DE10349128B4

DE10349128B4 - Verschiebungsgeber

Info

Publication number: DE10349128B4
Application number: DE10349128A
Authority: DE
Inventors: Hideaki Tamiya; Kayoko Taniguchi; Akihiro Kuroda
Original assignee: Sony Manufacturing Systems Corp
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: JP4381671B2; US7034948B2; DE10349128A1; US20040080755A1; JP2004144581A

Abstract

Verschiebungsgeber mit:
– einer ersten Leseeinrichtung zum Emittieren eines Lichtstrahls auf Beugungsgitter und zum Lesen einer Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern;
– einer ersten Phasenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer die Phasendifferenz der miteinander interferierenden Lichtstrahlen bildenden ersten Phase auf Grundlage der durch die erste Leseeinrichtung erfassten Licht-Rücklaufkomponente;
– einer zweiten Leseeinrichtung zum Emittieren eines Lichtstrahls zu Beugungsgittern und zum Lesen einer Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern;
– einer zweiten Phasenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer die Phasendifferenz der miteinander interferierenden Lichtstrahlen bildenden zweiten Phase auf Grundlage der durch die zweite Leseeinrichtung erfassten Licht-Rücklaufkomponente;
– einer Phasenvergleichseinrichtung zum Ausführen eines Vergleichs zwischen den von den Phasenerfassungseinrichtungen erfassten ersten und zweiten Phasen;
– einer Ursprungssignal-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines einem Bezugspunkt auf dem Beugungsgitter zugeordneten Ursprungssignals auf Grundlage des Vergleichsergebnisses von der Phasenvergleichseinrichtung immer dann, wenn die Differenz der von den Phasenerfassungseinrichtungen erfassten Phasendifferenzen zwischen den ersten und zweiten Phasen einen vorbestimmten...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Verschiebungsgeber, der die Verschiebung einer Skala unter Verwendung optischer Interferenz aufnimmt.
2. Beschreibung der einschlägigen Technik
Herkömmlicherweise wird ein Gitterinterferometer dazu verwendet, eine Verschiebung eines auf einer sich bewegenden Skala aufgezeichneten Gitters unter Verwendung optischer Interferenz aufzunehmen. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 ein herkömmlicher Verschiebungsgeber beschrieben. Der Verschiebungsgeber ist allgemein mit der Bezugszahl 4 gekennzeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass der Verschiebungsgeber in der 1 ein Transmissionsgitter verwendet.
Wie es in der 1 dargestellt ist, verfügt der Verschiebungsgeber 4 über eine kohärente Lichtquelle 90, eine erste Linse 91, einen ersten Polarisations-Strahlteiler (PBS) 92, eine erste Viertelwellenplatte 93, ein Reflexionsprisma 94, eine zweite Viertelwellenplatte 95, eine zweite Linse 96, einen Strahlteiler (BS) 97, einen zweiten PBS 98, einen ersten fotoelektrischen Wandler 99, einen zweiten fotoelektrischen Wandler 100, eine dritte Viertelwellenplatte 101, einen dritten PBS 102, einen dritten fotoelektrischen Wandler 103, einen vierten fotoelektrischen Wandler 104, einen ersten Differenzverstärker 105, einen zweiten Differenzverstärker 106 und einen Inkrementalsignalgenerator 107. Der auf die obige Weise aufgebaute Verschiebungsgeber 4 liest auf einer Skala 108 aufgezeichnete Transmissionsgitter.
Die kohärente Lichtquelle 90 emittiert einen Lichtstrahl zur ersten Linse 91. Die erste Linse 91 konvergiert den einfallenden Lichtstrahl in einen geeigneten Lichtstrahl und lässt diesen zum ersten PBS 92 laufen. Der erste PBS 92 teilt den einfallenden Lichtstrahl in zwei Lichtkomponenten auf: eine S-polarisierte Lichtkomponente und eine P-polarisierte Lichtkomponente. Es sei darauf hingewiesen, dass der erste PBS 92 den die P-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl reflektiert und den die S-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl durchlässt. Es sei auch darauf hingewiesen, dass dann, wenn der von er kohärenten Lichtquelle 90 emittierte Lichtstrahl in einer Polarisationsebene polarisiertes Licht ist, die Polarisationsrichtung desselben um 45° gedreht wird, wenn er auf den ersten PBS 92 fällt. So ist es möglich, die Intensität des die S-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahls an die Intensität des die P-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahls anzugleichen.
Der die S-polarisierte Lichtkomponente enthaltende Lichtstrahl fällt auf einen Punkt P auf den auf der Skala 108 aufgezeichneten Gittern, während der die P-polarisierte Lichtkomponente enthaltende Lichtstrahl auf einen Punkt Q auf den Gittern fällt. Sie werden in Richtungen gebeugt, die jeweils durch die folgende Formel gegeben sind: sinΘ1 + sinΘ2 = n·λ/Λwobei Θ₁ den Einfallswinkel auf der Skala 108 kennzeichnet, Θ₂ den Beugungswinkel von der Skala 108 kennzeichnet, Λ den Strichabstand (Strichweite) der Gitter kennzeichnet, λ die Wellenlänge des Lichtstrahls kennzeichnet und n eine Beugungsordnung kennzeichnet.
Im Verschiebungsgeber 4 erfolgt eine Einstellung unter der Annahme, dass der Einfallswinkel am Punkt P Θ_1p ist, der Beugungswinkel ausgehend vom Punkt P Θ_2p ist, der Einfallswinkel am Punkt Q Θ_1q ist und der Beugungswinkel vom Punkt Q Θ_2q ist, mit Θ_2q, Θ_1p = Θ_2p = Θ_1q und Θ_2q. Auch ist die Beugungsordnung an den Punkten P und Q dieselbe.
Der am Punkt P gebeugte Lichtstrahl durchläuft die erste Viertelwellenplatte 93, wird durch das Reflexionsprisma 94 vertikal zurück zum PUnkt P reflektiert, und er wird durch das Gitter gebeugt. Dabei ist der Lichtstrahl, der zum Punkt P zurückgekehrt ist, eine P-polarisierte Lichtkomponente, da die optische Achse der ersten Viertelwellenplatte 93 unter 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls geneigt ist.
In ähnlicher Weise durchläuft der am Punkt Q gebeugte Lichtstrahl die zweite Viertelwellenplatte 95, wird durch das Reflexionsprisma 94 vertikal zurück zum Punkt Q reflektiert, und er wird durch das Gitter gebeugt. Dabei ist der Lichtstrahl, der zum Punkt Q zurückgekehrt ist, eine S-polarisierte Lichtkomponente, da die optische Achse der zweiten Viertelwellenplatte 95 unter 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls geneigt ist.
Die Lichtstrahlen, die erneut an den Punkten P und Q gebeugt wurden, kehren zum ersten PBS 92 zurück. Da der Lichtstrahl, der vom Punkt P zurückgekehrt ist, die P-polarisierte Lichtkomponente enthält, kann er durch den ersten PBS 92 hindurchlaufen, während der Lichtstrahl, der vom Punkt P zurückgekehrt ist, die S-polarisierte Lichtkomponente enthält und durch den ersten PBS 92 reflektiert wird. Daher werden die Lichtstrahlen, die von den Punkten P und Q zurückgekehrt sind, im ersten PBS 92 einander überlagert, und sie fallen auf die zweite Linse 96. Die überlagerten Lichtstrahlen werden durch die zweite Linse 96 in einen geeigneten Lichtstrahl konvergiert, und sie fallen auf den BS 97. Der BS 97 teilt den einfallenden Lichtstrahl in zwei Lichtkomponenten, von denen eine auf den zweiten PBS 98 fällt und die andere auf die dritte Viertelwellenplatte 101 fällt. Es sei darauf hingewiesen, dass der zweite PBS 98 und die dritte Viertelwellenplatte 101 um 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls geneigt sind.
Der zweite PBS 98 teilt den einfallenden Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen auf: einen, der die S-polarisierte Lichtkomponente enthält, und einen anderen, der die P-polarisierte Lichtkomponente enthält, und er lässt den die S-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl durch, damit dieser auf den ersten fotoelektrischen Wandler 99 fällt, während er den die P-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl durchläuft, damit er auf den zweiten fotoelektrischen Wandler 100 fällt. Der erste und der zweite fotoelektrische Wandler 99 und 100 erzeugen Interferenzsignale Acos (4Kx + δ), wobei K den Wert 2π/λ hat, x eine Verschiebung kennzeichnet und δ die Phase bei des Verschiebung x = 0. Der erste fotoelektrische Differenzverstärker 99 erzeugt ein Interferenzsignal, dessen Phase um 180° gegenüber derjenigen eines Interferenzsignals verschoben ist, das der zweite fotoelektrische Wandler 100 erzeugt.
Auch erzeugt die dritte Viertelwellenplatte 101, aus dem einfallenden Lichtstrahl, einen zirkular polarisierten Lichtstrahl, in dem sich die P- bzw. die S-polarisierte Lichtkomponente enthaltende Lichtstrahlen in entgegengesetzten Richtungen drehen, die einander überlagert werden, um einen eben polarisierten Lichtstrahl zu erzeugen. Dieser eben polarisierte Lichtstrahl fällt auf den dritten PBS 102. Der dritte PBS 102 teilt den einfallenden, eben polarisierten Lichtstrahl in einen die S-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl, der auf den dritten fotoelektrischen Wandler 103 fällt, und einen die P-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl auf, der auf den vierten fotoelektrischen Wandler 104 fällt. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Polarisationsrichtung des auf den dritten PBS 102 fallenden Lichtstrahls um eine Windung dreht, wenn die Beugungsgitter um λ/2 in der Messrichtung X bewegt werden. Daher können der dritte und der vierte fotoelektrische Wandler 103 und 104 Interferenzsignale Acos (4Kx + δ'), ähnlich wie der erste und der zweite fotoelektrische Wandler 99 und 100, erzeugen.
Der dritte fotoelektrische Wandler 103 erzeugt ein Signal, dessen Phase um 180° verschieden von dem eines vom vierten fotoelektrischen Wandler 104 erzeugten Signals ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der dritte PBS 102 unter einem Winkel von 45° in Bezug auf den zweiten PBS 98 angeordnet ist und daher die vom dritten und vierten fotoelektrischen Wandler 103 und 104 erzeugten Signale phasenmäßig um 90° verschieden von Signalen sind, wie sie vom ersten und zweiten fotoelektrischen Wandler 99 und 100 erzeugt werden.
Der erste Differenzverstärker sorgt für eine Differenzverstärkung der vom ersten und zweiten fotoelektrischen Wandler 99 und 100 zugeführten elektrischen Signale, um ein Signal zu erzeugen, in dem eine DC(Gleichstrom)-Komponente des Interferenzsignals ausgelöscht ist, und er liefert dieses an den Inkrementalsignalgenerator 107. Auch sorgt der zweite Differenzverstärker 106 für eine ähnliche Differenzverstärkung der vom dritten und vierten fotoelektrischen Wandler 103 und 104 gelieferten elektrischen Signale, um ein Signal zu erzeugen, dessen DC-Komponente im Interferenzsignal ausgelöscht ist, und er liefert dieses an den Inkrementalsignalgenerator 107.
Der auf die obige Weise aufgebaute Verschiebungsgeber 4 zeichnet sich dadurch aus, dass selbst eine Bewegung der Beugungsgitter in der Richtung Y zu keinerlei Fehler der Positionsmessung führt, da seine optischen Systeme symmetrisch in Bezug auf eine senkrechte Linie A in der 1 ausgebildet sind. Auch ist er dadurch gekennzeichnet, dass er aufgrund der Gleichheit der optischen Pfadlänge für den Einfall auf den Punkt P mit der für den Einfall auf den Punkt Q kaum durch die Wellenlänge der Lichtquelle beeinflusst wird.
Ein deratiger Verschiebungsgeber ist aus dem veröffentlichten, geprüften japanischen Patent Nr. 35248 von 1990, bekannt.
Der o.g. Verschiebungsgeber 4 wird bei Röntgenlithografie oder einer Präzisionsbearbeitung zum Herstellen eines integrierten Schaltkreises verwendet. Für eine genaue Messung einer Position oder eines Wegs muss ein Bezugspunkt oder Ursprung zusätzlich zu einem Inkrementalsignal eingestellt werden. Der Verschiebungsgeber 4 verfügt über die Skala 108 zum Erfassen eines Inkrementalsignals und die Skala 108 zum Erfassen eines Ursprungssignals. Sowohl für die Skala 108 zum Erfassen des Inkrementsignals als auch für die Skala 108 zum Erfassen des Ursprungssignals ist jeweils eine gesonderte Spur und ein geänderter Lesemechanismus vorhanden. Daher wird die Messung durch einen Abbé-Fehler und einen durch eine Temperaturdrift hervorgerufenen Fehler beeinflusst, und so kann der Verschiebungsgeber 4 den Ursprung nicht mit hoher Genauigkeit erfassen. Insbesondere kann der herkömmliche Verschiebungsgeber 4 einen beliebigen Ursprung nicht wiederholt mit stabiler Genauigkeit, die in der Nanometer(nm)-Größenordnung liegt, messen.
Aus der DE 692 11 086 T2 ) ist ein optischer Verschiebungsgeber bekannt, der zwei Leseeinrichtungen zum Emittieren von Lichtstrahlen aufweist. Die Lichtstrahlen werden mittels eines Beugungsgitters gebeugt und es werden Überlagerungssignale erzeugt. Die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Überlagerungssignal werden gemessen, um dadurch eine Information hinsichtlich einer relativen Verschiebung des Beugungsgitters bezüglich der Strahlen zu messen.
Die EP 1 104 543 B1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Translation, Rotation oder der Geschwindigkeit mittels Lichtbeugung, die mit mindestens zwei Beugungsgittern versehen ist, die auf relativ zueinander verschiebbaren Gegenständen angeordnet sind. Das Beugungsgitter kann mit unterschiedlichen Strichabständen versehen sein.
Aus der EP 0 682 230 B1 ist eine Anordnung zum Messen der Bewegung eines Gegenstands bekannt, bei dem eine Lichtquelle, die auf ein Beugungsgitter kohärentes Licht einstreut und zwei Detektionseinrichtungen zum Detektieren von Interferenzlichtstrahlen vorgesehen sind. Eine der Detektionseinrichtungen ermittelt die sich bei einer Linearbewegung des Gegenstands ergebenden Phasen der Beugungslichtstrahlen und die andere Detektionseinrichtung ermittelt die Phasen bei einer Rotationsbewegung des Gegenstands.
In der EP 0 620 418 B1 ist ein Instrument zur optischen Messung der Verschiebung einer Skala, bei das von einer kohärenten Lichtquelle ausgesendete Licht über einen ersten Strahlteiler einem Beugungsgitter zugeführt wird. Ein lichtreflektierendes Element, das zusammen mit dem Beugungsgitter eine Skala bildet reflektiert die geteilten Strahlen wieder auf das Beugungsgitter. In der Nähe des Schnittpunkts der beiden reflektierten Strahlen ist ein zweiter Strahlteiler angeordnet, der das reflektierte Licht einem photoelektrischen Wandler zuführt. Der photoelektrische Wandler gibt ein Signal aus, das den Interferenzzustand anzeigt.
Aus der EP 0 727 646 B1 sind verschiedene Skalen für Verschiebungsgeber bekannt mit einem oder mehreren Beugungsgittern bekannt. Die EP 0 672 891 B1 beschreibt ebenfalls einen Verschiebungsgeber mit mehreren Beugungsgittern.
In der WO 02/079 719 A2 ist ein Mikro-Inferometer zum Messen des Abstands zur Oberfläche eines Objekts beschrieben und die EP 0 694 764 B1 offenbart eine auf einem Substrat angeordnete Detektorreihe für interferometrische Messsysteme, mittels der die Phase eines auftreffenden Interferenzmusters ermittelt wird.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, die o.g. Nachteile der einschlägigen Technik dadurch zu überwinden, dass ein Verschiebungsgeber geschaffen wird, der ein Inkrementalsignal und ein Ursprungssignal erzeugen kann, deren Genauigkeit in der Nanometer(nm)-Größenordnung stabil ist.
Die obige Aufgabe kann dadurch gelöst werden, dass ein Ver schiebungsgeber mit Folgendem geschaffen wird:

– einer ersten Leseeinrichtung zum Emittieren, eines Lichtstrahls auf Beugungsgitter und zum Lesen einer Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern;
– einer ersten Phasenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer ersten Phase auf Grundlage der durch die erste Leseeinrichtung erfassten Licht-Rücklaufkomponente;
– einer zweiten Leseeinrichtung zum Emittieren eines Lichtstrahls zu Beugungsgittern und zum Lesen einer Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern;
– einer zweiten Phasenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer zweiten Phase auf Grundlage der durch die zweite Leseeinrichtung erfassten Licht-Rücklaufkomponente;
– einer Phasenvergleichseinrichtung zum Ausführen eines Vergleichs zwischen der ersten und der zweiten Phase;
– einer Ursprungssignal-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Ursprungssignals auf Grundlage des Vergleichsergebnisses von der Phasenvergleichseinrichtung; und
– einer Skala, auf der ein erstes Gebiet, in dem Beugungsgitter mit einem vorbestimmten Strichabstand aufgezeichnet sind und von dem die Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern durch die erste Leseeinrichtung gelesen wird und ein zweites Gebiet ausgebildet sind, in dem Beugungsgitter mit einem vorbestimmten Strichabstand, der vom Beugungsgitter-Strichabstand im ersten Gebiet verschieden ist, aufgezeichnet sind, und aus dem die Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern durch die zweite Leseeinrichtung gelesen wird, wobei die Skala in einer Richtung verschiebbar ist, in der die Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern durch die erste und die zweite Leseeinrichtung gelesen wird;
– wobei das erste und das zweite Gebiet so auf der Skala ausgebildet sind, dass sie in derselben Messrichtung um denselben Weg verschiebbar sind; und
– einer Position zum Lesen, mittels der ersten Leseeinrich tung, der im ersten Gebiet aufgezeichneten Positionsinformation, und einer Position zum Lesen, durch die zweite Leseeinrichtung, der im zweiten Gebiet aufgezeichneten Positionsinformation, wobei diese Positionen in der Messrichtung in einer Linie liegen.

Diese Aufgaben sowie andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm des herkömmlichen Verschiebungsgebers;
2 ist ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschiebungsgebers;
3 zeigt den Winkel eines vom Verschiebungsgeber in der 2 erzeugten Lissajous-Signals;
4 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschiebungsgebers; und
5 ist ebenfalls ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschiebungsgebers.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verschiebungsgebers unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
Die Erfindung wird bei einem Verschiebungsgeber angewandt, wie er in der 2 beispielhaft dargestellt und allgemein mit der Bezugszahl 1 gekennzeichnet ist. Wie dargestellt, verfügt der Verschiebungsgeber 1 über eine Skala 12, auf der ein erstes Gebiet 12a, in dem Beugungsgitter mit einem vorbestimmten Strichabstand aufgezeichnet sind, und ein zweites Gebiet 12b definiert sind, in dem Beugungsgitter mit einem vorbestimmten Strichabstand aufgezeichnet sind, der verschieden von dem im ersten Gebiet ist, ein erstes optisches System 10 zum Lesen einer Rücklaufkomponente eines auf die Skala 12 fallenden Lichtstrahls, ein zweites optisches System 11 zum Lesen der Rücklaufkomponente des auf die Skala 12 fallenden Lichtstrahls, einen Inkrementalsignalgenerator 13 zum Erzeugen eines Inkrementalsignals, einen ersten Phasendetektor 14 zum Erfassen einer Phase auf Grundlage des vom ersten optischen System 10 gelesenen Signals, einen zweiten Phasendetektor 15 zum Erfassen einer Phase auf Grundlage des vom zweiten optischen System 11 gelesenen Signals, einen Phasenkomparator 16 zum Ausführen eines Vergleichs zwischen der durch den ersten Phasendetektor 14 erfassten Phase und derjenigen, die durch den zweiten Phasendetektor 15 erfasst wurde, und einen Impulssignalgenerator 17 zum Erzeugen eines Impulssignals auf Grundlage eines vom Phasenkomparator 16 ausgegebenen Signals.
Wie es in der 2 dargestellt ist, verfügt das erste optische System 10 über eine kohärente Lichtquelle 20 zum Emittieren eines Lichtstrahls, eine erste Linse 21 zum Konvergieren eines von der kohärenten Lichtquelle 10 emittierten Lichtstrahls, einen ersten Polarisations-Strahlteiler (PBS) 22 zum Aufteilen des durch die erste Linse konvergierten Lichtstrahls in eine S-polarisierte Lichtkomponente und eine P-polarisierte Lichtkomponente, eine erste Viertelwellenplatte 23 zum Ändern der optischen Achse des einfallenden Lichtstrahls, ein Reflexionsprisma 24 zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls, eine zweite Viertelwellenplatte 25 zum Ändern der optischen Achse eines einfallenden Lichtstrahls, eine zweite Linse 26 zum Konvergieren eines einfallenden Lichtstrahls, einen Strahlteiler (BS) 27 zum Aufteilen eines einfallenden Lichtstrahls in Hälften, einen zweiten PBS 28 zum Aufteilen eines einfallenden Lichtstrahls in eine S-polarisierte Lichtkomponente und eine P-polarisierte Lichtkomponente, einen ersten fotoelektrischen Wandler 29 zum Wandeln eines einfallenden Lichtstrahls in ein elektrisches Signal, einen zweiten fotoelektrischen Wandler 30 zum Wandeln eines einfallenden Lichtstrahls in ein elektrisches Signal, eine dritte Viertelwellenplatte 31 zum Ändern der optischen Achse eines einfallenden Lichtstrahls, einen dritten PBS 32 zum Aufteilen eines einfallenden Strahls in eine S-polarisierte Lichtkomponente und eine P-polarisierte Lichtkomponente, einen dritten fotoelektrischen Wandler 33 zum Wandeln eines einfallenden Lichtstrahls in ein elektrisches Signal, einen vierten fotoelektrischen Wandler 34 zum Wandeln eines einfallenden Lichtstrahls in ein elektrisches Signal, einen ersten Differenzverstärker 35, um eine Differenzverstärkung der vom ersten und zweiten fotoelektrischen Wandler 29 und 30 gelieferten elektrischen Signale auszuführen, und einen zweiten Differenzverstärker 36, um eine Differenzverstärkung der vom dritten und vierten fotoelektrischen Wandler 33 und 34 gelieferten elektrischen Signale auszuführen. Bei diesem optischen System 10 wird jedes der auf der Skala 12 aufgezeichneten Beugungsgitter gelesen, und das Leseergebnis wird an den Inkrementalsignalgenerator 13 und den ersten Phasendetektor 14 geliefert.
Nun wird die Skala 12 erläutert. Auf der Skala 12 sind auf einer Seite derselben in Bezug auf eine Messrichtung das erste Gebiet 12a, in dem die Beugungsgitter mit dem Strichabstand Λ aufgezeichnet sind, und auf der anderen Seite das zweite Gebiet 12b ausgebildet, in dem die Beugungsgitter mit dem Strichabstand Λ + Λ/n (wobei n eine von null verschiedene positive ganze Zahl ist) aufgezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass Λ z.B. 0,55 μm beträgt. Auf der Skala 12 liegen Punkte (P und Q) des Einfalls auf das erste Gebiet 12a und solche (R und S) auf das zweite Gebiet 12b in einer Linie mit der Messrichtung. Es sei darauf hingewiesen, dass das erste und das zweite Gebiet 12a und 12b auf derselben Skala oder auf getrennten Skalen ausgebildet sein können. Im letzteren Fall sind die Skalen auf derselben Basis fixiert, um in gleicher Weise in der gleichen Verschieberichtung verschiebbar zu sein.
Die kohärente Lichtquelle 20 emittiert einen Lichtstrahl zur ersten Linse 21. Die erste Linse 21 konvergiert den einfallenden Lichtstrahl in geeigneter Weise und lenkt ihn zum ersten PBS 22. Der erste PBS 22 teilt den einfallenden Lichtstrahl in zwei Lichtkomponenten auf: eine S-polarisierte und eine P-polarisierte. Der erste PBS 22 lässt den die S-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl auf den Punkt P fallen, und er lässt den die P-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl auf den Punkt Q fallen, so dass der optische Pfad bis zum Punkt P im ersten Gebiet 12a der Skala 12 punktsymmetrisch zum optischen Pfad bis zum Punkt Q ist. Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn der Lichtstrahl von der kohärenten Lichtquelle 20 ein eben polarisierter Lichtstrahl ist, die Polarisationsrichtung für den Einfall des Lichtstrahls auf den ersten PBS 22 um 45° geneigt ist. Dadurch ist es möglich, die Intensität der S-polarisierten Lichtkomponente mit der der P-polarisierten Lichtkomponente gleichzumachen.
Auch werden die auf die Punkte P und Q fallenden Lichtstrahlen in jeweiligen Richtungen gebeugt, die durch die folgende Formel gegeben sind: sinΘ1 + sinΘ2 = n·λ/Λ wobei Θ₁ den Einfallswinkel auf die Skala 12 kennzeichnet, Θ₂ den Beugungswinkel von der Skala 12 kennzeichnet, Λ den Strichabstand (Strichweite) der Gitter kennzeichnet, λ die Wellenlänge des Lichtstrahls kennzeichnet und n eine Beugungsordnung kennzeichnet.
Im Verschiebungsgeber 1 erfolgt eine Einstellung unter der Annahme, dass der Einfallswinkel am Punkt P Θ_1p ist, der Beugungswinkel vom Punkt P Θ_2p ist, der Einfallswinkel am Punkt Q Θ_1q ist und der Beugungswinkel vom Punkt Q Θ_2q ist, mit Θ_1p = Θ_1q und Θ_2p = Θ_2q. Auch ist die Beugungsordnung an den Punkten P und Q dieselbe.
Der am Punkt P gebeugte Lichtstrahl durchläuft die erste Viertelwellenplatte 23, wird durch das Reflexionsprisma 24 vertikal zurück zum Punkt P reflektiert und durch das Beugungsgitter gebeugt. Dabei ist der Lichtstrahl, der zum Punkt P zurückgekehrt ist, eine P-polarisierte Lichtkomponente, da die optische Achse der ersten Viertelwellenplatte 23 um 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls geneigt ist.
In ähnlicher Weise durchläuft der am Punkt Q gebeugte Lichtstrahl die zweite Viertelwellenplatte 25, wird durch das Reflexionsprisma 24 vertikal zurück zum Punkt Q reflektiert und durch das Gitter gebeugt. Dabei ist der Lichtstrahl, der zum Punkt Q zurückgekehrt ist, eine S-polarisierte Lichtkomponente, da die optische Achse der zweiten Viertelwellenplatte 25 um 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls geneigt ist.
Die Lichtstrahlen, die erneut an den Punkten P und Q gebeugt wurden, kehren zum ersten PBS 22 zurück.
Da der Lichtstrahl, der vom Punkt P zurückkehrte, die P-polarisierte Lichtkomponente enthält, wird er durch den ersten PBS 22 durchgelassen, während der Lichtstrahl, der vom Punkt Q zurückkehrte, durch den ersten PBS 22 reflektiert wird, da er die S-polarisierte Lichtkomponente enthält. Daher werden die Lichtstrahlen, die von den Punkten P und Q zurückkehrten, im ersten PBS 22 einander überlagert, und sie fallen auf die zweite Linse 26.
Nun wird die Längenbeziehung zwischen einem optischen Pfad bis zur ersten Viertelwellenplatte 23 über den Punkt P ausgehend vom ersten PBS 22 und eines optischen Pfads bis zur zweiten Viertelwellenplatte 25 über den Punkt Q beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass beim Verschiebungsgeber 1 der optische Pfad bis zur ersten Viertelwellenplatte 23 über den Punkt P punktsymmetrisch zu dem bis zur zweiten Viertelwellenplatte 25 übenden Punkt Q ist.
Um jeglichen Fehler zu vermeiden, wie er durch eine Variation der Wellenlänge der Lichtquelle bei dieser Ausführungsform hervorgerufen wird, wird die Länge des optischen Pfads bis zur ersten Viertelwellenplatte 23 über den Punkt P, über den der die S-polarisierte Lichtkomponente vom ersten PBS 22 läuft, so eingestellt, dass sie derjenigen des optischen Pfads bis zur zweiten Viertelwellenplatte 25 über den Punkt Q, entlang dem der die P-polarisierte Lichtkomponente vom ersten PBS 22 läuft, gleich ist. Die Genauigkeit dieser Einstellung hängt von der erforderlichen Genauigkeit der Längenmessung und der Umgebungstemperatur ab, bei der der Verschiebungsgeber 1 verwendet wird. Unter der Annahme, dass die erforderliche Längengenauigkeit ΔE beträgt, der Strichabstand der Skala Λ ist, die Wellenlänge der Lichtquelle λ ist und die Variation der Wellenlänge aufgrund einer Temperaturschwankung Δλ ist, muss die Längendifferenz ΔL zwischen den obigen optischen Pfaden der folgenden Formel genügen: ΔE > Δλ/λ2 × 2 × ΔL × Λ/4
Unter der Annahme, dass die Schwankung der Betriebs-Umgebungstemperatur z.B. 10°C beträgt, beträgt die Wellenlängenschwankung eines üblicherweise verwendeten Halbleiterlasers mit einer Wellenlänge von 780 nm ungefähr 3 nm. In diesem Fall muss, wenn für den Strichabstand der Skala Λ = 0,55 μm gilt und die erforderliche Genauigkeit der Längenmessung ΔE = 0,1 μm ist, die Längendifferenz ΔL zwischen den obigen optischen Pfaden kleiner als 74 μm sein. Um die Differenz ΔL einzustellen, sollte eine Lichtquelle mit geeigneter Kohärenzlänge verwendet werden.
Im Allgemeinen hängt die Erkennbarkeit, die den Modulationsgrad der Interferenzstreifen in einem Interferometer repräsentiert, von der Kohärenz der Lichtquelle und der Längendifferenz zwischen zwei optischen Pfaden ab, entlang denen zwei Lichtstrahlen laufen, die miteinander interferieren. Es ist gut bekannt, dass die Erkennbarkeit einer Lichtquelle mit guter Kohärenz, wie eines Laser oder dergleichen, die in einer einzelnen Mode schwingt, selbst dann nicht verlorengeht, wenn zwischen den optischen Pfaden eine große Längendifferenz besteht, während bei einer Lichtquelle ohne gute Kohärenz die Erkennbarkeit der Interferenzstreifen abhängig von einer Schwankung der Längendifferenz zwischen den zwei optischen Pfaden variiert.
Da mit einer Lichtquelle mit guter Kohärenz, wie oben, eine Längendifferenz zwischen den zwei optischen Pfaden als verringerter Modulations(Erkennbarkeits)grad eines Interferenzsignals erkannt werden kann, können die optischen Pfadlängen dadurch einander gleichgemacht werden, dass eine solche Einstellung erfolgt, dass der Modulationsgrad des Interferenzsignals maximal ist. Z.B. kann mit einem Halbleiterlaser mit einer Kohärenzlänge von ungefähr 200 μm, der in mehreren Moden schwingt, die Längendifferenz ΔL zwischen den optischen Pfaden leicht kleiner als 74 μm eingestellt werden.
Auch kann, nur für die obige Einstellung die kohärente Lichtquelle 20, eine Lichtquelle sein, deren Kohärenzlänge beschränkt ist, und nach der Einstellung kann sie durch eine andere, billige Lichtquelle mit großer Kohärenzlänge (z.B. einem typischen Halbleiterlaser, der in einer Einzelmode schwingt) ersetzt werden.
Die zweite Linse 26 konvergiert den einfallenden Lichtstrahl für Einfall auf den BS 27. Der BS 27 halbiert den einfallenden Lichtstrahl, wobei einer derselben auf den zweiten PBS 28 fällt und der andere auf die dritte Lichtkomponente 31 fällt. Es sei darauf hingewiesen, dass der zweite PBS 28 und die dritte Lichtkomponente 31 unter einem Winkel von 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls stehen.
Der zweite PBS 28 teilt den einfallenden Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen auf: einen, der eine S-polarisierte Lichtkomponente enthält, und einen anderen, der eine P-polarisierte Lichtkomponente enthält, und er lässt den die S-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl für Auffallen auf den ersten fotoelektrischen Wandler 29 durch, während er den die P-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl für Einfall auf den zweiten fotoelektrischen Wandler 30 durchlässt. Der erste und der zweite fotoelektrische Wandler 29 und 30 erzeugen Interferenzsignale (4Kx + δ), wobei K 2π/Λ kennzeichnet, x eine Verschiebung kennzeichnet und δ eine Phase bei der Verschiebung x = 0. Der erste fotoelektrische Wandler 29 erzeugt ein Interferenzsignal, dessen Phase um 180° gegenüber der eines Interferenzsignals verschoben wird, das der zweite fotoelektrische Wandler 30 erzeugt.
Auch erzeugt die dritte Viertelwellenplatte 31 aus dem einfallenden Lichtstrahl einen zirkular polarisierten Lichtstrahl, in dem sich die P- bzw. die S-polarisierte Lichtkomponente enthaltende Lichtstrahlen in entgegengesetzten Richtungen drehen, wobei sie einander überlagert werden, um einen eben polarisierten Lichtstrahl zu erzeugen. Dieser eben polarisierte Lichtstrahl fällt auf den dritten PBS 32. Der dritte PBS 32 teilt den einfallenden, eben polarisierten Lichtstrahl in einen eine S-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl für Einfall auf den dritten fotoelektrischen Wandler 33 und einen eine P-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl für Einfall auf den vierten fotoelektrischen Wandler 34 auf. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Polarisationsrichtung des auf den dritten PBS 32 fallenden eben polarisierten Lichtstrahls um eine Windung dreht, wenn sich die Beugungsgitter um Λ/2 in der Messrichtung X bewegen. Daher können der dritte und der vierte fotoelektrische Wandler 33 und 34 Interferenzsignale (4Kx + δ), ähnlich wie der erste und der zweite fotoelektrische Wandler 29 und 30, erzeugen.
Der dritte fotoelektrische Wandler 33 erzeugt ein Signal, dessen Phase um 180° von der eines Signals verschieden ist, das vom vierten fotoelektrischen Wandler 34 erzeugt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der dritte PBS 32 unter einem Winkel von 45° in Bezug auf den zweiten PBS 28 angeordnet ist. Daher unterscheiden sich die vom dritten und vierten fotoelektrischen Wandler 33 und 34 phasenmäßig um 90° von Signalen, die vom ersten und zweiten fotoelektrischen Wandler 29 und 30 erzeugt werden.
Der erste Differenzverstärker 35 sorgt für eine Differenzverstärkung der vom ersten und zweiten fotoelektrischen Wandler 29 und 30 gelieferten elektrischen Signale, um ein Signal zu erzeugen, in dem eine DC(Gleichstrom)-Komponente des Interferenzsignals ausgelöscht ist, und er liefert dieses an den Inkrementalsignalgenerator 13 und den ersten Phasendetektor 14. Auch führt der zweite Differenzverstärker 36 eine ähnliche Differenzverstärkung der vom dritten und vierten fotoelektrischen Wandler 33 und 34 gelieferten elektrischen Signale aus, um ein Signal zu erzeugen, dessen DC-Komponente des Interferenzsignals ausgelöscht ist, und er liefert es an den Inkrementalsignalgenerator 13 und den ersten Phasendetektor 14.
Der Inkrementalsignalgenerator 13 ermittelt die Richtung und das Ausmaß der Verschiebung der Skala auf Grundlage der vom ersten und zweiten Differenzverstärker 35 und 36 gelieferten Signale, um ein Inkrementalsignal zu erzeugen. Der erste Phasendetektor 14 ermittelt einen Winkel Θ_a eines in der 3 dargestellten Lissajous-Signals, und er liefert ihn an den Phasenkomparator 16.
Wie es in der 2 dargestellt ist, verfügt das zweite optische System 11 über eine kohärente Lichtquelle 40, eine erste Linse 41, einen ersten Polarisations-Strahlteiler (PBS) 42, eine erste Viertelwellenplatte 43, eine Reflexionsprisma 44, eine zweite Viertelwellenplatte 45, eine zweite Linse 46, einen Strahlteiler (BS) 47, einen zweiten PBS 48, einen ersten fotoelektrischen Wandler 49, einen zweiten fotoelektrischen Wandler 50, eine dritte Viertelwellenplatte 51, einen dritten PBS 52, einen dritten fotoelektrischen Wandler 53, einen vierten fotoelektrischen Wandler 54, einen ersten Differenzverstärker 55 und einen zweiten Differenzverstärker 56. Bei diesem zweiten optischen System 11 wird jedes der auf der Skala 12 aufgezeichneten Beugungsgitter gelesen, und das Leseergebnis wird an den zweiten Phasendetektor 15 geliefert. Es sei darauf hingewiesen, dass, da das zweite optische System ähnlich wie das o.g. erste optische System 10 arbeitet, wird hier die Funktion jeder Komponente nicht erläutert.
Ähnlich wie der erste Phasendetektor 14 ermittelt der zweite Phasendetektor 15 einen Winkel Θ_b eines Lissajous-Signals auf Grundlage von vom ersten und zweiten Differenzverstärker 55 und 56 gelieferten Signalen, und er liefert ihn an den Phasenkomparator 16.
Der Phasenkomparator 16 funktioniert so, wie es unten beschrieben wird. Im ersten Phasendetektor 14 dreht sich, wenn die Skala um Λ/4 in einer vorbestimmten Messrichtung verschoben wird, der Winkel Θ_a des Lissajous-Signals um eine Umdrehung. Im zweiten Phasendetektor 15 dreht sich, wenn die Skala 12 um (Λ + Λ/n)/4 in einer vorbestimmten Messrichtung verschoben wird, der Winkel Θ_b des Lissajous-Signals um eine Windung.
Der Phasenkomparator 16 ermittelt die Differenz ΔΘ(ΔΘ = Θ_a – Θ_b) zwischen dem Winkel Θ_a des vom ersten Phasendetektor 14 gelieferten Lissajous-Signals und des Winkels Θ_b des vom zweiten Phasendetektor 15 gelieferten Lissajous-Signals. Die Differenz ΔΘ variiert, wenn die Skala 12 verschoben wird, und sie nimmt erneut den Anfangswert ein, wenn die Skala 12 in einer vorbestimmten Messrichtung um Λ(1 + n)/4 verschoben ist.
Der Phasenkomparator 16 liefert die Differenz ΔΘ an den Impulssignalgenerator 17. Wenn die Differenz ΔΘ einem vorbestimmten Differenzwert ΔΘ_c entspricht, erzeugt der Impulssignalgenerator 17 ein Impulssignal. Wenn z.B. die Differenz ΔΘ jedesmal dann den Anfangswert aufweist, wenn die Skala 12 um Λ(1 + n)/4 in der vorbestimmten Messrichtung verschoben ist, erzeugt der Impulssignalgenerator 17 alle Λ(1 + n)/4 ein Impulssignal.
Auch kann der Impulssignalgenerator 17 den obigen Wert ΔΘ_c (der nachfolgend als "Einstellwert" bezeichnet wird) wahlfrei einstellen. Nachdem z.B. eine Einstellung auf null Grad erfolgte, was leicht erkannt werden kann, erzeugt der Impulssignalgenerator 17 dann ein Impulssignal, wenn die vom Phasenkomparator 16 gelieferte Differenz ΔΘ null Grad entspricht.
Ferner kann der Impulssignalgenerator 17 das Impulssignal als Ursprungssignal verwenden, da er ein Impulssignal mit vorbestimmtem Intervall erzeugt, solange nicht der Abstand zwischen dem ersten und zweiten optischen System 10 und 11 und der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet 12a und 12b auf der Skala 12 variiert. Auch kann das Intervall, mit dem das Ursprungssignal erzeugt wird, entsprechend der Differenz Λ/n zwischen dem Strichabstand der im ersten Gebiet 12a aufgezeichneten Beugungsgitter und dem Strichabstand der im zweiten Gebiet 12b aufgezeichneten Beugungsgitter wahlfrei eingestellt werden.
Nachfolgend wird die Auflösung des vom Impulssignalgenerator 17 erzeugten Impulssignals erörtert. Da die Periode des Impulssignals zur Verwendung desselben als Ursprungssignal länger sein sollte, sollte der Wert n größer sein.
Da jedoch die Phasendifferenz an einem Punkt, an dem das Lissajous-Signal ausgehend von einem Punkt, an dem zwei Phasendifferenzen miteinander übereinstimmen, einen Rundlauf ausgeführt hat, nur Λ/4n beträgt, ist eine erkannte Position um Λ/4 gegenüber der korrekten Position versetzt, wenn die Übereinstimmung nicht mit besserer Genauigkeit als Λ/4n erfasst werden kann. Die Erfassungsauflösung zweier Phasendifferenzen hängt von der Lesegenauigkeit der zwei Phasendifferenzen und dem Signal/Rauschsignal(S/R)-Verhältnis ab, was zu einer Einschränkung der Größe des Werts n führt.
Unter Annahme, dass beim Verschiebungsgeber 1 der Gitter-Strichabstand 0,55 μm beträgt und n z.B. den Wert 100 hat, erscheint der Wiederholungsursprung ungefähr alle 13,9 μm. Dabei beträgt der Wert n mindestens 200 bis 400, wenn die Auflösung Λ/4n ist. D.h., dass die Auflösung so hoch wie möglich sein sollte. Wenn z.B. n = 100 gilt, beträgt die Phasendifferenz selbst bei einer Verschiebung von Λ/4 nur 2π/100, und so verfügt der Weg, bei dem die Phasendifferenz innerhalb der Auflösungstoleranz liegt, über eine Toleranz von Λ/4. Um diese Toleranz zu verringern, muss die Auflösung erhöht werden. Im fall n = 1000 beträgt die Wegtoleranz Λ/(4 × 10).
Jedoch kann die Auflösung wegen des S/R-Verhältnisses nicht leicht erhöht werden. Daher ist es eine effektive Maßnahme, als Torsignal, einen Signalverlauf (Λ/4) eines Signals auszuwählen, mit dem die Übereinstimmung zwischen Phasendifferenzen erfasst wird, und ein Ursprungssignal dann zu erzeugen, wenn die Phase eines Signals, aus dem die Toleranz von Λ/4 bestimmt wird, eine vorbestimmte ist. Dadurch können die Ursprungsgenauigkeit und die Auflösung bis zur Phasendifferenz-Erfassungsauflösung erhöht werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Ausführungsform die Ursprungsgenauigkeit bis auf 0,3 bis 0,7 nm erhöht werden kann.
Auch kann der Impulssignalgenerator 17 so konzipiert werden, dass der Benutzer den Einstellwert ändern kann, nachdem der Verschiebungsgeber 1 an einer betreffenden Vorrichtung installiert wurde. Es sei darauf hingewiesen dass in diesem Fall der Einstellwert anfangs ein vorbestimmter sein kann, und dass auf Nachfrage durch den Benutzer hin ein Programm zum Einstellen des Einstellwerts an den Benutzer geliefert wird.
Auch kann der Impulssignalgenerator 17 so konzipiert sein, dass er die Zeitpunkte zählt, zu denen die vom Phasenkomparator 16 gelieferte Differenz ΔΘ am Einstellwert angelangt ist, und er ein Impulssignal erzeugt, wenn der Zählwert der Zeitpunkte einen vorbestimmten Wert erreicht hat.
Ferner kann der Impulssignalgenerator 17 so ausgebildet sein, dass er ein Ursprungssignal erzeugt, wenn der Winkel Θ_a eines vom ersten Phasendetektor 14 erzeugten Lissajous-Signals (nachfolgend als "Winkel Θ_a" bezeichnet) oder der Winkel Θ_b eines vom zweiten Phasendetektor 15 erzeugten Lissajous-Signals (nachfolgend als "Winkel Θ_b" bezeichnet) an einem beliebigen Winkel Θ_n anlangt, nachdem die Differenz ΔΘ am Einstellwert angelangt ist. Auch kann der Impulssignalgenerator 17 so konzipiert sein, dass er ein Ursprungssignal dann erzeugt, wenn der Winkel Θ_a oder Θ_b an einem beliebigen Winkel Θ_n anlangt, der erneut an einer Position auftritt, die um einen vorbestimmten Abstand entfernt von einer Position liegt, an der der beliebige Winkel Θ_n erreicht wurde, nachdem einmal die Differenz ΔΘ am Einstellwert erreicht wurde. Es sei darauf hingewiesen, dass der vorbestimmte Weg (2n + 1)Λ/2 ist, wobei n eine ganze Zahl über null ist und Λ ein Strichabstand ist, mit dem die Beugungsgitter im ersten Gebiet 12a aufgezeichnet sind, wenn der Impulssignalgenerator 17 das erste Gebiet 12a zur Erzeugung eines Ursprungssignals verwenden soll, oder ein Strichabstand, mit dem die Beugungsgitter im zweiten Gebiet 12b aufgezeichnet sind, wenn der Impulssignalgenerator 17 das zweite Gebiet 12b zur Erzeugung eines Ursprungssignals verwenden soll.
Es ist zu beachten, dass der Impulssignalgenerator 17 so konzipiert sein kann, dass der Benutzer den beliebigen Winkel Θ_n ändern kann, nachdem der Verschiebungsgeber 1 an einer betreffenden Vorrichtung installiert wurde. In diesem Fall kann der beliebige Winkel Θ_n anfangs ein vorbestimmter Winkel sein, und auf Nachfrage durch den Benutzer kann an diesen ein Programm zum Ändern des beliebigen Winkels Θ_n geliefert werden.
Beim auf die obige Weise aufgebauten Verschiebungsgeber 1 ist an der Skala 12 an einer Seite derselben in Bezug auf eine Messrichtung das erste Gebiet 12a ausgebildet, in dem die Beugungsgitter mit dem Strichabstand Λ aufgezeichnet sind, und an der anderen Seite ist das zweite Gebiet 12b ausgebildet, in dem die Beugungsgitter mit dem Strichabstand Λ + Λ/n aufgezeichnet sind. Das erste und das zweite optische System 10 und 11 emittieren Lichtstrahlen, die zentralsymmetrisch zur Skala 12 sind, so dass die einfallenden Lichtstrahlen an Punkten gebeugt werden, die einer Linie auf den Beugungsgittern angeordnet sind. Die so durch die Beugungsgitter gebeugten Lichtstrahlen interferieren miteinander. Sowohl der erste als auch der zweite Phasendetektor 14 und 15 erfassen die Phasendifferenz zwischen den miteinander interferierenden Lichtstrahlen, und der Phasenkomparator 16 erfasst die Differenz zwischen den Phasendifferenzen, und der Impulssignalgenerator 17 erzeugt einen Impuls, wenn die Differenz den vorbestimmten Wert einnimmt. So kann der Impulssignalgenerator 17, nach Erkennung eines Inkrementalsignals durch den Inkrementalsignalgenerator 13, ein genaues Ursprungssignal erzeugen, ohne dass er durch eine Abbé-Fehler beeinflusst würde.
Auch sind beim Verschiebungsgeber 1 die optischen Phase des ersten und des zweiten optischen Systems 10 und 11 punktsymmetrisch angeordnet, und für die miteinander interferierenden Lichtstrahlen sind die optischen Pfaddifferenzen gleich. Demgemäß tritt selbst dann kein Lauffehler auf, wenn die Skala 12 in der Richtung Y verschoben wird und die Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund der Außentemperatur variiert.
So kann immer ein stabiles Ursprungssignal erzeugt werden.
Ferner können, da das erste und das zweite optische System 10 und 11, wie sie beim erfindungsgemäßen Verschiebungsgeber 1 verwendet werden, vom Gitterinterferometertyp sind, die Beugungsgitter im ersten und zweiten Gebiet 12a und 12b, wie sie auf der Skala 12 ausgebildet sind, mit kleineren Strichabständen aufgezeichnet werden. Wenn z.B. der Gitterstrichabstand 0,55 μm beträgt, weist das Signal zur Phasenerfassung eine Periode von 0,1379 ... μm (ungefähr 138 nm) auf. Demgemäß ist es möglich, eine Phasendifferenz mit hoher Genauigkeit zu erfassen, die z.B. in der Nanometer-Größenordnung liegt.
Auch können beim Verschiebungsgeber 1 die kohärente Lichtquelle 20 und die erste Linse 21 und die zweite Linse 26 und der, BS 27 im ersten optischen System 10 sowie die kohärente Lichtquelle 40 und die erste Linse 41 und die zweite Linse 46 und der BS 47 im zweiten optischen System 11 über jeweilige optische Fasern miteinander verbunden sein.
Alternativ können, anstatt dass jeweils zwischen der zweiten Linse 26 und dem BS 27 sowie zwischen der zweiten Linse 46 und dem BS 47 eine Verbindung mit optischen Fasern hergestellt wird, der zweite PBS 28 und der erste fotoelektrische Wandler 29, der zweite PBS 28 und der zweite fotoelektrische Wandler 30, der dritte PBS 32 und der dritte fotoelektrische Wandler 33, der dritte PBS 32 und der vierte fotoelektrische Wandler 34, der zweite PBS 48 und der erste fotoelektrische Wandler 49, der zweite PBS 48 und der zweite fotoelektrische Wandler 50, der dritte PBS 52 und der dritte fotoelektrische Wandler 53 sowie der dritte PBS 52 und der vierte fotoelektrische Wandler 54 jeweils mit optischen Fasern miteinander verbunden sein.
Es ist zu beachten, dass zum Bündeln des Ausgangslichts des zweiten PBS 28 zur Lieferung an eine optische Faser zwischen dem zweiten PBS 28 und dem ersten fotoelektrischen Wandler 29 sowie zwischen dem zweiten PBS 28 und dem zweiten fotoelektrischen Wandler 30 jeweils eine Kondensorlinse angebracht werden kann; um das Ausgangslicht des dritten PBS 32 zur Lieferung an die optische Faser zu bündeln, kann zwischen dem dritten PBS 32 und dem dritten fotoelektrischen Wandler 33 sowie zwischen dem dritten PBS 32 und dem vierten fotoelektrischen Wandler 34 jeweils eine Kondensorlinse vorhanden sein; um das vom zweiten PBS 48 zur Lieferung an die optische Faser ausgegebene Licht zu bündeln, kann zwischen dem zweiten PBS 48 und dem ersten fotoelektrischen Wandler 49 sowie zwischen dem zweiten PBS 48 und dem zweiten fotoelektrischen Wandler 50 jeweils eine Kondensorlinse vorhanden sein; und um das Ausgangslicht des dritten PBS 52 zur Lieferung an die optische Faser zu bündeln, kann zwischen dem dritten PBS 52 und dem dritten fotoelektrischen Wandler 53 sowie zwischen dem dritten PBS 52 und dem vierten fotoelektrischen Wandler 54 jeweils eine Kondensorlinse vorhanden sein.
Beim o.g. Aufbau des Verschiebungsgebers 1 kann die Skala 12 entfernt von jeder Wärmequelle angeordnet werden, so dass die Phasenerfassung stabiler erfolgen kann. Auch kann die Wellenlänge von von den kohärenten Lichtquellen 20 und 40 emittierten Lichtstrahlen mittels einer Temperaturregelung auf einen konstanten Wert fixiert werden. Ferner können die kohärenten Lichtquellen 20 und 40, wenn sie außerhalb des Verschiebungsgebers 1 angeordnet sind, leicht ausgetauscht werden, wenn sie fehlerhaft werden.
Es ist zu beachten, dass beim Verschiebungsgeber 1 die Differenz der optischen Pfadlängen auf Grundlage des Ergebnisses einer Erfassung des Modulationsgrads überwacht werden kann, wenn dafür gesorgt wird, dass Interferenz-Lichtstrahlen im ersten und zweiten optischen System 10 und 11 miteinander interferieren. Wenn das Überwachungsergebnis eine Differenz der optischen Pfadlängen zeigt, werden die optischen Pfade auf denselben Wert eingestellt.
Die 4 zeigt die zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verschiebungsgebers. Der Verschiebungsgeber ist allgemein mit der Bezugszahl 2 gekennzeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass dieselben oder ähnliche Elemente wie beim o.g. Verschiebungsgeber 1 mit denselben oder ähnlichen Bezugszahlen wie bei den Elementen beim Verschiebungsgeber 1 gekennzeichnet sind und dass sie nicht detailliert beschrieben werden.
Beim Verschiebungsgeber 2 werden eine Lichtquelle und eine Lichtverzweigungseinheit durch optische Erfassungssysteme gemeinsam verwendet. Der Verschiebungsgeber 2 verfügt über eine Lichtquelle 60 zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahls, eine Linse 61 zum Konvergieren des von der kohärenten Lichtquelle 60 emittierten Lichtstrahls, einen Strahlteiler (BS) 62 zum Halbieren des von der Linse 61 her einfallenden Lichtstrahls, einen ersten Totalreflexionsspiegel 63 zum Totalreflektieren des einfallenden Lichtstrahls, einen Polarisations-Strahlteiler (PBS) 64 zum Aufteilen des einfallenden Lichtstrahls in einen eine S-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl und einen eine P-polarisierte Lichtkomponente enthaltenden Lichtstrahl, einen Reflektor 65 zum Reflektieren des einfallenden Lichtstrahls, einen zweiten Totalreflexionsspiegel 66 zum Totalreflektieren des einfallenden Lichtstrahls, einen dritten Totalreflexionsspiegel 67 zum Totalreflektieren des einfallenden Lichtstrahls, ein erstes optisches System 68 zum Lesen einer Rücklaufkomponente des auf eine Skala 70 fallenden Lichtstrahls, auf der ein erstes Gebiet 70a, in dem Beugungsgit ter mit einem vorbestimmten Strichabstand aufgezeichnet sind, und zweite Gebiete 70b ausgebildet sind, in denen Beugungsgitter mit einem Strichabstand verschieden von dem im ersten Gebiet ausgebildet sind, ein zweites optisches System 69 zum Lesen einer Rücklaufkomponente des auf die Skala 70 fallenden Lichtstrahls, einen Inkrementalsignalgenerator 13 zum Erzeugen eines Inkrementalsignals auf Grundlage eines vom ersten optischen System 68 gelieferten Signals, einen ersten Phasendetektor 14 zum Erfassen einer Phase auf Grundlage eines vom ersten optischen System 68 gelesenen Signals, einen zweiten Phasendetektor 15 zum Erfassen einer Phase auf Grundlage eines vom zweiten optischen System 69 gelesenen Signals, einen Phasenkomparator 16, um zwischen den Phasen, wie sie vom ersten bzw. zweiten Phasendetektor 14 bzw. 15 erfasst werden, einen Vergleich auszuführen, und einen Impulssignalgenerator 17 zum Erzeugen eines Impulssignals auf Grundlage eines vom Phasenkomparator 16 ausgegebenen Signals. Der Reflektor 65 verfügt über eine erste Viertelwellenplatte 71 zum Ändern der optischen Achse eines einfallenden Lichtstrahls, eine zweite Viertelwellenplatte 72 zum Ändern der optischen Achse eines einfallenden Lichtstrahls, ein erstes Reflexionsprisma 73 zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls, eine dritte Viertelwellenplatte 71 zum Ändern der optischen Achse eines einfallenden Lichtstrahls, eine vierte Viertelwellenplatte 75 zum Ändern der optischen Achse eines einfallenden Lichtstrahls sowie ein zweites Reflexionsprisma 76 zum Reflektieren eines einfallenden Lichtstrahls.
Auf der Skala 70 sind ein erstes Gebiet 70a, in dem Beugungsgitter mit einem Strichabstand Λ aufgezeichnet sind, und ein zweites Gebiet 70b ausgebildet, in dem Beugungsgitter mit einem Strichabstand Λ + Λ/n (wobei n eine von null verschiedene positive ganze Zahl ist) aufgezeichnet sind. Die zweiten Gebiete 70b sind auf jeder Seite des ersten Gebiets 70a ausgebildet. Der Strichabstand Λ beträgt z.B. 0,55 μm. Auf der Skala 70 liegen Punkte (P und Q) des Einfalls auf das erste Gebiet 70a sowie solche (R und S) auf das zweite Gebiet 70b in einer Linie mit der Messrichtung. Es sei darauf hingewiesen, dass die ersten und zweiten Gebiete 70a und 70b auf derselben Skala oder jeweils gesonderten Skalen ausgebildet sein können. Im letzteren Fall sind die Skalen an derselben Basis fixiert, um in gleicher Weise in der gleichen Verschieberichtung verschiebbar zu sein.
Auch erfolgt beim Verschiebungsgeber 2 eine Einstellung unter der Annahme, dass der Einfallswinkel am Punkt P Θ_1p ist, der Beugungswinkel vom Punkt P Θ_2p ist, der Einfallswinkel am Punkt Q Θ_1q ist und der Beugungswinkel vom Punkt Q Θ_2q ist, mit Θ1p = Θ1q und Θ_2p = Θ_2q. Ferner gilt unter der Annahme, dass der Einfallswinkel am Punkt R Θ_1r ist, der Beugungswinkel vom Punkt R Θ_2r ist, der Einfallswinkel am Punkt S Θ_1s ist und der Beugungswinkel vom Punkt S Θ_2s ist, Θ_1r = Θ_1s und Θ_2s = Θ_2s. Auch ist die Beugungsordnung an den Punkten P, Q, R und S dieselbe, und die im Verschiebungsgeber 2 genutzte Beugungsordnung ist die erste Ordnung.
Die kohärente Lichtquelle 60 emittiert einen Lichtstrahl zur Linse 61. Die Linse 61 konvergiert den einfallenden Lichtstrahl in geeignetem Ausmaß, und sie lässt ihn auf den BS 62 fallen. Der BS 62 teilt den einfallenden Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen auf, von denen einer auf den ersten Totalreflexionsspiegel 63 fällt, während der andere auf den PBS 64 fällt.
Der PBS 64 teilt den einfallenden Lichtstrahl in einen eine S-polarisierte Komponente enthaltenden Lichtstrahl und einen eine P-polarisierte Komponente enthaltenden Lichtstrahl auf. Der PBS 64 lässt den die S-polarisierte Komponente enthaltenden Lichtstrahl auf den Punkt P fallen und den die P- polarisierte Komponente enthaltenden Lichtstrahl auf den Punkt Q fallen, so dass der optische Pfad bis zum Punkt P im ersten Gebiet 70a auf der Skala 70 und derjenige bis zum Punkt Q im zweiten Gebiet 70b punktsymmetrisch zueinander sind. Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn das Licht von der kohärenten Lichtquelle 60 eben polarisiertes Licht ist, die Polarisationsrichtung für den Einfall auf den PBS 64 um 45° geneigt wird. So können der die S-polarisierte Komponente enthaltende Lichtstrahl und derjenige, der die P-polarisierte Komponente enthält, intensitätsmäßig einander gleichgemacht werden.
Auch werden die auf die Punkte P und Q fallenden Lichtstrahlen in jeweiligen Richtungen gebeugt, die durch die folgende Formel gegeben sind: sinΘ1 + sinΘ2 = n·λ/Λwobei Θ₁ den Einfallswinkel auf die Skala 70 kennzeichnet, Θ₂ den Beugungswinkel von der Skala 70 kennzeichnet, Λ den Strichabstand (Strichweite) der Gitter kennzeichnet, λ die Wellenlänge des Lichtstrahls kennzeichnet und n die Beugungsordnung kennzeichnet.
Der am Punkt P gebeugte Lichtstrahl durchläuft die erste Viertelwellenplatte 71, wird vom ersten Reflexionsprisma 73 vertikal zum Punkt P zurückreflektiert und durch die Beugungsgitter gebeugt. Dabei ist der zum Punkt P zurückkehrende Lichtstrahl ein solcher, der eine P-polarisierte Komponente enthält, da die optische Achse der ersten Viertelwellenplatte 71 um 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls geneigt ist.
Auch durchläuft der am Punkt Q gebeugte Lichtstrahl die zweite Viertelwellenplatte 72, wird vom ersten Reflexions prisma 73 vertikal zum Punkt Q reflektiert und durch die Beugungsgitter gebeugt. Dabei ist der zum Punkt Q zurückkehrende Lichtstrahl ein eine S-polarisierte Komponente enthaltender Lichtstrahl, da die optische Achse der zweiten Viertelwellenplatte 72 um 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls geneigt ist.
Die an den Punkten P und Q reflektierten Lichtstrahlen laufen auf die obige Weise zum PBS 64 zurück. Der PBS 64 lässt den Lichtstrahl vom Punkt P durch, da er die P-polarisierte Komponente enthält, während er das Licht vom Punkt Q reflektiert, da es die S-polarisierte Komponente enthält. Daher werden die von den Punkten P und Q zurücklaufenden Lichtstrahlen im PBS 64 einander überlagert, und sie fallen über den zweiten und den dritten Totalreflexionsspiegel 66 und 67 auf das erste optische System 68.
Das erste optische System 68 ist eine Version des ersten optischen Systems 10, wie es im o.g. Verschiebungsgeber 1 enthalten ist, bei dem die kohärente Lichtquelle 20, die erste Linse 21 und der erste PBS 22 nicht vorhanden sind. Das erste optische System 68 ist ähnlich wie das erste optische System 10 aufgebaut, und es arbeitet ähnlich.
Andererseits wird der Lichtstrahl, der durch den BS 62 gelaufen ist, für Einfall auf den PBS 64 durch den ersten Totalreflexionsspiegel 63 reflektiert.
Der PBS 64 teilt den einfallenden Lichtstrahl in einen eine S-polarisierte Komponente enthaltenden Lichtstrahl und einen eine P-polarisierte Komponente enthaltenden Lichtstrahl auf. Der PBS 64 lässt den die S-polarisierte Komponente enthaltenden Lichtstrahl auf den Punkt R fallen und den die P-polarisierte Komponente enthaltenden Lichtstrahl auf den Punkt S fallen, so dass der optische Pfad bis zum Punkt R im ersten Gebiet 70a auf der Skala 70 und derjenige bis zum Punkt S im zweiten Gebiet 70b punktsymmetrisch zueinander sind. Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn das Licht von der kohärenten Lichtquelle 60 eben polarisiert ist, die Polarisationsrichtung für Einfall auf den PBS 64 um 45° geneigt wird. Demgemäß können der die S-polarisierte Komponente enthaltende Lichtstrahl und derjenige, der die P-polarisierte Komponente enthält, intensitätsmäßig einander gleichgemacht werden.
Auch werden die auf die Punkte R und S fallenden Lichtstrahlen in jeweiligen Richtungen gebeugt, die durch die folgende Formel gegeben sind: sinΘ1 + sinΘ2 = n·λ/Λwobei Θ₁ den Einfallswinkel auf die Skala 70 kennzeichnet, Θ₂ den Beugungswinkel von der Skala 70 kennzeichnet, Λ den Strichabstand (die Strichweite) der Gitter kennzeichnet, λ die Wellenlänge des Lichtstrahls kennzeichnet und n die Beugungsordnung kennzeichnet.
Der am Punkt P gebeugte Lichtstrahl durchläuft die dritte Viertelwellenplatte 74, wird durch das zweite Reflexionsprisma 76 vertikal zurück zum Punkt R reflektiert und durch die Beugungsgitter gebeugt. Dabei ist der zum Punkt R zurückkehrende Lichtstrahl ein eine P-polarisierte Komponente enthaltender Lichtstrahl, da die optische Achse der dritten Viertelwellenplatte 74 um 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls geneigt ist.
Auch durchläuft der am Punkt S gebeugte Lichtstrahl die vierte Viertelwellenplatte 75, wird durch das zweite Reflexionsprisma 76 vertikal zurück zum Punkt S reflektiert und durch die Beugungsgitter gebeugt. Dabei ist der zum Punkt S zurückkehrende Lichtstrahl ein eine S-polarisierte Komponente enthaltender Lichtstrahl, da die optische Achse der vierten Viertelwellenplatte 75 unter 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls geneigt ist.
Die an den Punkten R und S gebeugten Lichtstrahlen gelangen auf die obige Weise zum PBS 64 zurück. Der PBS 64 lässt den Lichtstrahl vom Punkt R durch, da er die P-polarisierte Komponente enthält, während er das Licht vom Punkt S reflektiert, da es die S-polarisierte Komponente enthält. Daher werden die von den Punkten R und S zurücklaufenden Lichtstrahlen im PBS 64 einander überlagert, und sie fallen auf das zweite optische System 69.
Das zweite optische System 69 ist eine Version des zweiten optischen Systems 11, wie es im o.g. Verschiebungsgeber 1 enthalten ist, in dem die kohärente Lichtquelle 40, die erste Linse 41 und der erste PBS 42 nicht enthalten sind. Das erste optische System 68 ist ähnlich aufgebaut wie das zweite optische System 11, und es arbeitet ähnlich.
Auch kann, da der Inkrementalsignalgenerator 13, der erste Phasendetektor 14, der zweite Detektor 15, der Phasenkomparator 16 und der Impulssignalgenerator 17 ähnlich wie diejenigen, die im o.g. Verschiebungsgeber 1 enthalten sind, aufgebaut sind und ähnlich arbeiten, der Impulssignalgenerator 17 z.B. alle Λ(1 + n)/4 ein Impulssignal erzeugen und dieses als Ursprungssignal verwenden.
Auch kann das Intervall, mit dem das Ursprungssignal erzeugt wird, entsprechend der Differenz Λ/n zwischen dem Strichabstand, mit dem die Beugungsgitter im ersten Gebiet 70a aufgezeichnet sind, und demjenigen, mit dem die Beugungsgitter im zweiten Gebiet 70b aufgezeichnet sind, beliebig eingestellt werden.
Beim auf die obige Weise aufgebauten Verschiebungsgeber 2 wird ein von der kohärenten Lichtquelle 60 emittierter Lichtstrahl durch den PBS 64 für Einfall auf die Skala 70 aufgeteilt, auf der vertikal das erste Gebiet 70a, in dem die Beugungsgitter mit dem Strichabstand Λ aufgezeichnet sind, und das zweite Gebiet 70b ausgebildet sind, in dem die Beugungsgitter mit dem Strichabstand (wobei n eine von null verschiedene positive ganze Zahl ist) aufgezeichnet sind, so dass die aufgeteilten Lichtstrahlen zueinander punktsymmetrisch sind. Die Lichtstrahlen, die an Beugungspunkten gebeugt werden, die in einer Linie liegen, interferieren im ersten und zweiten optischen System 68 und 69 miteinander. Sowohl der erste als auch der zweite Phasendetektor 14 und 15 erfassen die Phasendifferenz zwischen den miteinander interferierenden Lichtstrahlen, und der Phasenkomparator 16 erfasst die Differenz zwischen den Phasendifferenzen, und der Impulssignalgenerator 17 erzeugt einen Impuls, wenn die Differenz einen vorbestimmten Wert einnimmt. So kann der Impulssignalgenerator 17, wenn durch den Inkrementalsignalgenerator 13 ein Inkrementalsignal erkannt wird, ein genaues Ursprungssignal erzeugen, ohne dass er durch irgendeinen Abbé-Fehler beeinflusst wäre.
Auch verursacht beim Verschiebungsgeber 2, da der optische Pfad durch den Punkt P im ersten Gebiet 70a auf der Skala 70 symmetrisch zum optischen Pfad durch den Punkt Q in Bezug auf die senkrechte Linie A ist, und da der optische Pfad durch den Punkt R im zweiten Gebiet 70b symmetrisch zum optischen Pfad durch den Punkt S in Bezug auf die senkrechte Linie A ist, eine Verschiebung der Skala 70 in der Richtung Y keinerlei Lauffehler, und es kann immer ein stabiles Ursprungssignal erzeugt werden. Auch verursacht, im Verschiebungsgeber 2, da der optische Pfad für Einfall auf den Punkt P im ersten Gebiet 70a auf der Skala 70 und derjenige für Einfall auf den Punkt Q so eingestellt sind, dass sie über dieselbe Länge verfügen, und da auch der optische Pfad für Einfall auf den Punkt R im zweiten Gebiet 70b und derjenige für Einfall auf den Punkt S so eingestellt sind, dass sie die gleiche Länge aufweisen, eine Variation der Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund der Außentemperatur keinerlei Lauffehler, und so kann ein stabiles Ursprungssignal erzeugt werden.
Ferner können beim Verschiebungsgeber 2, da das erste und das zweite optische System 68 und 69 vom Gitterinterferometer sind, die Beugungsgitter im ersten und zweiten Gebiet 70a und 70b, wie sie jeweils auf der Skala 70 ausgebildet sind, mit kleineren Strichabständen aufgezeichnet werden. Wenn z.B. der Gitterstrichabstand 0,55 μm beträgt, verfügt das Signal zur Phasenerfassung über eine Periode von 0,1379 ... μm (ungefähr 138 nm). So ist es möglich eine Phasendifferenz z.B. in der Nanometer-Größenordnung mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Auch beeinflusst beim Verschiebungsgeber 2, da die kohärente Lichtquelle 60 und der PBS 64 vom ersten und zweiten optischen System 68 und 69 gemeinsam genutzt werden, eine Schwankung des von der kohärenten Lichtquelle 60 emittierten Lichts im Verlauf der Zeit oder aufgrund einer Änderung der Außentemperatur die Symmetrie der Lichtpfade nicht, und so kann ein stabiles Ursprungssignal erzeugt werden. Ferner driftet beim Verschiebungsgeber 2 die Ursprungsposition selbst dann, wenn die Skala 70 in der Azimutrichtung gedreht wird, nicht aufgrund eines COS-Fehlers.
Auch können die kohärente Lichtquelle 60 und die Linse 61, die zweite Linse 26 und der BS 27 sowie die zweite Linse 46 und der BS 47 jeweils durch optische Fasern miteinander verbunden werden.
Alternativ können, anstatt dass eine Verbindung zwischen der zweiten Linse 26 und dem BS 27 sowie zwischen der zweiten Linse 46 und dem BS 47 durch jeweilige optische Fasern erfolgt, der zweite PBS 28 und der erste fotoelektrische Wandler 29, der zweite PBS 28 und der zweite fotoelektrische Wandler 30, der dritte PBS 32 und der dritte fotoelektrische Wandler 33, der dritte PBS 32 und der vierte fotoelektrische Wandler 34, der zweite PBS 48 und der erste fotoelektrische Wandler 49, der zweite PBS 48 und der zweite fotoelektrische Wandler 50, der dritte PBS 52 und der dritte fotoelektrische Wandler 53 sowie der dritte PBS 52 und der vierte fotoelektrische Wandler 54 über jeweilige optische Fasern miteinander verbunden werden.
Es ist zu beachten, dass zum Bündeln des Ausgangslichts des zweiten PBS 28 zur Lieferung an die optische Faser zwischen dem zweiten PBS 28 und dem ersten fotoelektrischen Wandler 29 sowie zwischen dem zweiten PBS 28 und dem zweiten fotoelektrischen Wandler 30 jeweils eine Kondensorlinse angebracht werden kann; um das Ausgangslicht des dritten PBS 32 zur Lieferung an die optische Faser zu bündeln, kann zwischen dem dritten PBS 32 und dem dritten fotoelektrischen Wandler 33 sowie dem dritten PBS 32 und dem vierten fotoelektrischen Wandler 34 jeweils eine Kondensorlinse angebracht sind; um das vom zweiten PBS 48 zur Lieferung an die optische Faser ausgegebene Licht zu bündeln, kann zwischen dem zweiten PBS 48 und dem ersten fotoelektrischen Wandler 49 sowie zwischen dem zweiten PBS 48 und dem zweiten fotoelektrischen Wandler 50 jeweils eine Kondensorlinse angebracht sein; und um das Ausgangslicht des dritten PBS 52 zur Lieferung an die optische Faser zu bündeln, kann zwischen dem dritten PBS 52 und dem dritten fotoelektrischen Wandler 53 sowie zwischen dem dritten PBS 52 und dem vierten fotoelektrischen Wandler 54 jeweils eine Kondensorlinse ange bracht sein.
Bei der o.g. Konstruktion des Verschiebungsgeber 2 kann die Skala 70 entfernt von jeder Wärmequelle angebracht werden, so dass die Phasenerfassung stabiler erfolgen kann. Auch kann die Wellenlänge der von der kohärenten Lichtquelle 60 emittierten Lichtstrahlen mittels einer Temperaturregelung auf einen konstanten Wert fixiert werden. Ferner kann die kohärente Lichtquelle 60, wenn sie außerhalb des Verschiebungsgebers 2 angeordnet ist, leicht ausgetauscht werden, wenn sie sich als fehlerhaft herausstellt. Es sei darauf hingewiesen, dass unter Verwendung einer optischen Faser, bei der die Polarisation unverändert bleibt für die obige Verbindung eine stabilere Erfassung gegenüber Temperaturänderungen oder Verbiegungen der optischen Faser gewährleistet ist.
Es ist zu beachten, dass beim Verschiebungsgeber 2 die Differenz der optischen Pfadlängen auf Grundlage des Erfassungsergebnisses des Modulationsgrads überwacht werden kann, wenn dafür gesorgt wird, dass Interferenz-Lichtstrahlen im ersten und zweiten optischen System 68 und 69 miteinander interferieren. Wenn das Überwachungsergebnis eine Differenz der optischen Pfadlängen zeigt, werden die optischen Pfade auf gleiche Länge eingestellt.
Die 5 zeigt die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verschiebungsgebers. Der Verschiebungsgeber ist allgemein mit der Bezugszahl 3 gekennzeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass dieselben oder ähnliche Elemente wie bei den o.g. Verschiebungsgebern 1 und 2 mit denselben oder ähnlichen Bezugszahlen wie denen für die Elemente in den Verschiebungsgebern 1 und 2 gekennzeichnet sind, und dass sie nicht detailliert beschrieben werden.
In Verschiebungsgeber 3 werden eine Lichtquelle und eine Lichtverzweigungseinheit von erfassenden optischen Systemen wie beim Verschiebungsgeber 2 gemeinsam genutzt. So werden dieselben Elemente wie im Verschiebungsgeber 2 mit denselben Bezugszahlen für diese im Verschiebungsgeber 2 gekennzeichnet, und ihre Funktion wird nicht detailliert beschrieben. Der Verschiebungsgeber 3 verfügt über eine Lichtquelle 60, eine Linse 61, einen Strahlteiler (BS) 62, einen ersten Totalreflexionsspiegel 63, einen Polarisations-Strahlteiler (PBS) 64, einen Reflektor 65, einen zweiten Totalreflexionsspiegel 66, einen dritten Totalreflexionsspiegel 67, ein erstes optisches System 68, ein zweites optisches System 69, eine Skala 80, einen Inkrementalsignalgenerator 13, einen ersten Phasendetektor 14, einen zweiten Phasendetektor 15, einen Phasenkomparator 16 und einen Impulssignalgenerator 17.
Auf der Skala 80 ist das erste Gebiet 80a, in dem Beugungsgitter mit einem Strichabstand Λ aufgezeichnet sind, und die zweiten Gebiete 80b ausgebildet, in denen Beugungsgitter mit einem Strichabstand Λ + Λ/n (wobei n eine von null verschiedene positive ganze Zahl ist) aufgezeichnet sind. Die ersten und die zweiten Gebiete 80a und 80b sind schichtförmig aufeinandergestapelt. Der obige Strichabstand Λ beträgt z.B. 0,55 μm. In der Skala 80 liegen Punkte (P und Q) des Einfalls auf das erste Gebiet 80a sowie solche (R und S) auf das zweite Gebiet 80b in einer Linie mit der Messrichtung. Es sei darauf hingewiesen, dass beim Verschiebungsgeber 3 die Linie, in der die ersten und die zweiten Gebiete 80a und 80b miteinander ausgerichtet sind, eine Breite γ von einigen zehn bis einigen hundert μm aufweist.
Auch erfolgt beim Verschiebungsgeber 3 eine Einstellung unter der Annahme, dass der Einfallswinkel am Punkt P Θ_1p ist, der Beugungswinkel vom Punkt P Θ_2p ist, der Einfallswinkel am Punkt Q Θ_1q ist und der Beugungswinkel vom Punkt Q Θ_2q ist, mit Θ1p = Θ1q und Θ_2p = Θ_2q Ferner gilt unter der Annahme, dass der Einfallswinkel am Punkt R Θ_1r ist, der Beugungswinkel vom Punkt R Θ_2r ist, der Einfallswinkel am Punkt S Θ_1s ist und der Beugungswinkel vom Punkt S Θ_2s ist, Θ_1r = Θ_1s und Θ_2s = Θ_2s. Auch ist die Beugungsordnung an den Punkten P, Q, R und S dieselbe, und die im Verschiebungsgeber 2 genutzte Beugungsordnung ist die erste Ordnung.
Auch kommt es möglicherweise zu einer Störung, da der am Punkt R im zweiten Gebiet 80b gebeugte Lichtstrahl auch an einem Punkt R' im ersten Gebiet 80a gebeugt wird, so dass der am Punkt R' gebeugte Lichtstrahl zu den optischen Pfaden gelangt. Daher ist im Verschiebungsgeber 3 im optischen Pfad vom PBS 64 zum Punkt P ein feines Loch 81 vorhanden, im optischen Pfad vom PBS 64 zum Punkt Q ist ein feines Loch 82 vorhanden, im optischen Pfad vom PBS 64 zum Punkt R ist ein feines Loch 83 vorhanden, und im optischen Pfad vom PBS 64 zum Punkt S ist ein feines Loch 84 vorhanden, um dadurch zu verhindern, dass das Beugungslicht auf den PBS 64 fällt.
Auch kann der Impulssignalgenerator 17, da die kohärente Lichtquelle 60, die Linse 61, der PBS 62, der erste Totalreflexionsspiegel 63, der PBS 64, der Reflektor 65, der zweite Totalreflexionsspiegel 66, der dritte Totalreflexionsspiegel 67, das erste optische System 68, das zweite optische System 69, der Inkrementalsignalgenerator 13, der erste Phasendetektor 14, der zweite Detektor 15, der Phasenkomparator 16 und der Impulssignalgenerator 17 ähnlich wie diejenigen in den o.g. Verschiebungsgebern 1 und 2 aufgebaut sind, und da sie ähnlich arbeiten, z.B. alle Λ(1 + n)/4 ein Impulssignal erzeugen und dieses als Ursprungssignal verwenden.
Auch kann das Intervall, mit dem das Ursprungssignal erzeugt wird, entsprechend der Differenz Λ/n zwischen dem Strichabstand, mit dem die Beugungsgitter im ersten Gebiet 80a auf gezeichnet sind, und demjenigen, mit dem die Beugungsgitter im zweiten Gebiet 80b aufgezeichnet sind, wahlfrei eingestellt werden.
Beim auf die obige Weise aufgebauten Verschiebungsgeber 3 wird ein von der kohärenten Lichtquelle 60 emittierter Lichtstrahl durch den PBS 64 für Einfall auf die Skala 80 aufgeteilt, in der in einem vertikalen Stapel das erste Gebiet 80a, in dem die Beugungsgitter mit dem Strichabstand Λ aufgezeichnet sind, und das zweite Gebiet 80b ausgebildet sind, in dem die Beugungsgitter mit dem Strichabstand Λ + Λ/n (wobei n eine von null verschiedene positive ganze Zahl ist) aufgezeichnet sind, so dass die aufgeteilten Lichtstrahlen punktsymmetrisch zueinander sind. Die Lichtstrahlen, die an in einer Linie angeordneten Beugungspunkten gebeugt werden, interferieren im ersten und zweiten optischen System 68 und 69 miteinander. Sowohl der erste als auch der zweite Phasendetektor 14 und 15 erfassen die Phasendifferenz zwischen den miteinander interferierenden Lichtstrahlen, und der Phasenkomparator 16 erfasst die Differenz zwischen den Phasendifferenzen, und der Impulssignalgenerator 17 erzeugt dann einen Impuls, wenn die Differenz einen vorbestimmten Wert einnimmt. Demgemäß kann die Skala 80 lang ausgebildet werden, da der Bereich (die Länge) in der Messrichtung grenzenlos ist. Auch kann der Impulssignalgenerator 17 bei Erfassung eines Inkrementalsignals durch den Inkrementalsignalgenerator 13 ein genaues Ursprungssignal ohne Beeinflussung durch irgendeinen Abbé-Fehler erzeugen.
Auch verursacht beim Verschiebungsgeber 3, da der optische Pfad durch den Punkt P im ersten Gebiet Boa auf der Skala 80 symmetrisch zum optischen Pfad durch den Punkt Q in Bezug auf die senkrechte Linie A ist, und da der optische Pfad durch den Punkt R im zweiten Gebiet Bob symmetrisch zum optischen Pfad durch den Punkt S in Bezug auf die senkrechte Linie A ist, eine Verschiebung der Skala 80 in der Richtung Y keinerlei Lauffehler, und es kann immer ein stabiles Ursprungssignal erzeugt werden. Auch verursacht, im Verschiebungsgeber 3, da der optische Pfad für Einfall auf den Punkt P im ersten Gebiet 80a auf der Skala 80 und derjenige für Einfall auf den Punkt Q so eingestellt sind, dass sie über dieselbe Länge verfügen, und da auch der optische Pfad für Einfall auf den Punkt R im zweiten Gebiet 80b und derjenige für Einfall auf den Punkt S so eingestellt sind, dass sie die gleiche Länge aufweisen, eine Variation der Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund der Außentemperatur keinerlei Lauffehler, und so kann ein stabiles Ursprungssignal erzeugt werden.
Ferner können beim Verschiebungsgeber 3, da das erste und das zweite optische System 68 und 69 vom Gitterinterferometer sind, die Beugungsgitter im ersten und zweiten Gebiet 80a und 80b, wie sie jeweils auf der Skala 80 ausgebildet sind, mit kleineren Strichabständen aufgezeichnet werden. Wenn z.B. der Gitterstrichabstand 0,55 μm beträgt, verfügt das Signal zur Phasenerfassung über eine Periode von 0,1379 ... μm (ungefähr 138 nm). So ist es möglich eine Phasendifferenz z.B. in der Nanometer-Größenordnung mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Auch beeinflusst beim Verschiebungsgeber 3, da die kohärente Lichtquelle 60 und der PBS 64 vom ersten und zweiten optischen System 68 und 69 gemeinsam genutzt werden, eine Schwankung des von der kohärenten Lichtquelle 60 emittierten Lichts im Verlauf der Zeit oder aufgrund einer Änderung der Außentemperatur die Symmetrie der Lichtpfade nicht, und so kann ein stabiles Ursprungssignal erzeugt werden. Ferner driftet beim Verschiebungsgeber 3 die Ursprungsposition selbst dann, wenn die Skala 80 in der Azimutrichtung gedreht wird, nicht aufgrund eines COS-Fehlers.
Auch können die kohärente Lichtquelle 60 und die Linse 61, die zweite Linse 26 und der BS 27 sowie die zweite Linse 46 und der BS 47 jeweils durch optische Fasern miteinander verbunden werden.
Alternativ können, anstatt dass eine Verbindung zwischen der zweiten Linse 26 und dem BS 27 sowie zwischen der zweiten Linse 46 und dem BS 47 durch jeweilige optische Fasern erfolgt, der zweite PBS 28 und der erste fotoelektrische Wandler 29, der zweite PBS 28 und der zweite fotoelektrische Wandler 30, der dritte PBS 32 und der dritte fotoelektrische Wandler 33, der dritte PBS 32 und der vierte fotoelektrische Wandler 34, der zweite PBS 48 und der erste fotoelektrische Wandler 49, der zweite PBS 48 und der zweite fotoelektrische Wandler 50, der dritte PBS 52 und der dritte fotoelektrische Wandler 53 sowie der dritte PBS 52 und der vierte fotoelektrische Wandler 54 über jeweilige optische Fasern miteinander verbunden werden.
Es ist zu beachten, dass zum Bündeln des Ausgangslichts des zweiten PBS 28 zur Lieferung an die optische Faser zwischen dem zweiten PBS 28 und dem ersten fotoelektrischen Wandler 29 sowie zwischen dem zweiten PBS 28 und dem zweiten fotoelektrischen Wandler 30 jeweils eine Kondensorlinse angebracht werden kann; um das Ausgangslicht des dritten PBS 32 zur Lieferung an die optische Faser zu bündeln, kann zwischen dem dritten PBS 32 und dem dritten fotoelektrischen Wandler 33 sowie dem dritten PBS 32 und dem vierten fotoelektrischen Wandler 34 jeweils eine Kondensorlinse angebracht sind; um das vom zweiten PBS 48 zur Lieferung an die optische Faser ausgegebene Licht zu bündeln, kann zwischen dem zweiten PBS 48 und dem ersten fotoelektrischen Wandler 49 sowie zwischen dem zweiten PBS 48 und dem zweiten fotoelektrischen Wandler 50 jeweils eine Kondensorlinse ange bracht sein; und um das Ausgangslicht des dritten PBS 52 zur Lieferung an die optische Faser zu bündeln, kann zwischen dem dritten PBS 52 und dem dritten fotoelektrischen Wandler 53 sowie zwischen dem dritten PBS 52 und dem vierten fotoelektrischen Wandler 54 jeweils eine Kondensorlinse angebracht sein.
Bei der o.g. Konstruktion des Verschiebungsgeber 2 kann die Skala 70 entfernt von jeder Wärmequelle angebracht werden, so dass die Phasenerfassung stabiler erfolgen kann. Auch kann die Wellenlänge der von der kohärenten Lichtquelle 60 emittierten Lichtstrahlen mittels einer Temperaturregelung auf einen konstanten Wert fixiert werden. Ferner kann die kohärente Lichtquelle 60, wenn sie außerhalb des Verschiebungsgebers 2 angeordnet ist, leicht ausgetauscht werden, wenn sie sich als fehlerhaft herausstellt. Es sei darauf hingewiesen, dass unter Verwendung einer optischen Faser, bei der die Polarisation unverändert bleibt für die obige Verbindung eine stabilere Erfassung gegenüber Temperaturänderungen oder Verbiegungen der optischen Faser gewährleistet ist.
Es ist zu beachten, dass beim Verschiebungsgeber 2 die Differenz der optischen Pfadlängen auf Grundlage des Erfassungsergebnisses des Modulationsgrads überwacht werden kann, wenn dafür gesorgt wird, dass Interferenz-Lichtstrahlen im ersten und zweiten optischen System 68 und 69 miteinander interferieren. Wenn das Überwachungsergebnis eine Differenz der optischen Pfadlängen zeigt, werden die optischen Pfade auf gleiche Länge eingestellt.
Die vorstehend beschriebenen Verschiebungsgeber 1, 2 und 3 nutzen Skalen, auf denen lineare, transparente Beugungsgitter aufgezeichnet sind, jedoch können die Beugungsgitter beliebige sein, wie radiale, wie sie in einem Winkelcodierer verwendet werden, oder reflektierende, was davon abhängt, was zweckdienlicher ist.
Auch ist in jedem der Verschiebungsgeber 1, 2 und 3 die Skala verschiebbar. Jedoch können die optischen Systeme verschiebbar ausgebildet sein.
Vorstehend wurde die Erfindung betreffend bestimmte bevorzugte Ausführungsformen derselben als Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Jedoch ist vom Fachmann zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass sie auf verschiedene Arten modifiziert, alternativ konstruiert oder auf verschiedene andere Formen realisiert werden kann, ohne dass vom Schutzumfang und Grundgedanken derselben, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt und definiert, abgewichen wird.
Wie vorstehend beschrieben, verfügt der erfindungsgemäße Verschiebungsgeber über eine Skala, auf der ein erstes Gebiet, in dem Positionsinformation mit einem vorbestimmten Strichabstand aufgezeichnet ist, und ein zweites Gebiet ausgebildet sind, in dem Positionsinformation mit einem anderen Strichabstand als im ersten Gebiet aufgezeichnet ist. Das erste und das zweite Gebiet sind in der Messrichtung um denselben Weg verschiebbar, und die Skala selbst ist verschiebbar. Bei einer solchen Skala liegen Positionen zum Lesen der Positionsinformation aus dem ersten und dem zweiten Gebiet in einer Linie. Demgemäß kann ein genaues Ursprungssignal erzeugt werden, ohne dass es durch irgendeinen Abbé-Fehler beeinflusst würde.

Claims

Verschiebungsgeber mit: – einer ersten Leseeinrichtung zum Emittieren eines Lichtstrahls auf Beugungsgitter und zum Lesen einer Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern; – einer ersten Phasenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer die Phasendifferenz der miteinander interferierenden Lichtstrahlen bildenden ersten Phase auf Grundlage der durch die erste Leseeinrichtung erfassten Licht-Rücklaufkomponente; – einer zweiten Leseeinrichtung zum Emittieren eines Lichtstrahls zu Beugungsgittern und zum Lesen einer Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern; – einer zweiten Phasenerfassungseinrichtung zum Erfassen einer die Phasendifferenz der miteinander interferierenden Lichtstrahlen bildenden zweiten Phase auf Grundlage der durch die zweite Leseeinrichtung erfassten Licht-Rücklaufkomponente; – einer Phasenvergleichseinrichtung zum Ausführen eines Vergleichs zwischen den von den Phasenerfassungseinrichtungen erfassten ersten und zweiten Phasen; – einer Ursprungssignal-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines einem Bezugspunkt auf dem Beugungsgitter zugeordneten Ursprungssignals auf Grundlage des Vergleichsergebnisses von der Phasenvergleichseinrichtung immer dann, wenn die Differenz der von den Phasenerfassungseinrichtungen erfassten Phasendifferenzen zwischen den ersten und zweiten Phasen einen vorbestimmten Wert haben, – einer Skala, auf der ein erstes Gebiet, in dem Beugungsgitter mit einem vorbestimmten Strichabstand aufgezeichnet sind und von dem die Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern durch die erste Leseeinrichtung gelesen wird und ein zweites Gebiet ausgebildet sind, in dem Beugungsgitter mit einem vorbestimmten Strichabstand, der vom Beugungsgitter-Strichabstand im ersten Gebiet verschieden ist, aufgezeichnet sind, und aus dem die Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern durch die zweite Leseeinrichtung gelesen wird, wobei die Skala in einer Richtung verschiebbar ist, in der die Licht-Rücklaufkomponente von den Beugungsgittern durch die erste und die zweite Leseeinrichtung gelesen wird; – wobei das erste und das zweite Gebiet so auf der Skala ausgebildet sind, dass sie in derselben Messrichtung um denselben Weg verschiebbar sind; und – einer Position zum Lesen, mittels der ersten Leseeinrichtung, der im ersten Gebiet aufgezeichneten Positionsinformation, und einer Position zum Lesen, durch die zweite Leseeinrichtung, der im zweiten Gebiet aufgezeichneten Positionsinformation, wobei diese Positionen in der Messrichtung in einer Linie liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Skala ein erstes Gebiet, das an einem ihrer Enden in einer Richtung, in der die Positionsinformation durch die erste und die zweite Leseeinrichtung gelesen wird, und ein an ihrem anderen Ende ausgebildetes zweites Gebiet aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Skala über zweite Gebiete verfügt, die entgegengesetzt zu einem ersten Gebiet ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Skala über ein erstes und ein zweites Gebiet verfügt, die schichtförmig aufeinander gestapelt sind und rechtwinklig zu einer Richtung ausgebildet sind, in der die Positionsinformation durch die erste und die zweite Leseeinrichtung gelesen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ursprungssignal-Erzeugungseinrichtung eine Einstelleinrichtung zum Einstellen eines Einstellwerts in solcher Weise verfügt, dass sie dann ein Ursprungssignal erzeugt, wenn die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Phase den Einstellwert einnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ursprungssignal-Erzeugungseinrichtung nur dann ein Ursprungssignal erzeugt, wenn die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Phase null ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Ursprungssignal-Erzeugungseinrichtung ein Ursprungssignal dann erzeugt, wenn die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Phase einen eingestellten Wert eine vorbestimmte Anzahl von Malen eingenommen hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit: – einer Auswahleinrichtung zum Auswählen entweder der ersten oder der zweiten Phase; und – einer Einstelleinrichtung zum Einstellen eines Einstellwerts in solcher Weise, dass die Ursprungssignal-Erzeugungseinrichtung dann ein Ursprungssignal erzeugt, wenn eine durch die Auswähleinrichtung ausgewählte Phase einen vorbestimmten Wert einnimmt, nachdem die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Phase einen Einstellwert eingenommen hat.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Ursprungssignal-Erzeugungseinrichtung ein Ursprungssignal dann erzeugt, wenn die durch die Auswähleinrichtung ausgewählte Phase der miteinander interferierenden Lichtstrahlen einen durch die Einstelleinrichtung eingestellten Wert an einer Position einnimmt, nachdem die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Phase einen eingestellten Wert eingenommen hat, und dann die Phasendifferenz den eingestellten Wert einnimmt, der erneut an einer Position erscheint, die um einen vorbestimmten Abstand von der obigen Position entfernt ist. – wobei das erste und das zweite Gebiet so auf der Skala ausgebildet sind, dass sie in derselben Messrichtung um denselben Weg verschiebbar sind; und – einer Position zum Lesen, mittels der ersten Leseeinrichtung, der im ersten Gebiet aufgezeichneten Positionsinformation, und einer Position zum Lesen, durch die zweite Leseeinrichtung, der im zweiten Gebiet aufgezeichneten Positionsinformation, wobei diese Positionen in der Messrichtung in einer Linie liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der vorbestimmte Abstand (2n + 1)Λ/2 beträgt, wobei n eine ganze Zahl größer als null ist und Λ ein Strichabstand ist, mit dem die Beugungsgitter im ersten Gebiet aufgezeichnet sind, wenn die erste Phasendifferenz durch die Auswähleinrichtung ausgewählt wird, während es ein Strichabstand ist, mit dem die Beugungsgitter im zweiten Gebiet aufgezeichnet sind, wenn die zweite Phasendifferenz durch die Auswähleinrichtung ausgewählt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der – die im ersten und zweiten Gebiet der Skala aufgebrachten Positionsinformationen durch transparente oder reflektierende Beugungsgitter dargestellt sind; – die erste Leseeinrichtung eine erste Lichtquelle, eine erste Strahlteilereinrichtung zum Aufteilen eines Lichtstrahls von der ersten Lichtquelle in zwei Teil-Lichtstrahlen sowie ein erstes optisches System aufweist, in dem die zwei Teil-Lichtstrahlen durch die Beugungsgitter und die zwei gebeugten Lichtstrahlen einander überlagert werden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen; und – die zweite Leseeinrichtung eine zweite Lichtquelle, eine zweite Strahlteilereinrichtung zum Aufteilen eines Lichtstrahls von der zweiten Lichtquelle in zwei Teil-Lichtstrahlen sowie ein zweites optisches System aufweist, in dem die zwei Teil-Lichtstrahlen durch die Beugungsgitter und die zwei gebeugten Lichtstrahlen einander überlagert werden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der: – die erste Leseeinrichtung ferner einen ersten Reflektor zum Reflektieren der zwei durch die Beugungsgitter gebeugten Teil-Lichtstrahlen zurück zu den Beugungsgittern aufweist; – die zweite Leseeinrichtung ferner einen zweiten Reflektor zum Reflektieren der zwei durch die Beugungsgitter gebeugten Teil-Lichtstrahlen zurück zu den Beugungsgittern aufweist – das erste optische System die durch die Beugungsgitter mehrmals gebeugten Lichtstrahlen überlagert; und – das zweite optische System die durch die Beugungsgitter mehrmals gebeugten Lichtstrahlen überlagert.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Kohärenzlängen der ersten und der zweiten kohärenten Lichtquelle innerhalb von 200 μm liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, ferner mit: – einer ersten Modulationsgrad-Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Modulationsgrads, wenn dafür gesorgt wird, dass die zwei gebeugten Lichtstrahlen im ersten optischen System miteinander interferieren; – einer ersten Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Änderung der Differenz der optischen Pfadlängen auf Grundlage des Erfassungsergebnisses durch die erste Modulationsgrad-Erfassungseinrichtung; – einer zweiten Modulationsgrad-Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Modulationsgrads, wenn dafür gesorgt wird, dass die zwei gebeugten Lichtstrahlen im zweiten optischen System miteinander interferieren; und – einer zweiten Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Änderung der Differenz der optischen Pfadlängen auf Grundlage des Erfassungsergebnisses durch die zweite Modulationsgrad-Erfassungseinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der – die Skala entweder eine solche ist, auf der ein erstes Gebiet ausgebildet ist und auf jeder Seite desselben zweite Gebiete ausgebildet sind, oder eine solche ist, bei der ein erstes und ein zweites Gebiet rechtwinklig zur Richtung aufgeschichtet sind, in der Positionsinformation durch die erste und die zweite Leseeinrichtung gelesen wird; und – die optischen Pfade, entlang denen die durch das erste optische System überlagerten gebeugten Lichtstrahlen laufen, punktsymmetrisch zueinander in Bezug auf die Richtung, in der die Skala verschoben wird, angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der – das erste optische System ferner eine erste Einstelleinrichtung für einen maximalen Modulationsgrad des Interferenzsignals aufweist; und – das zweite optische System ferner eine zweite Einstelleinrichtung für einen maximalen Modulationsgrad des Interferenzsignals aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der eine Lichtquelle gemeinsam als erste und zweite Lichtquelle verwendet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der – die Skala entweder eine solche ist, auf der ein erstes Gebiet ausgebildet ist und auf jeder Seite desselben zweite Gebiete ausgebildet sind, oder eine solche ist, bei der ein erstes und ein zweites Gebiet rechtwinklig zur Richtung aufgeschichtet sind, in der Positionsinformation durch die erste und die zweite Leseeinrichtung gelesen wird; – eine Lichtquelle gemeinsam als erste und zweite Lichtquelle verwendet ist und – ein Strahlteiler gemeinsam als erster und zweiter Strahlteiler verwendet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der – die erste Lichtquelle mit einer optischen Faser, durch die der Lichtstrahl für Einfall auf den ersten Strahlteiler mit diesem ersten Strahlteiler verbunden ist; – der erste Strahlteiler mit einer optischen Faser, durch die der Lichtstrahl für Einfall auf das erste optische System geleitet wird, mit diesem ersten optischen System verbunden ist; – die zweite Lichtquelle mit einer optischen Faser, durch die der Lichtstrahl für Einfall auf den zweiten Strahlteiler mit diesem zweiten Strahlteiler verbunden ist; und – der zweite Strahlteiler mit einer optischen Faser, durch die der Lichtstrahl für Einfall auf das zweite optische System geleitet wird, mit diesem zweiten optischen System verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die erste und die zweite Lichtquelle sowie das erste und das zweite optische System außerhalb der Vorrichtung vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der – die erste Lichtquelle mit einer optischen Faser, durch die der Lichtstrahl für Einfall auf den ersten Strahlteiler geleitet wird, mit diesem ersten Strahlteiler verbunden ist; – ein Fotodetektor im ersten optischen System mit einer optischen Faser, durch die der Lichtstrahl für Einfall auf andere Komponenten mit jeder dieser anderen Komponenten im ersten optischen System verbunden ist; – die zweite Lichtquelle mit einer optischen Faser, durch die der Lichtstrahl für Einfall auf den zweiten Strahlteiler geleitet wird, mit diesem zweiten Strahlteiler verbunden ist; und – ein Fotodetektor im zweiten optischen System mit einer optischen Faser, durch die der Lichtstrahl für Einfall auf andere Komponenten mit jeder dieser anderen Komponenten im zweiten optischen System verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die erste und die zweite Lichtquelle und die Fotodetektoren im ersten und zweiten optischen System außerhalb der ersten und zweiten Leseeinrichtung angeordnet sind.