitters vor Verunreinigungen oder vor Kratzern zu schätzen.
Veröffentlichter Stand der Technik

Patentpublikation 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift 2000-81308
Patentpublikation 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Hei 5-232318

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Von der Erfindung zu lösende Probleme
Durch die in der Patentveröffentlichung 1 vorgeschlagene Vorgehensweise ist es möglich zu verhindern, dass Licht 0-ter Ordnung in den optischen Pfad eindringt und zwar durch Einstellen des Einfallswinkels derart, dass er nicht mit dem Beugungswinkel identisch ist. Es gibt jedoch Fälle, bei welchen Beugungslicht höherer Ordnung erzeugt wird, und zwar unabhängig von den Bedingungen. Derartiges Beugungslicht oder gebeugtes Licht höherer Ordnung kann dazu führen, dass Streulicht auftritt, und zwar aufgrund von Reflexionen, z. B. an der Grenzfläche der Schutzschicht des Beugungsgitters. Derart erzeugtes Streulicht kann in den optischen Pfad gelangen und dadurch die Detektionsgenauigkeit verschlechtern.
Zum Verhindern von Reflexionen von Beugungslicht höherer Ordnung an der Grenzfläche zur Schutzschicht zum Verhindern der Entstehung von Streulicht kann daran gedacht werden, eine Antireflexionsbeschichtung auf der Oberfläche der Schutzschicht auszubilden. Jedoch ist es schwierig, eine derartige Struktur bereitzustellen, bei welcher es möglich ist, eine Reflexion von Beugungslicht höherer Ordnung in seiner Gesamtheit zu verhindern.
Im Lichte der oben beschriebenen Probleme beim Stand der Technik ist es wünschenswert, eine optische Skala oder Anzeige für ein Gitterinterferometer zu schaffen, bei welchen Beugungslicht 2. und höherer Ordnung und Streulicht bei oder in ihrer Entstehung zu unterdrücken, um das S/N-Verhältnis des Positionsdetektionssignals zu verbessern.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Mittel zum Lösen der Probleme
Es wird angenommen, dass ein kohärenter Lichtstrahl La mit einer Wellenlänge λ₀ über ein Medium 2 mit dem Refraktions- oder Brechungsindex n auf ein Beugungsgitter 1 in einem Einfallswinkel θ₀ einfällt, wie dies in Zusammenhang mit 1 dargestellt ist. Der Einfallswinkel θ₀ ist ein Winkel in Bezug auf die Normale oder Normallinie, welche auf die Oberfläche des Beugungsgitters 1 eingezeichnet ist, und zwar in Relation zum Lichtstrahl. Es wird des Weiteren angenommen, dass die Plusrichtung oder positive Richtung des Einfallswinkels θ₀ und des Beugungswinkels θ so angenommen werden, wie dies in der 1 dargestellt ist. Der Pitch oder Gitterabstand des Beugungsgitters 1 wird mit d bezeichnet. Die Nummerierung der Ordnungen der Beugung wird mit m bezeichnet. Eine Mehrzahl gebeugter Lichtstrahlen oder Beugungslichtstrahlen jeweiliger Beugungsordnungen, bei welchen der Einfallswinkel θ und der Beugungswinkel θ vorliegen, werden erzeugt, wobei die nachfolgende Gleichung (1) erfüllt ist: sinθ = (mλ/dn) – sinθ₀. (1)
Falls bei der obigen Gleichung (1) der Einfallswinkel θ₀ jedoch die nachfolgenden Bedingungen erfüllt: (2λ₀/dn) – sinθ₀ > 1 und (–2λ₀/dn) – sinθ₀ < –1, dann werden die ±2. oder höhere Ordnungen des Beugungslichts nicht erzeugt.
Also wird erfindungsgemäß der Einfallswinkel θ₀ eines kohärenten Lichtstrahls La am Beugungsgitter so eingestellt, dass die folgenden Bedingungen d < 2λ₀/n und |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 (2) erfüllt sind, wobei es möglich ist, die Erzeugung von Beugungslicht ±2. und höherer Ordnung zu unterdrücken.
Ein erfindungsgemäßes Positionsdetektionssystem ist dazu ausgebildet, eine Position zu detektieren durch Detektieren von Änderungen in der Phase von Licht, welche bewirkt werden durch eine Bewegung eines Beugungsgitters. Die Einrichtung weist eine Schutzschicht auf mit einem Refraktionsindex oder Brechungsindex n. Die Schutzschicht ist dazu ausgebildet, dass sie eine Fläche oder Oberfläche der Positionsdetektionseinrichtung, welche ein Beugungsgitter umfasst, abdeckt oder bedeckt. Wenn die Wellenlänge von kohärentem Licht im Vakuum mit λ₀ bezeichnet wird und wenn der Pitch oder Gitterabstand des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters mit d bezeichnet wird, werden die Werte so gewählt, dass die Beziehung d < 2λ₀/n erfüllt ist. Ein Einfallswinkel θ₀ kohärenten Lichts auf dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter wird so gewählt, dass die Beziehung |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist. Dabei wird das gebeugte Licht oder Beugungslicht 1. Ordnung für die Positionsdetektion oder Positionsbestimmung verwendet.
Bei einer anderen Form der erfindungsgemäßen Positionsdetektionseinrichtung wird die Position detektiert oder bestimmt aus dem Detektieren oder Bestimmen von Änderungen in der Phase von Licht, welche bewirkt werden durch eine Bewegung eines Beugungsgitters. Diese Positionsdetektionseinrichtung weist eine Schutzschicht mit einem Brechungsindex oder Refraktionsindex n auf, welche so ausgebildet ist, dass sie eine Fläche oder Oberfläche des Beugungsgitters bedeckt oder abdeckt. Wenn die Wellenlänge von kohärentem Licht im Vakuum mit λ₀ bezeichnet wird und wenn der Pitch oder Gitterabstand des Beugungsgitters mit d bezeichnet wird, werden die Werte so gewählt, dass die Beziehung d < 3λ₀/2n erfüllt ist. Ein Einfallswinkel θ₀ kohärenten Lichts auf dem Beugungsgitter wird so eingestellt, dass die Beziehung 1 – (λ₀/dn) < |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist. Es wird das Licht 1. Ordnung durch das Beugungsgitter zurückgesandt oder zurückgeschickt, und zwar mittels eines reflexionsoptischen Systems, um es erneut einfallen zu lassen und um es am Beugungsgitter erneut zu beugen, um dadurch erneut gebeugtes Licht 1. Ordnung zu erzeugen, welches für die Positionsdetektion oder Positionsbestimmung verwendet wird.
Wirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn der Pitch oder Gitterabstand d des Beugungsgitters oder Diffraktionsgitters ist und wenn der Brechungsindex oder Refraktionsindex der Schutzschicht n ist, der Zusammenhang d < 2λ₀/n erfüllt. Wenn zusätzlich dabei der Einfallswinkel θ₀ von kohärentem Licht auf dem Beugungsgitter oder Diffraktionsgitter ist, wird dieser so gewählt und eingestellt, dass die Beziehung |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist. Beugungslicht oder gebeugtes Licht höherer Ordnung, welches für die Positionsbestimmung oder Positionsdetektion nicht notwendig ist, wird dann in seiner Entstehung gehindert, und zwar im Ergebnis des Verwendens des Beugungslichts oder gebeugten Lichts 1. Ordnung für die Positionsbestimmung oder Positionsdetektion. Es ist auch möglich, Streulicht zu unterdrücken, welches entsteht oder abgeleitet wird aus unnötigerweise gebeugtem Licht, und zwar erzeugt durch Reflexion an der Grenzschicht oder Grenzfläche der Schutzschicht mit dem Refraktionsindex oder Brechungsindex n, welche auf der Oberfläche des Beugungsgitters oder Diffraktionsgitters abgeschieden ist, wodurch das Eindringen von Streulicht in das Licht für die Positionsdetektion oder Positionsbestimmung unterdrückt wird.
Zusätzlich oder alternativ kann die Beziehung d < 3λ₀/2n erfüllt sein oder werden. Der Einfallswinkel θ₀ des kohärenten Lichts auf dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter ist oder wird so eingestellt, dass die Beziehung 1 – (λ₀/dn) < sinθ₀ < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist. In diesem Fall wird das Beugungslicht oder gebeugte Licht erster Ordnung mittels eines reflexionsoptischen Systems zurückgeführt, um erneut auf das Beugungsgitter oder Diffraktionsgitter einzufallen und dort erneut gebeugt zu werden, um dadurch erneut gebeugtes Licht 1. Ordnung zu erzeugen, welches für die Positionsdetektion oder Positionsbestimmung verwendet wird. Für das neu einfallende und erneut gebeugte Beugungslicht erster Ordnung wird Beugungslicht höherer Ordnung für die Positionsbestimmung nicht verwendet und kann in ähnlicher Art und Weise an seiner Entstehung gehindert werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Entstehung von Streulicht zu verhindern, welches entsteht oder abgeleitet wird aus unnötigem gebeugtem Licht, welches erzeugt oder bewirkt wird durch Reflexion an der Grenzschicht oder Grenzfläche der Schutzschicht mit dem Brechungsindex n, wodurch ein Eindringen oder Überlagern von Streulicht und Positionsdetektionslicht unterdrückt oder verhindert wird.
Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Positionsdetektionseinrichtung geschaffen, bei welcher gebeugtes Licht 2. und höherer Ordnung sowie Streulicht in ihrer Entstehung unterdrückt werden können, um dadurch das S/N-Verhältnis des Positionsdetektionssignals und auch die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine schematische Ansicht, welche zeigt, wie gebeugtes Licht oder Beugungslicht durch ein Beugungsgitter oder Diffraktionsgitter erzeugt wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration oder einen Aufbau einer optischen Verschiebungsmesseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Aufbau oder eine Struktur einer optischen Skala oder Anzeige zeigt, wie sie bei der optischen Verschiebungsmesseinrichtung verwendet werden kann.
4 ist eine schematische Seitenansicht, welche Komponenten und Bestandteile der optischen Verschiebungsmesseinrichtung zeigt, die auf einer geneigten Fläche oder Ebene A angeordnet sind, und zwar betrachtet von einer Richtung senkrecht zur geneigten Fläche oder Ebene A.
5 ist eine schematische Seitenansicht von kohärentem Licht, welches auf ein Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter einer optischen Verschiebungsmesseinrichtung einfällt. Dargestellt ist auch das vom Beugungsgitter oder Diffraktionsgitter gebeugte Licht, und zwar betrachtet von der Richtung des Gittervektors aus.
6 ist eine schematische Seitenansicht, welche Bestandteile und Komponenten der optischen Verschiebungsmesseinrichtung zeigt, und zwar angeordnet auf einer oder an einer geneigten Fläche oder Ebene B, und zwar betrachtet von einer Richtung senkrecht zur geneigten Fläche oder Ebene B.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Verschiebungsmesseinrichtung oder optische Verschiebungsdetektionseinrichtung 100, wie sie z. B. in der 2 dargestellt ist.
Die optische Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 weist eine optische Skala oder optische Anzeige 10 auf, welche daran ein Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 mit Reflexionsanordnung oder Reflexionskonfiguration trägt (reflection configuration diffraction grating). Diese Einrichtung ist eine Einrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Position eines beweglichen oder sich bewegenden Teils zu bestimmen oder zu detektieren, z. B. eines Maschinenwerkzeugs.
Unter Bezugnahme auf 3 ist dargestellt, dass die optische Skala oder optische Anzeige 10 vorgesehen ist für ein Gitterinterferometer, welches ausgebildet ist, eine Position eines Objekts zu bestimmen oder zu detektieren, und zwar durch Detektieren oder Bestimmen von Phasenänderungen von Licht, die bewirkt werden durch die Bewegung des Beugungsgitters oder Diffraktionsgitters 11. Die optische Skala oder Anzeige weist eine Schutzschicht 12 mit einem Reflexionsindex n auf, welche die Oberfläche der Skala oder Anzeige bedeckt oder abdeckt, auf welcher des Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 ausgebildet wurde. Wenn λ₀ die Wellenlänge des Lichts im Vakuum bezeichnet und d den Gitterabstand oder Pitch des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11, so werden die Werte so eingestellt, dass die Beziehung d < 2λ₀/n gilt. Ein Einfallswinkel θ₀ eines kohärenten Lichtstrahls auf dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 wird so eingestellt und gewählt, dass die Beziehung |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 gilt. Alternativ wird der Gitterabstand oder Pitch d des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 so eingestellt und gewählt, dass die Beziehung d < 3λ₀/2n gilt. In diesem Fall wird dann der Einfallswinkel θ₀ des kohärenten Lichtstrahls auf dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 so eingestellt und gewählt, dass die Beziehung 1 – (λ₀/dn) < sinθ₀ < (2λ₀/dn) – 1 gilt. Das gebeugte Licht oder Beugungslicht erster Ordnung wird durch das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 über ein reflexionsoptisches System (reflection optical system) zurückgeführt, so dass es erneut auf das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 einfällt. Das Beugungslicht oder gebeugte Licht erster Ordnung wird somit durch das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 ein zweites Mal gebeugt und dann zur Positionsbestimmung verwendet.
Die optische Skala oder Anzeige ist eine Skala oder Anzeige mit einer Reflexionskonfiguration oder mit einem Reflexionsaufbau. Sie besitzt ein Grundsubstrat 13 aus Glas oder Keramik, auf welchem das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 aufgebracht ist, und zwar repräsentiert durch physische Erhebungen/Ausnehmungen. Eine reflektive Beschichtung 14 ist auf der Oberfläche des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 ausgebildet. Die oben beschriebene Schutzschicht 12 wird darauf vorgesehen.
Unter Bezugnahme auf 2 wird gezeigt, dass die optische Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 eine virtuelle geneigte Bezugsfläche oder Bezugsebene A und eine andere virtuelle geneigte Bezugsfläche oder Bezugsebene B aufweist. Die virtuelle geneigte Fläche oder Ebene A ist um einen Winkel γ relativ zur virtuellen Bezugsebene oder Bezugsfläche geneigt, die parallel ausgebildet ist zu einem normalen Vektor und die eine virtuelle gerade Linie enthält oder aufweist, die parallel zur Richtung des Gittervektors der Gitterfläche oder Gitteroberfläche 11a des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 verläuft. Die virtuelle geneigte Fläche oder Ebene A weist des Weiteren eine virtuelle gerade Linie auf. Die virtuelle geneigte Fläche oder Ebene B ist um einen Winkel δ relativ zur virtuellen Bezugsfläche oder Bezugsebene geneigt und weist ebenfalls die virtuelle gerade Linie auf. Die geneigten Flächen oder Oberflächen A und B sind auf derselben Seite der Gitterfläche 11a des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters angeordnet.
4 zeigt eine Seitenansicht, und zwar betrachtet aus einer Richtung senkrecht oder normal zur geneigten Ebene oder Fläche A. Die Ansicht betrifft Komponenten, Bestandteile oder Elemente der optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100, welche auf der geneigten Ebene oder Fläche A angeordnet sind. 5 zeigt einen kohärenten Lichtstrahl, der auf das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 einfällt. Des Weiteren ist ein durch das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 gebeugter Lichtstrahl dargestellt, und zwar betrachtet aus der Richtung des Gittervektors. 6 zeigt eine Seitenansicht und zwar betrachtet aus einer Richtung oder normal zur geneigten Fläche oder Ebene B. Gezeigt werden Bestandteile, Komponenten und Elemente, die auf der geneigten Fläche oder Ebene B angeordnet sind.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 4 wird gezeigt, dass die optische Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 eine kohärente Lichtquelle 20, welche einen kohärenten Lichtstrahl La aussendet, ein Lichtempfangselement 30 sowie ein Beleuchtungs-/lichtempfangsoptisches System 41 (illumination/light receiving optical system) aufweist. Das Lichtempfangselement 30 empfängt zwei Lichtstrahlen Lc1, Lc2, die miteinander interferieren, um einen interferierten oder interferierenden Lichtstrahl zu erzeugen. Das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 spaltet den kohärenten Lichtstrahl La in zwei kohärente Lichtstrahlen La1, La2 auf, die dann dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 zugeführt werden. Das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 überlagert die beiden Lichtstrahlen Lc1, Lc2 miteinander, die vom Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter kommen, nachdem sie zweimal gebeugt wurden. Die überlagerten Lichtstrahlen werden dann dem Lichtempfangselement 30 zugeführt.
Das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 weist ein erstes Bilderzeugungselement 21 auf, welches ein optisches Bild oder Abbild des kohärenten Lichtstrahls La erzeugt, der von der kohärenten Lichtquelle 20 ausgesandt wurde, und zwar auf der Gitteroberfläche 11a des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11. Das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 weist des Weiteren einen Polarisationsstrahlteiler 43 auf, welcher den kohärenten Lichtstrahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 20 ausgesandt wurde, in zwei kohärente Lichtstrahlen La1, La2 auf, die Lichtpolarisationsrichtungen senkrecht zueinander aufweisen. Das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 weist des Weiteren einen Reflektor 23 auf, der den einen Lichtstrahl La1 der kohärenten Lichtstrahlen, die durch den Polarisationsstrahlteiler 43 aufgespalten wurden, reflektiert und der auch den Lichtstrahl Lc1, der von Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 kommt, nachdem er zweimal gebeugt wurde, reflektiert. Das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 weist des Weiteren einen Reflektor 24 auf, welcher den anderen Lichtstrahl La2 der beiden kohärenten Lichtstrahlen, die vom Polarisationsstrahlteiler 43 aufgespalten wurden, reflektiert und welcher auf den Lichtstrahl Lc2 reflektiert, der von Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 kommt, nachdem er zweimal gebeugt wurde. Das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 weist des Weiteren ein zweites Bilderzeugungselement 25 auf, welches optische Bilder oder Abbilder der zwei zweimal gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2 erzeugt, welche zueinander senkrechte Lichtpolarisationsrichtungen besitzen und durch den Polarisationsstrahlteiler 43 überlagert wurden, und zwar auf einer Bilderzeugungsfläche 30a des Lichtempfangselements 30. Das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 weist ferner einen Polarisator 46 auf, der Komponenten derselben Lichtpolarisation der zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2 herausnimmt, die durch den Polarisationsstrahlteiler 43 überlagert wurden und die zueinander senkrechte Lichtpolarisationsrichtungen aufweisen.
Bei dem Beleuchtungs-/lichtempfangsoptischen System 41 sind jeweilige Komponenten so vorgesehen und angeordnet, dass die optischen Pfade für die kohärenten Lichtstrahlen La (La1, La2), die durch das optische System transmittiert werden, und die optischen Pfade für die Lichtstrahlen Lc1, Lc2, nachdem diese zweifach gebeugt wurden, in einer geneigten Fläche oder Ebene A ausgebildet sind. Folglich sind der Einfallswinkel als auch der Beugungswinkel der kohärenten Lichtstrahlen La1, La2 und auch der zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2, betrachtet aus der Richtung des Gittervektors, gegeben durch den Wert γ, wie dies in 5 dargestellt ist.
Der kohärente Lichtstrahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 20 ausgesandt wird oder wurde, fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 43 des Beleuchtungs-/lichtempfangsoptischen Systems 41, da seine Polarisationsrichtung um 45° zum Polarisationsstrahlteiler 43 geneigt ist.
Der Polarisationsstrahlteiler 43 spaltet den einfallenden kohärenten Lichtstrahl La in zwei kohärente Lichtstrahlen La1, La2 auf, deren Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander stehen. Der kohärente Lichtstrahl La1, der durch den Polarisationsstrahlteiler 43 des Beleuchtungs-/lichtempfangsoptischen Systems 41 transmittiert wird, kann als P-polarisierter Lichtstrahl nachgewiesen werden, wogegen der kohärente Lichtstrahl La2, der dadurch reflektiert wird, als S-polarisierter Lichtstrahl nachgewiesen werden kann.
Auf den Polarisationsstrahlteiler fallen die Lichtstrahlen Lc1, Lc2 aus dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 nach zweifacher Beugung ein. Dabei wird der zweifach gebeugte Lichtstrahl Lc1, der inhärent ein P-polarisierter Lichtstrahl ist, in Bezug auf seine Lichtpolarisationsrichtung durch das reflexionsoptische System 40 um 90° gedreht. Er kann daher, wie dies später beschrieben werden wird, als S-polarisierter Licht emittierende nachgewiesen werden. In ähnlicher Art und Weise wird die Polarisationsrichtung des zweifach gebeugten Lichtstrahls Lc2, der inhärent ein S-polarisierter Lichtstrahl ist, durch das reflexionsoptische System 42 um 90° gedreht, um dadurch zu einem P-polarisierten Lichtstrahl zu werden. Folglich reflektiert der Polarisationsstrahlteiler 43 den zweifach gebeugten Lichtstrahl Lc1, der ein S-polarisierter Lichtstrahl ist, wogegen der zweifach gebeugte Lichtstrahl Lc2 transmittiert wird, der ein P-polarisierter Lichtstrahl ist, und zwar derart, dass diese beiden zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2 einander überlagert werden.
Der Reflektor 23 reflektiert den kohärenten Lichtstrahl La1, der durch den Polarisationsstrahlteiler 43 transmittiert wurde, derart, dass der Lichtstrahl einer vorbestimmten Stelle auf der Gitteroberfläche 11a des Diffraktionsgitters 11 oder Beugungsgitters 11 beaufschlagt wird. Der Reflektor 23 reflektiert ebenfalls den zweifach gebeugten Lichtstrahl Lc1 vom Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11, um mit dem so reflektierten Lichtstrahl den Polarisationsstrahlteiler 43 zu beaufschlagen.
Der Reflektor 24 reflektiert den kohärenten Lichtstrahl La2, der durch den Polarisationsstrahlteiler 43 reflektiert wurde, auf eine vorbestimmte Stelle auf der Gitteroberfläche 11a des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11. Der Reflektor 24 reflektiert ebenfalls den zweifach gebeugten Lichtstrahl Lc2, um den Polarisationsstrahlteiler 43 zu beleuchten oder zu bestrahlen.
Die Reflektoren 23, 24 strahlen die kohärenten Lichtstrahlen La1, La2 auf eine vorbestimmte Stelle der Gitteroberfläche 11a, so dass der Einfallswinkel auf der geneigten Fläche oder Ebene A den Wert θ₀, annimmt. Es wird beobachtet, dass die Reflektoren 23, 24 so angeordnet sind oder werden, dass ihre reflektierenden Flächen oder Oberflächen einander gegenüberliegen oder gegenüberstehen oder aneinander angrenzen. Folglich liegen die Lichteinfallsrichtung in Gittervektorrichtung bei den kohärenten Lichtstrahlen La1, La2 entgegengesetzt zueinander. Die kohärenten Lichtstrahlen La1, La2 der Reflektoren 23, 24 fallen an Stellen des Beugungsgitters oder Diffraktionsgitters ein, die voneinander beabstandet sind, und zwar um einen voreingestellten Abstand entlang des Gittervektors. Der Abstand zwischen dem Punkt des Einfalls des kohärenten Lichtstrahls La1 und des kohärenten Lichtstrahls La2 ist 1, wobei 1 einen optionalen Abstand oder eine optionale Distanz von nicht weniger als Null bezeichnet.
Der Polarisator 46 wird von dem zweifach gebeugten Lichtstrahl Lc1, einem S-Polarisierten Lichtstrahl, und vom zweifach gebeugten Lichtstrahl Lc2, einem P-polarisierten Lichtstrahl, der dem Lichtstrahl Lc1 durch den Polarisationsstrahlteiler 43 überlagert wird, passiert. Der Polarisator 46 transmittiert Komponenten der zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2 mit Polarisationsrichtungen von 45°, um einen Lichtstrahl mit derselben Polarisationsrichtung bereitzustellen.
Das Lichtempfangselement 30 empfängt die zwei zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2, welche den Polarisator 46 passierten.
Bei der optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 fällt der kohärente Lichtstrahl La1 auf das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 und wird dadurch gebeugt, um einen einfach gebeugten Lichtstrahl Lb1 zu erzeugen. Auch der kohärente Lichtstrahl La2 fällt auf das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11, um dadurch gebeugt zu werden, um einen einfach gebeugten Lichtstrahl Lb2 zu erzeugen. Der Beugungswinkel des einfach gebeugten Lichtstrahls Lb1 und derjenige des einfach gebeugten Lichtstrahls Lb2 in Richtung des Gittervektors besitzen den Wert δ, wie das in Zusammengang mit 5 dargestellt ist. Die einfach gebeugten Lichtstrahlen Lb1, Lb2 werden entlang der geneigten Fläche oder Ebene B erzeugt. Der Beugungswinkel auf der geneigten Fläche oder Ebene B von jedem der einfach gebeugten Lichtstrahlen Lb1, Lb2 besitzt den Wert θ. Es wird beobachtet, dass die Ausgangsrichtung entlang der Richtung des Gittervektors des einfach gebeugten Lichtstrahls Lb1 entgegengesetzt ist zu demjenigen des einfach gebeugten Lichtstrahls Lb2.
Die optische Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 weist das reflexionsoptische System 42 auf, wie das in Zusammenhang mit 2 und 6 dargestellt ist.
Das reflexionsoptische System 42 weist einen Reflektor 26 auf, der den einfach gebeugten Lichtstrahl Lb1 reflektiert, welcher erzeugt wird aus dem kohärenten Lichtstrahl La1, und zwar derart, dass das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 erneut damit bestrahlt oder beleuchtet wird. Das reflexionsoptische System 42 weist den Reflektor 27 auf, welcher den einfach gebeugten Lichtstrahl Lb2 reflektiert, der aus dem kohärenten Lichtstrahl La2 erzeugt wird oder wurde, um den reflektierten Lichtstrahl erneut auf das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 zu werfen. Das reflexionsoptische System 42 weist des Weiteren ein drittes Bilderzeugungselement 28 auf, welches den einfach gebeugten Lichtstrahl, welcher aus dem kohärenten Lichtstrahl La1 erzeugt wurde, kollimiert, um den sich ergebenden kollimierten Lichtstrahl auf den Reflektor 26 zu richten oder zu werfen. Das reflexionsoptische System 42 weist des Weiteren ein viertes Bilderzeugungselement 29 auf, welches den einfach gebeugten Lichtstrahl Lb2, der aus dem kohärenten Lichtstrahl La2 erzeugt wird oder wurde, kollimiert, um den sich ergebenden kollimierten Lichtstrahl auf den Reflektor 27 zu richten oder zu werfen. Das reflexionsoptische System 42 weist des Weiteren eine λ/4-Platte 44 auf, die in oder auf den optischen Pfad des einfach gebeugten Lichtstrahl Lb1 angeordnet ist, sowie eine zweite λ/4-Platte 45, die auf oder in dem optischen Pfad des einfach gebeugten Lichtstrahls Lb2 angeordnet ist.
Bei dem reflexionsoptischen System 42 ist der Wert des Beugungswinkels für jeden der zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lb1, Lb2, betrachtet aus der Richtung des Gittervektors, dem Wert δ, wie dies bereits vorher erwähnt wurde. Folglich sind die Komponenten oder Bauteile nur so angeordnet und ausgebildet, dass optische Pfade des einfach gebeugten Lichtstrahls Lb1 und des einfach gebeugten Lichtstrahls Lb2, die transmittiert werden, in der geneigten Fläche oder Ebene B ausgebildet sind oder werden. Zusätzlich sind oder werden die Reflektoren 26, 27 des reflexionsoptischen Systems 22 so angeordnet und ausgebildet, dass sie die einfach gebeugten Lichtstrahlen Lb1, Lb2, die in einem Beugungswinkel θ in oder auf der geneigten Fläche oder Ebene B gebeugt werden, reflektiert werden, und zwar in einer senkrechten Richtung.
Die λ/4-Platte 44 ist mit ihrer optischen Achse um 45° relativ zur Richtung der Lichtpolarisationsrichtung des einfach gebeugten Lichtstrahls Lb1 des P-polarisierten Lichtstrahls, welcher vorn Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 einfällt, geneigt angeordnet. Der einfach gebeugte Lichtstrahl Lb1 passiert die λ/4-Platte 44 zweifach, um ein optisches Bild des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 auszubilden. Folglich wird der einfach gebeugte Lichtstrahl Lb1, welcher ursprünglich ein P-polarisierter Lichtstrahl war, in einen S-polarisierten Lichtstrahl umgewandelt, der das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 beleuchtet oder bestrahlt.
Die λ/4-Platte 45 ist mit ihrer optischen Achse um 45° relativ zur Richtung der Lichtpolarisation des einfach gebeugten Lichtstrahls Lb2 des S-polarisierten Lichtstrahls, welcher vom Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 einfällt, geneigt angeordnet. Der einfach gebeugte Lichtstrahl Lb2 passiert die λ/4-Platte 45 zweifach, um ein optisches Bild des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 auszubilden. Folglich wird der einfach gebeugte Lichtstrahl Lb2, welcher ursprünglich ein S-polarisierter Lichtstrahl war, in einen P-polarisierten Lichtstrahl umgewandelt, welcher das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 beleuchtet oder bestrahlt.
Die einfach gebeugten Lichtstrahlen Lb1, Lb2 fallen vom reflexionsoptischen System 42 auf das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 ein. Wie der Beugungswinkel der einfach gebeugten Lichtstrahlen Lb1, Lb2, so besitzt der Einfallswinkel der einfach gebeugten Lichtstrahlen Lb1, Lb2, betrachtet aus der Richtung des Gittervektors den Wert δ. In ähnlicher Art und Weise ist, wie der Beugungswinkel, der Einfallswinkel auf der geneigten Fläche oder Ebene B θ.
Die zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2 werden erzeugt durch Beugung der einfach gebeugten Lichtstrahlen Lb1, Lb2. Wie der Einfallswinkel der kohärenten Lichtstrahlen La1, La2, so ist der Beugungswinkel der zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2, betrachtet aus der Richtung des Gittervektors, gleich γ. Des Weiteren ist, wie der Einfallswinkel der kohärenten Lichtstrahlen La1, La2, der Beugungswinkel auf oder in der geneigten Ebene oder Fläche A θ₀.
Folglich laufen die zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2 auf oder im selben optischen Pfad, wie die kohärenten Lichtstrahlen La1, La2 in umgekehrter Richtung, um auf den Polarisationsstrahlteiler 43 zu fallen.
Die optische Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 weist des Weiteren eine Positionsbestimmungseinheit auf, die nicht dargestellt ist und welche der Detektion der Position einer Bewegung des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 dient, und so auf der Grundlage eines Interferenzsignals des Lichtempfangselements 30.
Bei der vorliegenden optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 ist das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 in oder auf der geneigten Fläche oder Ebene A angeordnet, die in einem voreingestellten Neigungswinkel relativ zur virtuellen Bezugsfläche oder Bezugsebene geneigt ist. Das reflexionsoptische System 42 ist auf der geneigten Fläche oder Ebene B angebracht oder befestigt. Folglich kann der optische Pfad des kohärenten Lichtstrahls von demjenigen des gebeugten Lichtstrahls getrennt oder separiert werden, um den Freiheitsgrad der Implementation der Einrichtung zu steigern. Die gebeugten Lichtstrahlen Lb1, Lb2 können eine Interferenz miteinander bewirken, da ein Eindringen oder ein Eingriff (intrusion) des gebeugten Lichtstrahls 0-ter Ordnung oder des reflektierten Lichtstrahls im Beleuchtungs-/lichtempfangsoptischen System 41 oder im reflexionsoptischen System 42 ausgeschlossen oder zurückgewiesen wird, um dadurch eine Positionsmessung mit hoher Genauigkeit zu erzielen.
Bei der vorliegenden optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 läuft der kohärente Lichtstrahl La, welcher von der kohärenten Lichtquelle 20 ausgesandt wird, durch das erste Bilderzeugungselement 21 und wird dann durch den Polarisationsstrahlteiler 43 in zwei kohärente Lichtstrahlen La1, La2 aufgespalten, wobei der transmissionsseitige P-polarisierte Lichtstrahl und der reflexionsseitige S-polarisierte Lichtstrahl entstehen. Es wird beobachtet, dass in einem Fall, bei welchem der kohärente Lichtstrahl ein Lichtstrahl eines Halbleiterlasers ist, der kohärente Lichtstrahl auf den Polarisationsstrahlteiler 43 fallen kann, da seine Polarisationsrichtung relativ zum Polarisationsstrahlteiler 43 um 45° geneigt ist. Die zwei aufgespaltenen kohärenten Lichtstrahlen La1, La2 werden durch die Reflektoren 23 bzw. 24 reflektiert, so dass optische Bilder an im Wesentlichen demselben Punkt in der Nachbarschaft der Gitterfläche oder Gitteroberfläche 11a des Reflexionskonfigurationsdiffraktions- 11 oder -beugungsgitters 11 (reflection configuration diffraction grating) ausgebildet werden. Es ist für den Strahl des optischen Bilds notwendig, dass er eine Breite oder Weite (Durchmesser) aufweist, um eine ausreichende Anzahl von Gitterlinien zu überstreichen, um gebeugtes Licht zu erzeugen. Andererseits muss der Strahldurchmesser größer sein als in der Größenordnung (Scores) von Mikrometer, um Einflüsse von Verunreinigungen und Kratzern zu vermeiden. Ein optimaler Strahldurchmesser kann gefunden werden durch Anpassen, z. B. der numerischen Apertur des Bild erzeugenden optischen Systems.
Der Einfallswinkel auf dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 ist θ₀. Eine Mehrzahl von Lichtstrahlen werden durch das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 in einem Winkel θ gebrochen oder gebeugt und durchlaufen das dritte Bilderzeugungselement 28 mit einem Fokus oder Brennpunkt in der Nähe der Gitterfläche oder Gitteroberfläche 11a des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11. Die Lichtstrahlen durchlaufen dann die λ/4-Platte 44, deren optische Achse relativ zur Polarisationsrichtung der Lichtstrahlen um 45° geneigt ist um dann durch den Reflektor 26 reflektiert zu werden, der in einem rechten Winkel zur optischen Achse angeordnet ist. Die Lichtstrahlen durchlaufen dann erneut die λ/4-Platte 44, wobei P-polarisierte Lichtstrahlen in S-polarisierte Lichtstrahlen und S-polarisierte Lichtstrahlen in P-polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt werden. Die sich ergebenden Lichtstrahlen durchlaufen das dritte Bilderzeugungselement 28, um ein optisches Bild in der Nähe der Gitterfläche oder Gitteroberfläche 11a des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 zu erzeugen. Die vom Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 gebeugten Lichtstrahlen durchlaufen den Pfad der Lichtstrahlen, welche diese als einfallendes Licht durchliefen, und zwar in der Rückrichtung, das bedeutet, zum Reflektor 24 zurück zum Polarisationsstrahlteiler 43.
Der Polarisationsstrahlteiler 43 transmittiert den P-polarisierten Lichtstrahl, wogegen der S-polarisierte Lichtstrahl reflektiert wird. Folglich werden die zwei kohärenten Lichtstrahlen La1, La2 einander überlagert, um auf das zweite Bilderzeugungselement 25 zuzulaufen. Die Lichtstrahlen, welche durch das zweite Bilderzeugungselement 25 transmittiert werden oder wurden, laufen durch den Polarisator 46, dessen Lichttransmissionsachse relativ zur Lichtpolarisationsrichtung um 45° geneigt ist. Somit wird ein optisches Abbild in der Nachbarschaft der Lichtempfangsfläche oder -oberfläche 30a des Lichtempfangselements 30 ausgebildet.
Seien die Werte der Amplituden der zwei zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1, Lc2, die einander überlagert werden, mit den Bezeichnungen A₁ bzw. A₂ bezeichnet. Sei die Verschiebung des Diffraktionsgitters 11 oder Beugungsgitters 11 in Richtung des Gittervektors mit x bezeichnet. Sei ferner die Anfangsphase δ. Die Amplitude I des Interferenzsignals, welches erhalten wird durch das Lichtempfangselement 30, kann auf der Grundlage der nachfolgenden Gleichung (3) bestimmt werden: I = A 2 / 1 + A 2 / 2 + 2A₁A₂cos(4Kx + δ), (3) wobei K = 2π/d gilt, wobei d den Gitterabstand oder Gitterpitch bezeichnet. Eine Positionsdetektionseinheit kann folglich die Position einer Bewegung des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 auf der Grundlage des Interferenzsignals des Lichtempfangselements 30 ermitteln.
Bei der oben beschriebenen Anordnung der optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 wird das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter in der Richtung des Gittervektors um einen Betrag verschoben, der mit der Bewegung des beweglichen oder bewegten Elements korrespondiert, wodurch eine Phasendifferenz zwischen den beiden zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1 und Lc2 erzeugt wird. Bei der optischen Verschlebungsdetektionseinrichtung 100 werden diese beiden zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1 und Lc2 zur Interferenz miteinander gebracht, um ein Interferenzsignal zu detektieren. Aus dem so detektierten Interferenzsignal wird die Phasendifferenz zwischen den beiden zweifach gebeugten Lichtstrahlen Lc1 und Lc2 ermittelt, um die Position der Bewegung des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 zu ermitteln.
Auf diese Art und Weise werden die kohärenten Lichtstrahlen La1 und La2 dazu gebracht, optische Abbilder in der Nachbarschaft der Gitteroberfläche 11a auszubilden, wobei die beiden Lichtstrahlen die Bilderzeugungselemente durchlaufen, von denen jedes einen Fokus oder einen Brennpunkt in der Nachbarschaft der Gitteroberfläche 11a aufweist. Die Lichtstrahlen werden dann durch die Reflektoren 26 und 26 reflektiert. Auf diese Art und Weise fehlt selbst dann, wenn das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 geneigt ist, der erste gebeugte Lichtstrahl auf die Reflektoren 26 und 27, und zwar zu allen Zeiten in rechten Winkeln. Folglich werden die reflektierten Lichtstrahlen den optischen Pfad zurückgeführt, entlang welchem der Lichtstrahl jeweils als einfallendes Licht gelaufen ist. Es besteht dabei kein Risiko von Abweichungen im Interferenzsignal, weil der optische Pfad des zweifach gebeugten Lichtstrahls nicht verschoben ist.
Die geneigte Fläche oder Ebene A, innerhalb welcher die kohärente Lichtquelle 20 und das Lichtempfangselement 30 angeordnet sind, ist um einen Winkel γ relativ zur Gitteroberfläche 11a geneigt, wogegen die geneigte Fläche oder Ebene B, innerhalb welcher die Reflektoren 26 und 27 angeordnet sind, um einen Winkel δ relativ zur Gitteroberfläche 11a geneigt ist. Die linken und rechten optischen Pfade sind symmetrisch angeordnet. Die Positionen der Reflektoren 26 und 27 werden so angepasst, dass die optischen Weglängen oder Pfadlängen der linken und rechten optischen Pfade oder Wege einander gleich sind.
Dadurch können Messfehler aufgrund von Variationen in den Wellenlängen verhindert werden. Um eine derartige Anpassung zu erlauben, kann eine kohärente Lichtquelle 20 mit einer geringen Kohärenzlänge verwendet werden. Wenn z. B. ein multimodaler Halbleiterlaser mit einer Kohärenzlänge von hunderten von um verwendet wird, ist es ausreichend, die Positionen der Reflektoren 26 und 27 so anzupassen, die Modulationstiefe (Sichtbarkeit visability) der Interferenzmuster ein Maximum einnimmt. Dadurch kann die optische Weglängendifferenz unterdrückt werden, und zwar unterhalb der Größenordnung von μm.
Bei dieser optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 wird das gebeugte Licht 1. Ordnung verwendet. Folglich können die Winkel θ₀, θ, γ und δ durch die nachfolgenden Gleichungen repräsentiert werden: sinθ = (λ₀/dn) – sinθ₀ sinλ/sinδ = cosθ/cosθ₀, wobei θ₀ und θ die Werte in oder auf den Ebenen A bzw. B bezeichnen.
Die optische Skala oder Anzeige 10 der vorliegenden optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 ist für ein Gitterinterferometer ausgebildet, welches eine Position detektiert durch Detektieren von Änderungen in der Phase von Licht, die bewirkt werden durch eine Bewegung des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters, wie dies vorangehend beschrieben wurde. Die Positionsdetektionseinrichtung weist eine Schutzschicht 12 mit einem Brechungsindex oder Refraktionsindex n auf, welche ausgebildet ist, die Oberfläche der Positionsdetektionseinrichtung, welche das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter trägt, zu bedecken oder abzudecken. Mit einer Wellenlänge kohärenten Lichts im Vakuum mit einem Wert von λ₀ und mit einem Gitterabstand oder Pitch des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters mit einem Wert von d werden die Werte so eingestellt, dass d < 2λ₀/n erfüllt ist. Ein Einfallswinkel θ₀ kohärenten Lichts auf dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 wird so eingestellt, dass der Zusammenhang |sin θ₀| < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist. Folglich wird gebeugtes Licht von ±2. und höherer Ordnung in seiner Erzeugung zum Zeitpunkt der ersten Beugung nicht erlaubt.
Es wird beobachtet, dass bei der vorliegenden optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 das gebeugte Licht 1. Ordnung, welches durch das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 erzeugt wird, im selben Winkel einfällt wie es erneut gebeugt wird und dass das gebeugte Licht 1. Ordnung, welches auf diese Art und Weise durch doppelte Beugung erzeugt wird, verwendet wird. Falls also einfach der Einfallswinkel θ₀ des kohärenten Lichts auf dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 so gewählt und eingestellt wird, dass die Beziehung |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist, besteht die Möglichkeit, dass im Wege der erneuten Beugung, auf welche oben Bezug genommen wurde, gebeugtes Licht außer dem Licht 1. Ordnung erzeugt wird.
Falls die Anzahl der Ordnungen der Beugung zum Zeitpunkt der 2. Beugung mit m₂ und der Beugungswinkel mit θ' bezeichnet werden, ergibt sich sinθ' = (m₂ – 1)λ₀/dn + sinθ₀. so dass das Licht –1. Ordnung für m₂ = –2 gilt, so dass sinθ' = –2λ₀/dn + sinθ₀ erfüllt ist. Falls also sinθ₀ den Zusammenhang |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist, so gilt auch der Zusammenhang: –2λ₀/dn + sinθ₀ < –1 wobei dabei keine Lösung gegeben ist, so dass kein Licht von –1. Ordnung erzeugt wird.
In ähnlicher Weise ergibt sich für den Fall für Licht der –2. Ordnung mit m₂ = –2 die Gültigkeit des Zusammenhangs |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1, so dass der Zusammenhang –3λ₀/dn + sinθ₀ < –1 für alle Zeiten gilt, so dass keine Lösung vorliegt und somit kein Licht der Ordnung –2. erzeugt wird.
Für Licht der +2. Ordnung mit m₂ = +2 ergibt sich, dass die Beziehung sinθ' = λ₀/dn + sinθ₀ so dass selbst dann, wenn sinθ₀ erfüllt ist, der folgende Zusammenhang |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist, so dass manchmal eine Lösung vorliegt. Jedoch wird bei der vorliegenden optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 der Gitterabstand oder Pitch d des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 so eingestellt, dass der Gitterabstand oder Pitch d des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 und der Refraktionsindex oder Brechungsindex n der Schutzschicht 12 den Zusammenhang d < 3λ₀/2n erfüllt ist und der Zusammenhang 1 – (λ₀/dn) < sinθ₀ < (2λ₀/dn) – 1 gilt. Es ist somit möglich, die Erzeugung von Licht der +2. Ordnung genauso zu unterdrücken. In diesem Fall werden die Wertebereiche für d und für θ₀ enger als unter der Bedingung, dass kein gebeugtes Licht von 2. oder höherer Ordnung erzeugt wird und nur die erste Beugung verwendet wird. Es wird jedoch bevorzugt, die vorangehend beschriebenen zwei Bedingungen zu verwenden, und zwar in einem Fall, dass es eine markierte oder merkliche Beeinflussung (marked influence) durch Licht höherer Ordnung gibt, welches zum Zeitpunkt der zweiten Beugung erzeugt wird. Welche der oben genannten beiden Alternativen verwendet wird, hängt ab von den Lokalisationsrandbedingungen bei der Implementation und auch davon, in welchem Umfang der Einfluss von Licht höherer Ordnung toleriert werden kann. Falls ausschließlich gebeugtes Licht erster Ordnung verwendet wird, wie z. B. bei der japanischen Patentoffenlegungsschrift 2000-18917 , reicht eine derartige Bedingung aus, bei welcher die zweiten und höheren Ordnungen im gebeugten Licht nicht erzeugt werden und nur das gebeugte Licht erster Ordnung verwendet wird.
Bei der vorliegenden optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 ist ein Gitterabstand oder Pitch d des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 vorgesehen, wobei die Gitteroberfläche 11a mit einer Schutzschicht 12 mit dem Refraktionsindex oder Brechungsindex n bedeckt oder abgedeckt ist, und wobei die Wellenlänge des kohärenten Lichts im Vakuum mit λ₀ bezeichnet wird. Die Werte werden so eingestellt, dass die Beziehung d < 2λ₀/n erfüllt ist. Der Einfallswinkel θ des kohärenten Lichts auf dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter 11 wird so eingestellt, dass die Beziehung |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist. Das gebeugte Licht oder Beugungslicht 1. Ordnung wird für die Positionsdetektion oder Positionsbestimmung verwendet. Dadurch werden höhere Ordnungen im gebeugten Licht unnötig für die Positionsbestimmungen und können in ihrer Erzeugung unterdrückt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Erreugung von Streulicht zu verhindern, welches abgeleitet oder erzeugt wird durch unnötiges gebeugtes Licht, welches ansonsten erzeugt wird durch Reflexion an der Grenzschicht oder Grenzfläche der Schutzschicht 12 mit dem Refraktionsindex oder Brechungsindex n, welches abgeschieden wird oder wurde, um die Gitteroberfläche oder Gitterfläche 11a des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 nicht bedecken oder abzudecken. Somit ist es möglich, den Einfluss von Streulicht in Positionsdetektionslicht zu unterdrücken.
Darüber hinaus kann alternativ der Pitch oder Gitterabstand d des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 und der Refraktionsindex oder Brechungsindex n der Schutzschicht so gewählt werden, dass der Zusammenhang d < 3λ₀/2n erfüllt ist. Dabei wird der Einfallswinkel θ₀ des kohärenten Lichts auf dem Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter so eingestellt und gewählt, dass die Bedingung 1 – (λ₀/dn) < sinθ₀ < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist. Das Licht 1. Ordnung auf der Grundlage des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 wird über das reflexionsoptische System 42 zurückgeschickt, um erneut auf das Diffraktionsgitter oder Beugungsgitter einzufallen und von diesem erneut gebeugt zu werden, so dass erneut gebeugtes Licht erster Ordnung erzeugt wird, welches zur Positionsdetektion verwendet wird. Auf diese Art und Weise ist bei dem erneut einfallenden Licht 1. Ordnung gebeugtes Licht höherer Ordnung für die Positionsbestimmung unnötig und kann deshalb an seiner Erzeugung gehindert werden. Da nunmehr deshalb Streulicht vermieden werden kann, welches erzeugt wird durch unnötiges gebeugtes Licht, welches seinerseits erzeugt wird durch Reflexionen an der Grenzschicht oder Grenzfläche der Schutzschicht 12 mit dem Refraktionsindex oder Brechungsindex n, ist es möglich, einen Einfluss von Streulicht auf das Positionsdetektionslicht zu verhindern.
Die optische Verschiebungsdetektionseinrichtung 100, weist in der oben beschriebenen Form die optische Anzeige oder Skala 10 auf, welche die Reflexionsanordnung oder Reflexionskonfiguration des Diffraktionsgitters oder Beugungsgitters 11 trägt. Alternativ dazu kann die optische Verschiebungsdetektionseinrichtung so ausgebildet und angeordnet sein, dass das Beleuchtungs-/lichtempfangsoptische System 41 und das reflexionsoptische System 42 symmetrisch auf beiden Seiten einer Skala oder Anzeige mit Transmissionsanordnung oder Transmissionskonfiguration, welche keine Reflexionsschicht trägt, vorgesehen sind oder werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die optische Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 mit einer optischen Skala oder Anzeige 10 mit Reflexionsanordnung oder Reflexionskonfiguration mit einer reflektiven Beschichtung oder Schicht 14 und einer Schutzschicht 12 darauf ausgebildet. Die reflektive Beschichtung 14 ist auf der Gitteroberfläche 11a abgeschieden. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Anordnung mit einer Reflexionskonfiguration bei der optischen Skala oder optischen Anzeige beschränkt, sondern kann vielmehr auch auf optische Verschiebungsdetektionseinrichtungen angewandt werden, bei welchen eine Transmissionsanordnung oder Transmissionskonfiguration bei der optischen Skala oder optischen Anzeige vorgesehen ist, bei welcher keine reflektive Beschichtung vorgesehen wird.
Die optische Skala oder Anzeige 10, die bei der optischen Verschiebungsdetektionseinrichtung 100 vorgesehen wird, ist eine lineare Anzeige oder Skala, die in der Richtung des Gittervektors länglich ausgedehnt ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese optische Verschiebungsdetektionseinrichtung mit einer linearen Skala oder Anzeige beschränkt, sondern kann vielmehr auch auf optische Verschiebungsdetektionseinrichtungen angewandt werden, die eine rotationssymmetrische Konfiguration für die optische Skala oder Anzeige aufweisen.
Es versteht sich von selbst, dass verschiedene Abwandlungen, Kombinationen, Unterkombinationen und Änderungen hinsichtlich des Designs und anderer Faktoren bei den Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne dass der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2000-81308 [0006]
JP 5-232318 [0006]
JP 2000-18917 [0067]

Claims

Positionsdetektionseinrichtung zum Detektieren einer Position durch Detektieren von Änderungen in der Phase von Licht, welche bewirkt werden durch eine Bewegung eines Beugungsgitters, wobei: die Positionsdetektionseinrichtung eine Schutzschicht aufweist mit einem Refraktionsindex n, welche ausgebildet ist, eine Oberfläche des Beugungsgitters zu bedecken, wobei eine Wellenlänge kohärenten Lichts im Vakuum einen Wert λ₀ aufweist und wobei ein Gitterabstand des Beugungsgitters einen Wert d aufweist, welcher so eingestellt ist, dass die Beziehung d < 2λ₀/n erfüllt ist, wobei ein Einfallswinkel θ₀ des kohärenten Lichts auf dem Beugungsgitter so eingestellt ist, dass die Beziehung: |sinθ₀| < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist, wobei das Beugungslicht 1. Ordnung zur Positionsdetektion verwendet wird.
Positionsdetektionseinrichtung zum Detektieren einer Position durch Detektieren von Änderungen in der Phase von Licht, welche bewirkt werden durch eine Bewegung eines Beugungsgitters, wobei: die Positionsdetektionseinrichtung eine Schutzschicht aufweist mit einem Refraktionsindex n, welche ausgebildet ist, eine Oberfläche des Beugungsgitters zu bedecken, wobei eine Wellenlänge kohärenten Lichts im Vakuum einen Wert λ₀ aufweist und wobei ein Gitterabstand des Beugungsgitters einen Wert d aufweist, welcher so eingestellt ist, dass die Beziehung d < 3λ₀/2n erfüllt ist, wobei ein Einfallswinkel θ₀ des kohärenten Lichts auf dem Beugungsgitter so eingestellt ist, dass die Beziehung: 1 – (λ₀/dn) < sinθ₀ < (2λ₀/dn) – 1 erfüllt ist, wobei das Licht 1. Ordnung durch das Beugungsgitter zurückgeworfen oder zurückgeschickt wird durch ein optisches Reflexionssystem, um erneut auf das Beugungsgitter einzufallen und erneut davon gebeugt zu werden, um erneut gebeugtes Licht 1. Ordnung zu erzeugen, welches für die Positionsdetektion verwendet wird.