DE1941731B1

DE1941731B1 - Einrichtung zur Messung von Lageaenderungen zweier relativ zueinander beweglicher Teile

Info

Publication number: DE1941731B1
Application number: DE19691941731D
Authority: DE
Inventors: Adolf Weyrauch
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1969-08-16
Filing date: 1969-08-16
Publication date: 1971-03-04
Also published as: US3674372A; DE1941731C2; CH521569A

Description

1 2

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung Streifen bzw. in deren unmittelbarer Nähe ist eine

von Lageänderungen zweier relativ zueinander beweg- Frequenzfilterblende 7 mit einer Öffnung 8, die einen

licher Teile, welche ein photoelektrisches Gitterabtast- " sinusförmigen Durchlässigkeitsverlauf hat, in direkter

System besitzt und bei der mindestens ein aus periodi- Verbindung mit dem feststehenden Gitter 4 angeordnet,

sehen Helligkeitsschwankungen aufgebautes Streifen- 5 Bei einer Bewegung des Gitters 3 in den Richtungen

system erzeugt wird. der Pfeile 5 verschieben sich die Moiree-Streifen 6 in

Es sind Einrichtungen bekannt, bei denen durch be- der Richtung;*: des Koordinatensystems. Hierbei

stimmte Gitterauslegungen das photoelektrisch abge- tritt durch die Öffnung 8 der Blende 7 ein im Rhyth-

tastete Signal weitgehend oberwellenfrei gehalten wird. mus der Bewegung der Moiree-Streifen 6 sich sinus-

Nachteilig bei diesen bekannten Einrichtungen ist, io förmig ändernder Lichtstrom, der über dem Kollek-

daß an sämtlichen Strichen der Gitterteilungen hohe tor 9 zu einem photoelektrischen Element 10 geleitet

Anforderungen an die Einhaltung der Strichstärke wird und dort ein oberwellenfreies periodisches Signal

bzw. des Durchlässigkeitsverlaufes jedes einzelnen in Abhängigkeit der Bewegung des Gitters 3 erzeugt.

Gitterstriches oder an die Furchenform gestellt werden In dem weiteren Ausführungsbeispiel nach F i g. 2

müssen. 15 ist mit 11 eine Lichtquelle bezeichnet, welche über den

Ferner ist es zur Erzeugung oberwellenfreier Weg- Kondensor 12 die beiden Gitter 13 und 14 mit gerich-

meßsignale bekannt, bei der Abbildung eines Gitters tetem parallelem Licht beaufschlagt. Das Gitter 13

auf sich selbst oder auf ein zweites Gitter die Beugungs- sei wiederum mit dem beweglichen Teil und das Gitter

Ordnungen entgegengesetzt gleicher Ordnung auszu- 14 mit dem feststehenden Teil verbunden,

blenden. Jedoch erfordert dies eine zusätzliche Gitter- 20 Die beiden Gitter 13, 14 haben einen endlichen Ab-

abbildung. stand ζ 4= 0 voneinander und besitzen die gleiche

Die bekannte Filterung elektrischer Signale über bzw. nahezu gleiche Gitterkonstante w. Ihre Gitterelektrische Filter ist bei Wegmeßeinrichtungen nicht striche 13', 14' verlaufen parallel zueinander,
mit der erforderlichen Genauigkeit durchführbar, da Das Gitter 13 ist in den Richtungen des Doppelim allgemeinen nicht mit einer konstanten Geschwin- 25 pfeiles 15 verschiebbar. Mit HiMe des Kollektors 19 digkeit der gegeneinander verschiebbaren Teile ge- wird wiederum die durch die Gitter 13, 14 geführte rechnet werden kann. Lichtenergie dem photoelektrischen Empfänger 20

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, bei Einrich- zugeführt. In dem in der Ebene 11' des Lichtquellentungen der eingangs erwähnten Art ein oberweilen- beugungsbildes entstehenden Interferenzstreifensystem freies Signal bzw. ein Signal, welches lediglich eine 30 16 ist eine Frequenzfilterblende 17 mit sinusförmigem einzige Oberwelle enthält, zu erreichen, ohne daß be- Durchlässigkeitverlauf 18, das beispielsweise als versondere Anforderungen an die Ausbildung der Gitter laufendes Graufilter ausgebildet ist, welches wiederum gestellt werden müssen und welche auch ohne eine zu- lediglich ein oberwellenfreies bzw. nur eine einzige sätzliche Abbildung der Gitter aufeinander aus- Oberwelle enthaltendes periodisches Signal durchläßt, kommt. '"" 35 das von der Bewegung des Gitters 13 abhängt.

Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß Zur Wirkungsweise der beschriebenen Ausf ührungs-

bei derartigen Einrichtungen in der Ebene oder in un- beispiele ist folgendes zu bemerken:

mittelbarer Nähe des Streifensystems eine Frequenz- Ein mit harmonischen Oberwellen behaftetes Signal

filterblende mit sinusförmigem Durchlässigkeitsverlauf läßt sich bekanntlich durch

angeordnet ist. 40

Weitere Einzelheiten und die Wirkungsweise der Er- S(V) == a₀ + a_x cos 2π— + · · · a_n cos 2πη— · · · rindung sollen nun an Hand der in den F i g. 1 bis ^{w w}
5 b dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. beschreiben.

In der schematischen Darstellung nach F i g. 1 45 Hierin bedeutet ν die Relativbewegung eines Gitters,

ist mit 1 eine Lichtquelle bezeichnet, welche in der w die Periodenlänge der Gitter, und die a_n sind

Brennebene des Kondensors 2 angeordnet ist. Das Fourier-Koeffizienten, die sich aus Gitterabstand,

vom Kondensor 2 ausgehende gerichtete parallele Gitterneigung, Kohärenzgrad und Wellenlänge des

Lichtbündel durchsetzt nacheinander zwei eng bei- Lichtes ergeben.

einanderliegende Gittersysteme 3 und 4. Das Gitter- 50 Wird nun ein Streifensystem, sei es in der Gittersystem 3 ist in den Richtungen des Doppelpfeiles 5 ebene durch Moiree (vgl. F i g. 1) oder in der Pupille, verschiebbar und fest mit dem Teil verbunden (z. B. d. h. in dem Lichtquellenbeugungsbild, durch einen Werkzeug), dessen Relativverschiebung gemessen wer- von Null abweichenden Abstand zwischen den beiden den soll. Das Gitter 4 ist mit dem feststehenden Teil Gittern erzeugt (vgl. F i g. 2), so ergibt sich der Hellig-(z. B. Maschinenbett) verbunden, gegenüber dem die 55 keitsverlauf dieses Streifensystems
Verschiebung des beweglichen Teiles gemessen werden
soll. ι χ ν \

Das Gitter 4 habe beispielsweise die gleiche Gitter- S(x,v) — a₀ + G₁ cos 2 π I — — — j. . .

konstante w wie das Gitter 3, jedoch sind dessen ^ '

Gitterstriche4' gegenüber den Gitterstrichen3' des 60 ( χ v\

Gitters 3 leicht geneigt. Der besseren Übersicht wegen + ^an cos 2 π η I —— —J

sind die Gitterstriche lediglich im rechten Teil der \ '
Gitter eingezeichnet. Bei einer solchen Anordnung

entstehen in bekannter Weise sogenannte Moiree- Hierin ist W die Periodenlänge des Streifensystems

Streifen 6, die quer zu den Gitterstrichen 3', 4' der 65 und χ die Ortskoordinate senkrecht zu den in der

Gitter 3, 4 verlaufen. Die Längsrichtung der Moiree- j-Richtung verlaufenden Streifen. Wird in einem der-

Streifen 6 ist als j-Achse eines rechtwinkligen Koordi- artigen Streifensystem eine Blende, deren Durchlässig-

natensystems festgelegt. In der Ebene der Moiree- keitsverlauf durch D {x,y) gegeben ist, angeordnet,

3 ' 4

so ist der Lichtstromverlauf nach der Blende gegeben Dieses Durchlaßgebiet hat nun in der x-Richtung

durch ■ ■ einen sinusförmigen Verlauf seiner Durchlässigkeit D,

„ - wie in Fig. 4b dargestellt ist, und außerhalb des

0(V) = I IjD(x y)S(x v)dxdy =*S^b_ncos2nn— Durchlaßgebietes 18 ist die Durchlässigkeit gleich

JJ ' ' ^ W₅ Null.

Formelmäßig ausgedrückt muß die Durchlässig-

'■ Die bn ergeben sich durch eine einfache Multiplika- keit D folgenden Bedingungen genügen:
tion der a_n mit dem entsprechenden Wert der Fourier-

transformierten c_n von D(x,y), wobei diese sich be- r>( \— -i- ^v

kanntlich aus io v^W ~ ^ao + '

W C_n= \ \ D(x,y)t^i%xn~dydy für— m[ <p\ < x< +ml— + φ

= j JD (x, y) e'² »»-~ dy d y

ergeben. Die Oberwellen-werden durch eine Filter- und K₁Ky < K₂,

blende dann unterdrückt, wenn c_n = 0 für η — 2, 3, χ> (_xy) = ο fü_r außerhalb des obigen Bereiches.
4 ... wird.

^; Eine derartige Wirkung besitzt z. B. eine Frequenz- Die Bedeutung der Bezeichnungen ist bereits an filterblende, deren Öffnung einen sinusförmigen Ver- 20 Hand der obigen Figuren beschrieben worden bzw. lauf aufweist, wie z. B. in dem Ausführungsbeispiel ergibt sich ohne weiteres aus diesen Abbildungen,
nach F i g. 1 als Blende 7, 8 dargestellt ist. Selbstverständlich läßt sich eine Frequenzfilter-Für die Öffnung einer derartigen Frequenzfilter- blende nach der Erfindung auch aus einer Kombination blende gelten dabei folgende Bedingungen: der geschilderten Blendenarten auf bauen.

25 Im übrigen sind die dargestellten Einrichtungen

Ay ₌ _a _|_ _a sin 2 π η ^X lediglich als Ausführungsbeispiele gedacht, die sich

W noch mannigfach im Rahmen des Erfindungsgedankens

IW \ IW \ variieren lassen.

D(x,y) = cfür — m 1-— — ψ\<x< +ml—- + φ), ^Eine strenge Ausfilterung der Grundwelle bzw.

γ 2 / ' \ 2 /30 einer einzigen Oberwelle setzt jedoch voraus, daß die

Periodenlänge W des Streifensystems konstant ist.

D(x,y) = 0 außerhalb des obigen Bereiches. Durch unvermeidliche Toleranzen bedingt, durch die

beispielsweise bei einer Verschiebung des beweglichen Gitters gegenüber dem feststehenden Abtastgitter

Hierin stellt Δ y den Verlauf der Größe der Blen- 35 leichte zusätzliche Verdrehungen auftreten können,

denöffnung in Richtung des Streifensystems (in j-Rich- besteht die Gefahr, daß geringe Änderungen in der

tung) und D(x,y) χ die Durchlässigkeit der Blende Periodenlänge W während des Meßvorganges auf-

dar; W ist die Periodenlänge des Streifensystems und treten können.

η eine ganze Zahl, entsprechend der Ordnungszahl der Dies läßt sich jedoch in Weiterführung des Erdurchzulassenden Oberwelle. a₀, a_x und c sind Kon- 40 findungsgedankens dadurch kompensieren, wie in stanten, wobei a₀ > U₁ und c < 1 ist. m ist eine ganze den F i g. 5 a und 5 b dargestellt ist, daß das bewegliche Zahl entsprechend der Anzahl der von der Frequenz- Gitter 23 mit einem zweiteiligen Abtastgitter 24, das filterblende erfaßten Streifenperioden, und φ ist die die beiden Felder 24 a und 24 b besitzt, dessen Gitter-Verschiebung des Filterverlaufes innerhalb seiner striche von gleicher Gitterkonstante entgegengesetzt Begrenzung. 45 gleich gegenüber den Gitterstrichen 23' des Gitters 23 Zur Erläuterung dieser Bedingungen sei auf die geneigt sind. Hierdurch entstehen nun zwei Moiree-Fig. 3a bis 3c hingewiesen. Streifensysteme (für jedes Abtastfeld eines), in denen In der Fig. 3a ist der Verlauf der Blendenöffnung wiederum je eine Frequenzfilterblende nach der Er- Δ y nach der obigen Formel dargestellt. findung eingebracht ist.

In der Fig. 3b sind zwei einen derartig vorgegebe- 50 Die Frequenzfilterblenden28a, 2Sb können auch,

nen Verlauf genügende Blendenöffnungen8' bzw. 8" wie in der Fig. 5a dargestellt ist, direkt auf die

... f, , . , j _.,. it ,W- Abtasteitter 24a, 24 b aufgebracht sein,

mitemerVersclnebungdesRlterverlaufesVOn₉₃ = + _{T Das} ^ä _{von der} L_iclltquel5 _{21 (vgl}. _{F f g}. _{5b) über den}

beispielsweise dargestellt. Kondensor 22 mit parallelem Licht beaufschlagte In der Fig. 3c ist eine Frequenznlterblende mit 55 Gittersystem23, 24 erzeugt zwei Streifensysteme, und mehreren jeweils eine Streifenperiodenlänge W er- die durch die Blenden 28a, 28b ausgeblendeten Lichtfassende Blendenöffnungen 8 dargestellt. Hierbei gel- ströme werden über den Kollektor 29 gemeinsam dem ten für die Zonen 0 beispielsweise m = 5, Zonen I photoelektrischen Empfänger 30 zugeführt,
bzw. Γ m = 3 und Zonen II bzw. ΙΓ m = 1. Bei einer Verdrehung des Gitters 23 gegenüber Eine weitere Ausbildungsform der Frequenzfilter- 60 dem Gitter 24 um eine Achse senkrecht zur Zeichenblende, wie sie beispielsweise in der Fig. 2, Teil 17, ebene der Fig. 5a ändern sich die Neigungswinkel 18 verwendet ist, sei nun an Hand der Fig. 4 a und der Teilgitter entgegengesetzt gleich und damit werden 4b erläutert: auch die hiervon abhängigen Periodenlängen W der Das rechteckförmige Durchlaßgebiet 18 der Blende beiden Streifensysteme um entgegengesetzt gleiche 17 (Fig. 4a) hat eine Breite (in der x-Richtung) von 65 Beträge geändert.

der Periodenlänge W des Streifensystems. Die Höhe Da nun beide Teilabtastungen im gleichen Photo-

des Durchlaßgebietes (in j-Richtung) ist durch die element aufsummiert werden, kompensieren sich diese

Begrenzungen K₁ und K₂ bestimmt. Änderungen gegenseitig.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung von Lageänderungen zweier relativ zueinander beweglicher Teile, welche ein photoelektrisches Gitterabtastsystem besitzt und bei der mindestens ein aus periodischen Helligkeitsschwankungen aufgebautes Streifensystem erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene oder in unmittelbarer Nähe des Streifensystems (6, 16) eine Frequenzfilterblende (7,17) mit sinusförmigem Durchlässigkeitsverlauf (A y, D) angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzfilterblende mindestens eine Öffnung (8) aufweist, für die die Bedingungen

A y = a₀ + O₁SIa 2 π η—,
W

(W

= cfür — m\ — _
\2

(W

\2 / ao

D(x,y) = 0 außerhalb obigen Bereiches

gelten (wobei Ay den Verlauf der Größe der Blendenöffnung in Richtung des Streifensystems und D(x, y) die Durchlässigkeit der Blende darstellen, W die Periodenlänge des Streifensystems ist und η eine ganz Zahl, entsprechend der Ordnungszahl der durchzulassenden Oberwelle, a₀, a_x und c sind Konstanten; m ist eine ganze Zahl entsprehend der Anzahl der von der Blende erfaßten Streifenperioden, und φ ist die Verschiebung des Filterverlaufes innerhalb seiner Begrenzung).

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchlässigkeitsgebiet der Frequenzfilterblende in Längsrichtung des Streifensystems durch zwei Begrenzungen (K₁ und Z₂) bestimmt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, bei der zwei Streifensysteme erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlängen der beiden Streifensysteme sich um entgegengesetzt gleiche Beträge ändern und in jedem Streifensystem eine Frequenzfilterblende (28a, 2Bb) angeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen