Die Erfindung betrifft ein optisches Verschiebungsmeßsystem zum Erfassen einer
eventuellen relativen Bewegung eines bewegbaren Teils einer Vorrichtung zum
Herstellen von Halbleitern, eines Maschinenwerkzeugs oder einer anderen Vorrichtung.
Es sind optische Verschiebungsmeßsysteme bekannt, die ein Beugungsgitter verwenden,
um die relative Bewegung eines bewegbaren Teils einer Vorrichtung, wie beispielsweise
einer Vorrichtung zum Herstellen von Halbleitern oder eines Maschinenwerkzeugs, zu
erfassen.
Die Fig. 1 und 2 der beiliegenden Zeichnung zeigen beispielsweise ein bekanntes
optisches Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift
Nr. 60-98302 beschrieben ist. Fig. 1 ist eine schematische Perspektivdarstellung des
bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems 100 und Fig. 2 ist eine schematische
Darstellung des optischen Verschiebungsmeßsystems 100 in Blickrichtung des
Pfeiles N1 in Fig. 1.
Dieses bekannte optische Verschiebungsmeßsystem 100 enthält ein Beugungsgitter 101,
daß so ausgebildet ist, daß es sich entsprechend einer Bewegung des bewegbaren Teils
eines Maschinenwerkzeugs linear in die durch die Pfeile X1 und/oder X2 in den
Figuren angedeuteten Richtungen bewegt, eine kohärente Lichtquelle 102 zum
Emittieren eines kohärenten Laserstrahls, einen halbdurchlässigen Spiegel 103 zum
Teilen des von der kohärenten Lichtquelle 102 emittierten Laserstrahls in zwei Strahlen
und zum Veranlassen, daß sich die zwei Beugungsstrahlen von dem Beugungsgitter 101
überlagern und miteinander interferieren, ein Paar von Spiegeln 104a, 104b zum
Reflektieren der entsprechenden Strahlen, die von dem Beugungsgitter 101 gebeugt
wurden, und einen Licht- oder Fotodetektor 105 zum Empfangen der zwei gebrochenen
Strahlen und Erzeugen eines Interferenzsignals.
Der von der kohärenten Lichtquelle 102 emittierte Laserstrahl wird durch den
halbdurchlässigen Spiegel 103 in zwei Strahlen geteilt. Anschließend werden die zwei
Strahlen dazu gebracht, auf das Beugungsgitter 101 zu treffen. Die zwei auf das
Beugungsgitter 101 treffenden Strahlen werden dann durch das Beugungsgitter 101
gebeugt und verlassen dieses als Beugungsstrahlen. Die zwei durch das
Beugungsgitter 101 gebeugten Primärbeugungsstrahlen werden anschließend durch die
Spiegel 104a bzw. 104b reflektiert. Die von den Spiegeln 104a bzw. 104b reflektierten
Beugungsstrahlen werden dazu veranlaßt, ein weiteres Mal auf das Beugungsgitter 101
zu treffen, und werden noch einmal durch das Beugungsgitter 101 gebeugt, bevor sie zu
dem halbdurchlässigen Spiegel 103 zurückkehren, wobei sie jeweils entgegengesetzten
gleichen Lichtwegen folgen. Die zu dem halbdurchlässigen Spiegel 103
zurückgekehrten Beugungsstrahlen werden dazu veranlaßt, sich zu überlagern und
miteinander zu interferieren, bevor sie durch den Fotodetektor 105 erfaßt werden.
Bei dem bekannten optischen Verschiebungsmeßsystem 100 bewegt sich das
Beugungsgitter 101 in die durch die Pfeile X1, X2 angedeuteten Richtungen. Bei dem
optischen Verschiebungsmeßsystem 100 weisen dann die zwei durch das
Beugungsgitter 101 erzeugten Beugungsstrahlen eine Phasendifferenz als Funktion der
Bewegung des Beugungsgitters 101 auf. Das optische Verschiebungsmeßsystem 101
kann daher die Verschiebung des bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs durch
Erfassung der Phasendifferenz der zwei Beugungsstrahlen aus dem von dem
Fotodetektor 105 erzeugten Interferenzsignal bestimmen.
Die Fig. 3 und 4 der beiliegenden Zeichnung zeigen ein weiteres bekanntes optisches
Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 60-98302
beschrieben ist. Fig. 3 ist eine schematische Perspektivdarstellung des bekannten
optischen Verschiebungsmeßsystems 110 und Fig. 4 ist eine schematische Darstellung
der optischen Verschiebungsmeßsystems 110 in Blickrichtung des in Fig. 3 gezeigten
Pfeiles N1.
Dieses bekannte optische Verschiebungsmeßsystem 110 enthält ein Beugungsgitter 111,
das so ausgebildet ist, daß es sich entsprechend einer Bewegung des bewegbaren Teils
eines Maschinenwerkzeugs linear in die durch die Pfeile X1 und/oder X2 in den
Figuren angedeuteten Richtungen bewegt, eine kohärente Lichtquelle 112 zum
Emittieren eines kohärenten Laserstrahls, einen halbdurchlässigen Spiegel 113 zum
Teilen des von der kohärenten Lichtquelle 112 emittierten Laserstrahls in zwei Strahlen
und zum Veranlassen, daß sich die zwei Beugungsstrahlen von dem Beugungsgitter 111
überlagern und miteinander interferieren, ein erstes Paar von Spiegeln 114a, 114b zum
Reflektieren der von dem Beugungsgitter 111 gebeugten Strahlen auf einen gleichen und
identischen Lichtfleck auf dem Beugungsgitter 111, und ein zweites Paar von
Spiegeln 115a, 115b zum Reflektieren der von dem Beugungsgitter 111 gebeugten
Beugungsstrahlen sowie einen Fotodetektor 116 zum Empfangen der zwei
Beugungsstrahlen und zum Erzeugen eines Interferenzsignals.
Der von der kohärenten Lichtquelle 112 emittierte Laserstrahl wird durch den
halbdurchlässigen Spiegel 113 in zwei Strahlen geteilt. Die zwei Strahlen werden
anschließend durch das erste Paar von Spiegeln 114a, 114b reflektiert und dazu
veranlaßt, in dem gleichen und identischen Lichtfleck auf dem Beugungsgitter 111
aufzutreffen. Die zwei auf das Beugungsgitter 111 auftreffenden Strahlen werden dann
durch das Beugungsgitter 111 gebeugt und verlassen dieses als Beugungsstrahlen. Die
zwei durch das Beugungsgitter 111 gebeugten Primärbeugungsstrahlen werden
anschließend durch das zweite Paar von Spiegeln 115a, 115b reflektiert. Die von dem
zweiten Paar Spiegeln 104a bzw. 104b reflektierten Beugungsstrahlen werden dazu
veranlaßt, ein weiteres Mal auf das Beugungsgitter 111 zu treffen, und noch einmal
durch das Beugungsgitter 111 gebeugt, bevor sie zu dem halbdurchlässigen Spiegel 113
zurückkehren, wobei sie jeweils den entgegengesetzten gleichen Lichtwegen folgen. Die
zu dem halbdurchlässigen. Spiegel 113 zurückgekehrten Beugungsstrahlen werden dazu
veranlaßt, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren, bevor sie durch den
Fotodetektor 116 erfaßt werden.
Bei dem bekannten optischen Verschiebungsmeßsystem 110 bewegt sich das
Beugungsgitter 111 in die durch die Pfeile X1, X2 angedeuteten Richtungen. Die zwei
durch das Beugungsgitter 111 erzeugten Beugungsstrahlen zeigen dann bei dem
optischen Verschiebungsmeßsystem 110 eine Phasendifferenz als Funktion der
Bewegung des Beugungsgitters 111. Das optische Verschiebungsmeßsystem 110 kann
daher die Verschiebung des bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs durch
Erfassung der Phasendifferenz der zwei Beugungsstrahlen aus dem von dem
Fotodetektor 116 erzeugten Interferenzsignal bestimmen.
Entsprechend dem Trend zur verbesserten Hochpräzision von Maschinenwerkzeugen
und industriellen Robotern in den letzten Jahren wird von optischen
Verschiebungsmeßsystemen des betrachteten Typs immer häufiger verlangt, eine
Positionserfassungsfähigkeit mit einem Auflösungsvermögen von einigen 1/10 nm bis
zu einigen nm aufzuweisen.
Um einen hohen Auflösungsvermögen zu haben, ist es bei einem optischen
Verschiebungsmeßsystem notwendig, ein starkes Interferenzsignal zu erfassen. Die zwei
Beugungsstrahlen, die zum Interferieren gebracht werden sollen, müssen dann mit
einem hohen Maß an Präzision überlagert werden.
Bei den beiden oben beschriebenen bekannten optischen
Verschiebungsmeßsystemen 100, 110 können die Beugungsstrahlen allerdings
auseinanderlaufen, falls das entsprechende Beugungsgitter 101 oder 111 in eine andere
Richtung als die Bewegungsrichtung bewegt wird oder Wellungen aufweist, wodurch
das Interferenzsignal plötzlich unterdrückt wird und es somit unmöglich wird, die
Position des bewegbaren Teils zu erfassen. Falls beispielsweise das Beugungsgitter 101
oder 111 in die durch die Pfeile A1 und A2 oder B1 und B2 in den Fig. 1 bis 4
gezeigten Richtungen rotiert wird, ist es nicht länger möglich, die Position des
bewegbaren Teils des Maschinenwerkstucks, das unter Überwachung ist, zu erfassen.
Fig. 5 der beiliegenden Zeichnung zeigt ein optisches Verschiebungsmeßsystem 120,
das durch Modifizieren des oben beschriebenen bekannten optischen
Verschiebungsmeßsystems 100 erhalten wird. Gemäß Fig. 5 enthält dieses eine erste
Linse 106 zum Fokussieren der von der kohärenten Lichtquelle 102 emittierten
Laserstrahlen auf die Spiegel 104a, 104b und eine zweite Linse 107 zum Fokussieren
der zwei Beugungsstrahlen, die durch den halbdurchlässigen Spiegel 103 dazu gebracht
wurden, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren, auf die
Lichtempfangsebene des Fotodetektors 105.
Allerdings ist auch dieses optische Verschiebungsmeßsystem 120 nicht frei von dem
oben dargestellten Problem, daß die beiden Beugungsstrahlen auseinanderlaufen,
wodurch das Interferenzsignal plötzlich unterdrückt wird und es unmöglich gemacht
wird, die Position des bewegbaren Teils zu erfassen, falls das Beugungsgitter 101 in
eine andere Richtung als die Bewegungsrichtung bewegt wird oder Wellungen aufweist.
Falls beispielsweise das Beugungsgitter 101 in Richtung der Pfeile A1 und A2 um
(1/60)° und in Richtung der Pfeile B1 und B2 um (1/6)° gekippt wird, ändert sich die
Höhe des Interferenzsignals um 20%. Falls ein Reflexionstyp-Beugungsgitter verwendet
wird, reduziert sich der Toleranzwinkel in Richtung der Pfeile B1 und B2 zu einem
Bruchteil des oben angegebenen Werts, was es nochmals schwieriger macht, die
Position des bewegbaren Teils zu erfassen.
Fig. 6 der beiliegenden Zeichnung zeigt ein bekanntes optisches
Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2-167427
beschrieben wird.
Gemäß Fig. 6 enthält das optische Verschiebungsmeßsystem 130 ein
Beugungsgitter 131, das so ausgebildet ist, daß es sich entsprechend einer Bewegung
des bewegbaren Teils eines Maschinenwerkzeugs linear in die durch die Pfeile X1
und/oder X2 in den Figuren angedeuteten Richtungen bewegt, eine Laserdiode 132 zum
Emittieren eines Laserstrahls, einen ersten halbdurchlässigen Spiegel 133 zum Teilen
des von der Laserdiode 132 emittierten Laserstrahls, erste und zweite
Lichtempfangsvorrichtungen 134, 135 zum Empfangen der zwei durch das
Beugungsgitter 131 transmittierten Beugungsstrahlen, ein Paar von Linsen 136, 137
zum Fokussieren der zwei Beugungsstrahlen und einen zweiten halbdurchlässigen
Spiegel 138 zum Separieren und synthetischen Kombinieren der zwei durch das Paar
von Linsen 136, 137 fokussierten Beugungsstrahlen.
Das optische Verschiebungsmeßsystems 130 enthält ferner ein erstes Paar von
Spiegeln 139, 140 zum Reflektieren der von dem halbdurchlässigen Spiegel 133
erzeugten Laserstrahlen und zum Veranlassen, daß diese auf das Beugungsgitter 131
treffen, ein zweites Paar von Spiegeln 141, 142 zum Reflektieren der von dem
Beugungsgitter 131 durchgelassenen Laserstrahlen und zum Veranlassen, daß diese auf
den halbdurchlässigen Spiegel 138 treffen, ein λ/4-Plättchen 143 und einen ersten
Analysator 144, die zwischen der ersten Lichtempfangsvorrichtung 134 und dem
halbdurchlässigen Spiegel 138 angeordnet sind, und einen zweiten Analysator 145, der
zwischen der zweiten Lichtempfangsvorrichtung 135 und dem halbdurchlässigen Spiegel
138 angeordnet ist.
Bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 130 werden die erste und die zweite
Linse 136, 137 so angeordnet, daß sie die Strahlen jeweils auf die Beugungs- oder die
Brechungsebene des Beugungsgitters 131 fokussieren. Die Beugungsstrahlen, die auf
das erste bzw. das zweite Lichtempfangsvorrichtung treffen, werden daher immer
parallel zueinander gehalten, und das Interferenzsignal wird wenig schwanken, wenn
das Beugungsgitter 131 Wellungen zeigt.
Das vorgeschlagene optische Verschiebungsmeßsystem 130 stellt jedoch nur die
Parallelität der zwei Beugungsstrahlen sicher. Dies bedeutet, daß nur in dem
schraffierten Bereich in Fig. 7, in dem die beiden Strahlen zum Überlagern gebracht
werden, eine gleichmäßige Interferenz aufrechterhalten wird, wenn das
Beugungsgitter 131 geneigt wird. Mit anderen Worten, die zwei Beugungsstrahlen
interferieren in keinen anderen Bereichen als in dem Bereich, in dem die beiden
Strahlen zur gegenseitigen Überlagerung gebracht werden, so daß dementsprechend das
erhaltene Interferenzsignal unterdrückt werden wird. Falls ferner die beiden Strahlen
relativ zueinander nicht exakt parallel sind und - in irgendeinem Sinn des Wortes - einen
Abbildungsfehler beinhalten, wird selbst in dem Bereich, in dem die zwei
Strahlen zur gegenseitigen Überlagerung gebracht werden, keine gleichmäßige
Interferenz erzielt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches
Verschiebungsmeßsystem anzugeben, das die Position eines bewegbaren Teils eines
Maschinenwerkzeugs mit einem verbesserten Auflösungsvermögen erfassen kann.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine optisches
Verschiebungsmeßsystem anzugeben, bei dem irgendein von dem Beugungsgitter
reflektierter Strahl nicht zu der Lichtemissionsvorrichtung zurückkehrt, so daß die
Position des bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs zuverlässig mit einem erhöhten
Auflösungsvermögen erfaßt werden kann.
Entsprechend der Erfindung wird die obige Aufgabe unter Erreichen weiterer Vorteile
durch ein optisches Verschiebungsmeßsystem gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß es ein Beugungsgitter aufweist, das so ausgebildet ist, daß es mit einem kohärenten
Lichtstrahl bestrahlbar ist und sich in Richtungen relativ zu dem kohärenten Strahl
bewegt, die parallel zu dem Gittervektor sind, zum Beugen des kohärenten Lichtstrahls,
eine Lichtemissionsvorrichtung zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahls, ein
optisches Bestrahlungssystem zum Teilen des kohärenten Lichtstrahls, der von der
Lichtemissionsvorrichtung emittiert wurde, in zwei kohärente Lichtstrahlen und zum
Bestrahlen des Beugungsgitters min jedem der kohärenten Strahlen, ein optisches
Reflexionssystem, um jeden einzelnen eines ersten Paars von gebeugten Strahlen,
welches man aus den kohärenten Strahlen durch Beugung am Beugungsgitter und
Bestrahlung des Beugungsgitters mit jedem der ersten kohärenten Strahlen erhält, zu
Reflektieren, ein optisches Interferenzsystem zum Veranlassen, daß jeder eines zweiten
Paars von gebeugten Strahlen, das durch Beugung am Beugungsgitters erhalten werden,
miteinander zum Interferieren gebracht werden, eine Lichtempfangsvorrichtung zum
Empfangen des zweiten Paars von gebeugten Strahlen, die miteinander interferieren,
und zum Erfassen eines Interferenzsignals, sowie eine Positionserfassungsvorrichtung
zum Bestimmen der Phasendifferenz des zweiten Paars von gebeugten Strahlen aus dem
von der Lichtempfangsvorrichtung erfaßten Interferenzsignal und zum Erfassen der
Position des relativ bewegten Beugungsgitters, wobei das optische Bestrahlungssystem
eine erste Fokussiereinrichtung aufweist zum Fokussieren der zwei kohärenten Strahlen,
die das Beugungsgitter bestrahlen, auf die Gitterebene des Beugungsgitters, und wobei
das optische Reflexionssystem eine zweite Fokussiereinrichtung aufweist zum
Fokussieren des ersten Paars von gebeugten Strahlen, so daß sie das Beugungsgitter in
den gleichen Punkten wie die der korrespondierend fokussierten kohärenten Strahlen
bestrahlen.
Bei einem optischen Verschiebungsmeßsystem, das wie oben beschrieben aufgebaut ist
und in Fig. 8 schematisch dargestellt ist, fokussiert die erste Fokussiereinrichtung 4 den
kohärenten Lichtstrahl La, der von der Lichtemissionsvorrichtung 2 emittiert wurde, auf
die Gitterebene des Beugungsgitters 1. Der auf die Gitterebene des Beugungsgitters 1
fokussierte kohärente Strahl La wird dann durch das Beugungsgitter 1 gebeugt, wobei
als Ergebnis einer Reflexion oder Transmission durch das Beugungsgitter 1 ein erster
gebeugter Strahl Lb1 erzeugt wird. Die zweite Fokussiereinrichtung 5 richtet dann den
einfach-gebeugten Strahl Lb1 parallel aus und veranlaßt ihn, senkrecht das optische
Reflexionssystem zu bestrahlen. Das optische Reflexionssystem 3 veranlaßt dann den
ersten gebeugten Strahl Lb1, sich auf dem selben optischen Weg, den er bei der
Bestrahlung genommen hat, zurückzubewegen. Die zweite Fokussiereinrichtung 5
fokussiert den reflektierten ersten gebeugten Strahl Lb1 auf die Gitterebene des
Beugungsgitters. Danach wird der reflektierte erste gebeugte Strahl Lb1 auf den Punkt,
auf den der kohärente Strahl La von der ersten Fokussiereinrichtung 4 fokussiert wird,
fokussiert. Der reflektierte erste gebeugte Strahl Lb1 wird von dem Beugungsgitter 1
gebeugt, um als Ergebnis einer Reflexion oder Transmission durch das Beugungsgitter 1
einen zweiten gebeugten Strahl Lb2 zu erzeugen.
Bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem, das wie oben beschrieben aufgebaut ist,
wird der kohärente Strahl La von der ersten Fokussiereinrichtung 4 auf die Gitterebene
des Beugungsgitters 1 fokussiert, und gleichzeitig wird das erste Paar von gebeugten
Strahlen Lb1, Lb2, das von der zweiten Fokussiereinrichtung 5 parallel ausgerichtet
wurde, dauerhaft dazu veranlaßt, senkrecht einen Reflektor des optischen
Reflexionssystems 3 zu bestrahlen. Auf diese Weise bewegt sich, wenn die optische
Achse eines des ersten Paars von gebeugten Strahlen oder des gebeugten Strahles Lb1,
wie in der Fig. 8 typisch anhand von Lb1' gezeigt, verschoben wird, der gebeugte
Strahl Lb1 eines ersten Paares von gebeugten Strahlen immer auf dem gleichen
optischen Lichtweg, dem er bei der Bestrahlung des optischen Reflexionssystems
gefolgt war, zurück, so daß die optische Achse des anderen des ersten Paars von
gebeugten Strahlen, oder des gebeugten Strahls Lb2, der durch Beugung des ersten des
ersten Paars von gebeugten Strahlen erzeugt wird, oder des gebeugten Strahls Lb1 nicht
verschoben wird. Auf diese Weise wird auch die Länge des optischen Pfades nicht
geändert.
Folglich wird ein optisches Verschiebungsmeßsystem gemäß dieser Erfindung dadurch
charakterisiert, daß das optische Bestrahlungssystem auf einer geneigten Ebene für die
zwei gebeugten Strahlen jeweils senkrecht auf der Gitterebene des Beugungsgitters
optische Wege bildet, und die beiden kohärenten Strahlen dazu veranlaßt, die
Gitterebene des Beugungsgitters in der gleichen und identischen Stelle zu bestrahlen.
Bei einem erfindungsgemäßen optischen Verschiebungsmeßsystem, werden in einer
Richtung, die relativ zu der Normalen der Gitterebene des Beugungsgitters geneigt ist,
für die zwei kohärenten Strahlen optische Pfade gebildet, und die beiden kohärenten
Strahlen werden dazu veranlaßt in einer gleichen und identischen Stelle die Gitterebene
des Beugungsgitters zu bestrahlen. Dann wird in einem optische
Verschiebungsmeßsystem die Phasendifferenz zwischen den beiden Beugungsstrahlen,
die aus den kohärenten Strahlen erzeugt werden, bestimmt, um die relative
Verschiebung des Beugungsgitters zu erfassen.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines bekannten optischen
Verschiebungsmeßsystems, das in der japanischen Offenlegungsschrift No. 60-98302
beschrieben ist.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des optischen Verschiebungsmeßsystems in
Fig. 1 in Blickrichtung N1 in Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines weiteren bekannten optischen
Verschiebungsmeßsystems, daß in der japanischen Offenlegungsschrift No. 60-98302
beschrieben ist.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des optischen Verschiebungsmeßsystems in
Fig. 3 in Blickrichtung N1 in Fig. 3.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Funktion eines optischen
Verschiebungsmeßsystems, das durch Modifizieren des bekannten optischen
Verschiebungsmeßsystem aus Fig. 1 erhalten wird.
Fig. 6 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines weiteren bekannten optischen
Verschiebungsmeßsystems, das in der japanischen Offenlegungsschrift No. 2-167427
beschrieben wird.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Funktion einer Lichtempfangsvorrichtung
eines optischen Verschiebungsmeßsystems aus der japanischen Offenlegungsschrift
No. 2-167427, das mit gebeugten Lichtstrahlen bestrahlt wird.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines optischen Verschiebungsmeßsystems
entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines
optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines Beugungsgitters, das in den
ersten vier Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung der optischen Wege von kohärenten Strahlen
und Beugungsstrahlen in dem ersten Ausführungsbeispiel des optischen
Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines
optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung, in dem
die beiden kohärenten Strahlen die Gitterebene des Beugungsgitters in jeweiligen
voneinander verschiedenen Stellen bestrahlen.
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung des Beugungsgitters eines optischen
Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung, die die beiden von
zwei kohärenten Strahlen bestrahlten Stellen auf dem Beugungsgitter zeigt.
Fig. 14 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines
optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 ist eine schematische Darstellung einer Komponente des zweiten
Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit einer
Steigung m2 angeordnet ist, in Blickrichtung senkrecht relativ zu dieser Steigung m2.
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung eines kohärenten Strahls, der auf das
Beugungsgitter trifft, sowie eines gebeugten Strahls, der durch das Beugungsgitter
gebeugt wurde, in dem zweiten Ausführungsbeispiel eines optischen
Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung, in Blickrichtung
des Gittervektors.
Fig. 17 ist eine schematische Darstellung einer Komponente des zweiten
Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit einer
Steigung m3 angeordnet ist, in Blickrichtung senkrecht relativ zu dieser Steigung m3.
Fig. 18 ist eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels eines
optischen Verschiebungsmeßsystems gemaß dieser Erfindung, in dem zwei kohärenten
Strahlen dazu veranlaßt werden, die Gitterebene des Beugungsgitters in jeweiligen
voneinander verschiedenen Stellen zu bestrahlen.
Fig. 19 ist eine schematische Darstellung einer Komponente des zweiten
Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit einer
Steigung m2 angeordnet ist, in Blickrichtung senkrecht relativ zu dieser Steigung m2,
bei dem die beiden kohärenten Strahlen dazu veranlaßt werden, die Gitterebene des
Beugungsgitters in jeweiligen voneinander verschiedenen Stellen zu bestrahlen.
Fig. 20 ist eine schematische Darstellung einer Komponente des zweiten
Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit einer
Steigung m3 angeordnet ist, in Blickrichtung senkrecht relativ zu dieser Steigung m3,
bei dem die beiden kohärenten Strahlen dazu veranlaßt werden, die Gitterebene des
Beugungsgitters in jeweiligen voneinander verschiedenen Stellen zu bestrahlen.
Fig. 21 ist eine schematische Darstellung der Länge des optischen Weges eines
Laserstrahls, der durch das Beugungsgitter hindurchtritt.
Fig. 22 ist eine schematische Darstellung der Differenz zwischen den optischen Wegen
zweier Laserstrahlen, die durch das Beugungsgitter hindurchtreten, wenn das Gitter eine
variierende Dicke aufweist.
Fig. 23 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines optischen
Verschiebungsmeßsystems, das durch Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
Fig. 24 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels
eines optischen Verschiebungsmeßsystems gemäß dieser Erfindung.
Fig. 25 ist eine schematische Darstellung von Komponenten des dritten
Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems die mit einer
Steigung m2 und m3' angeordnet sind, in Blickrichtung senkrecht relativ zu dieser
entsprechenden Steigung m2 und m3'.
Fig. 26 ist eine schematische Darstellung eines kohärenten Strahls, der auf das
Beugungsgitter trifft, und eines gebeugten Strahls, der von dem Beugungsgitter des
dritten Ausführungsbeispieles eines optischen Verschiebungsmeßsystems gemäß dieser
Erfindung gebeugt wird, mit Blick in Richtung des Gittervektors.
Fig. 27 ist eine schematische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels eines
optischen Verschiebungsmeßsystems gemäß dieser Erfindung, bei dem die beiden
kohärenten Strahlen dazu veranlaßt werden, die Gitterebene des Beugungsgitters in
jeweiligen voneinander verschiedenen Stellen zu bestrahlen.
Fig. 28 ist eine schematische Darstellung von Komponenten des dritten
Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit den
Steigungen m2 und m3' angeordnet sind und in Blickrichtung senkrecht relativ zu dieser
entsprechenden Steigung m2 und m3', wobei die beiden kohärenten Strahlen dazu
veranlaßt werden, die Gitterebene des Beugungsgitters in jeweiligen voneinander
verschiedenen Stellen zu bestrahlen.
Fig. 29 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines optischen
Verschiebungsmeßsystems, das durch Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels
entsprechend der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
Fig. 30 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels
eines optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 31 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines andersartigen Beugungsgitters,
das bei dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines ersten Ausführungsbeispiels eines
optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der Erfindung erläutert.
Gemäß Fig. 9, welche ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
optischen Verschiebungsmeßsystems 10 zeigt, enthält dieses ein Beugungsgitter 11,
welches an einem bewegbaren Teil eines Maschinenwerkzeugs befestigbar und linear
bewegbar ist, eine kohärente Lichtquelle 12 zum Emittieren eines kohärenten
Lichtstrahls La, beispielsweise eines Laserstrahls, eine Lichtempfangsvorrichtung 13
zum Empfangen zweier interferierender Beugungsstrahlen Lc1, Lc2, um ein
Interferenzsignal zu erzeugen, eine Positionserfassungsvorrichtung 14 zum Erfassen der
verschobenen Position des Beugungsgitters 11 auf Basis des Interferenzsignals der
Lichtempfangsvorrichtung 13, und ein optisches Bestrahlungs-/Empfangssystem 15, um
den von der kohärenten Lichtquelle 12 emittierten kohärenten Strahl La in zwei
kohärente Strahlen La1, La2 zu teilen, und um zu bewirken, daß das Beugungsgitter 11
mit den erhaltenen Strahlen bestrahlt wird, während es bewirkt, daß die vom
Beugungsgitter zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 miteinander interferieren und die
Lichtempfangsvorrichtung 13 beleuchten, und ein optisches Reflexionssystem 16, um
die vom Beugungsgitter einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 11 zu reflektieren und
wieder das Beugungsgitter 11 zu bestrahlen.
Gemäß Fig. 10 weist das Beugungsgitter 11 das Profil einer dünnen Scheibe auf und ist
mit einer Gitterstruktur von schmalen Schlitzen oder Rillen versehen, die in
regelmäßigen Abständen auf der Oberfläche angeordnet sind. Ein Lichtstrahl, der auf
das Beugungsgitter 11 trifft, wird von der an der Oberfläche gebildeten Gitterstruktur
gebeugt. Der gebeugte Strahl wird dann in eine Richtung, die durch die Gitterabstände
und die Wellenlänge des Strahls bestimmt ist, abgestrahlt.
Aus Gründen der Beschreibung des Ausführungsbeispiels wird im Folgenden die
Oberfläche des Beugungsgitters, auf der die Gitterstruktur angeordnet ist, als
Gitterebene 11a bezeichnet. Falls es sich um ein Transmissionstyp-Beugungsgitter 11
handelt, werden sowohl die Oberfläche, durch die ein kohärenter Strahl in das
Beugungsgitter eintritt, als auch die Oberfläche, durch die ein gebeugter Strahl
abgestrahlt wird, als Gitterebene 11a bezeichnet. Die Richtungen, entlang derer die
Gitterstruktur des Beugungsgitters 11 gebildet wird (die durch die Pfeile C1 und C2 in
Fig. 10c dargestellten Richtungen), das sind die Richtung senkrecht zum Gittervektor,
welcher Änderungen in der Durchlässigkeit, in der Reflektivität und Tiefe der
Gitterstruktur repräsentiert, sowie die Richtung parallel zur Gitterebene 11a, werden als
Gitterrichtungen bezeichnet. Die Richtungen senkrecht zu der Richtung, entlang derer
die Gitterstruktur gebildet wird, und parallel zu der Gitterebene 11a (die durch
Pfeile D1 und D2 in Fig. 10 dargestellten Richtungen), das sind die Richtungen parallel
zu dem Gittervektor des Beugungsgitters 11, werden als Gittervektorrichtungen
bezeichnet. Schließlich werden die Richtungen senkrecht zu der Gitterebene 11a (die
durch die Pfeile E1 und E2 in Fig. 10 dargestellten Richtungen), das sind die
Richtungen senkrecht zu derjenigen Richtung, entlang der die Gitterstruktur gebildet ist,
und ebenso senkrecht zu dem Gittervektor, werden als Normalen-Vektorrichtungen
bezeichnet. Es ist zu beachten, daß diese Nomenklatur der Richtungen des
Beugungsgitters 11 auch in der nachfolgenden Beschreibung der weiteren
Ausführungsbeispiele verwendet wird.
Das Beugungsgitter 11 ist an einem bewegbaren Teil eines Maschinenwerkzeugs
befestigt und wird zusammen mit dem bewegbaren Teil in die Gittervektorrichtungen
bewegt, wie dies durch die Pfeile X1 und X2 in Fig. 9 dargestellt wird.
Die kohärente Lichtquelle 12 ist eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, einen kohärenten
Strahl, wie beispielsweise einen Laserstrahl, zu emittieren. Die kohärente
Lichtquelle 12 ist typischerweise ein Multimode-Halbleiterlaser, der so ausgebildet ist,
daß er einen Laserstrahl mit einer Kohärenzlänge von ungefähr einigen 100 µm erzeugt.
Die Lichtempfangsvorrichtung 13 ist ein licht- oder photoelektrisches
Umsetzungselement, das so ausgebildet ist, daß es das Licht, das dessen
Lichtempfangsebene 13a bestrahlt, in ein elektrisches Signal umsetzt, welches die
Menge des empfangenen Lichts repräsentiert. Sie kann typischerweise einen Licht- oder
Photodetektor aufweisen. Die Lichtempfangsvorrichtung 13 empfängt einen kohärenten
Lichtstrahl, der die Lichtempfangsebene 13a bestrahlt, und erzeugt ein
Interferenzsignal, welches der Menge des empfangenen Lichts entspricht.
Die Positionserfassungsvorrichtung 14 gibt ein Positionssignal aus, welches die relativ
verschobene Position des Beugungsgitters 11 durch Ermittlung der Phasendifferenz der
zweifach-gebeugten Lichtstrahlen Lc1 und der zweifach-gebeugten Lichtstrahlen Lc2
auf Basis des von der Lichtempfangsvorrichtung 13 erzeugten Interferenzsignals angibt.
Das optische Bestrahlungs-/Empfangssystem 15 enthält eine erste
Fokussiereinrichtung 21 um den kohärenten Strahl La, der von der kohärenten
Lichtquelle 12 emittiert wird, auf die. Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 zu
fokussieren, einen halbdurchlässigen Spiegel 22 zum Teilen des kohärenten Strahles La,
der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert wird, in zwei kohärente
Strahlen La1, La2 und zum Veranlassen, daß sich die beiden von dem
Beugungsgitter 11 zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 überlagern und miteinander
interferieren, einen Reflektor 23 zum Reflektieren eines der kohärenten Strahlen,
entweder des kohärenten Strahls La1, der durch den halbdurchlässigen Spiegel 22
erzeugt wird, und des zweifach-gebeugten Strahls, der aus dem kohärenten Strahl La1
erzeugt wird, einen weiteren Reflektor 24 zum Reflektieren eines anderen kohärenten
Strahls, entweder des kohärenten Strahls La2, der durch den halbdurchlässigen
Spiegel 22 erzeugt wurde, und des zweifach-gebeugten Strahls Lc2, der aus dem
kohärenten Strahl La2 erzeugt wird, und eine zweite Fokussiereinrichtung 25, um die
beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die von dem halbdurchlässigen
Spiegel 22 dazu veranläßt werden, sich zu überlagern, auf die Lichtempfangsebene 13a
der Lichtempfangsvorrichtung 13 zu fokussieren.
Die erste Fokussiereinrichtung 21 enthält ein optisches Element, das eine Linse sein
kann, die einen vorgegebenen variablen Bereich der numerischen Apertur hat. Der
kohärente Strahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert wird, wird dazu
gebracht, in die erste Fokussiereinrichtung 21 einzutreten. Die erste
Fokussiereinrichtung 21 fokussiert den eingetretenen kohärenten Strahl La mit einem
vorgegebenen Strahlendurchmesser auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11.
Vorzugsweise überdeckt der Strahldurchmesser des fokussierten Strahls eine für das
Beugungsgitters 11 ausreichende Anzahl an Rillen, um einen Beugungsstrahl zu
erzeugen. Der Strahldurchmesser ist vorzugsweise dergestalt, daß der Strahl nicht durch
kleine Staubpartikel und/oder Kratzer auf der Gitterebene 11a beeinflußt wird.
Vorzugsweise kann der Strahldurchmesser durch Einstellen der numerischen Apertur
eingestellt werden und ist typischerweise nicht kleiner als einige 10 µm. Der Brennpunkt
muß nicht notwendigerweise der Punkt sein, an dem der Strahldurchmesser minimiert
wird. Ein Punkt auf der Gitterebene 11, bei dem die Differenz zwischen den Längen
der optischen Wege der zwei Strahlen minimiert wird, kann alternativ für den
Brennpunkt gewählt werden.
Der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittierte kohärente Strahl La wird durch die
erste Fokussiereinrichtung 21 dazu gebracht, in den halbdurchlässigen Spiegel 22
einzutreten. Der halbdurchlässige Spiegel 22 transmittiert einen Teil des einfallenden
kohärenten Strahls La, um einen kohärenten Strahl La1 zu erzeugen, und reflektiert den
Rest des einfallenden kohärenten Strahls La, um einen kohärenten Strahl La2 zu
erzeugen. Der halbdurchlässige Spiegel 22 empfängt außerdem von dem
Beugungsgitter 11 den zweifach-gebeugten Strahl Lc1 und den zweifach-gebeugten
Strahl Lc2. Dann veranläßt der halbdurchlässige Spiegel 22 die beiden zweifach
gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 dazu, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren,
und bestrahlt die Lichtempfangsebene 13a der Lichtempfangsvorrichtung 13 mit den
miteinander interferierenden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2.
Der Reflektor 23 reflektiert den durch den halbdurchlässigen Spiegel 22 transmittierten
kohärenten Strahl La1 und bringt diesen dazu, an einer vorgegebenen Stelle auf die
Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 aufzutreffen. Der Reflektor 24 reflektiert
andererseits den von dem halbdurchlässigen Spiegel 22 reflektierten kohärenten
Strahl La2 und bringt diesen dazu, an einer vorgegebenen Stelle auf die Gitterebene 11a
des Beugungsgitters 11 aufzutreffen. Auf diese Weise veranlassen der Reflektor 23 und
der Reflektor 24, daß die jeweiligen kohärenten Strahlen La1 und La2 in dem gleichen
Punkt auf die Gitterebene 11a auftreffen.
Der Reflektor 23 wird außerdem mit dem zweifach-gebeugten Strahl Lc1 bestrahlt, der
aus dem einfach-gebeugten Strahl Lb1 durch Bestrahlung des Beugungsgitters 11 mit
Letzterem erzeugt wird. Dann reflektiert der Reflektor 23 den zweifach-gebeugten
Strahl Lc1, damit dieser den halbdurchlässigen Spiegel 22 bestrahlt. Andererseits wird
der Reflektor 24 mit den zweifach-gebeugten Strahl Lc2 bestrahlt, der aus dem einfach
gebeugten Strahl Lb2 durch Bestrahlung des Beugungsgitters 11 mit Letzterem erzeugt
wird. Dann reflektiert der Reflektor 24 den zweifach-gebeugten Strahl Lc2 damit dieser
den halbdurchlässigen Spiegel 22 bestrahlt. Sowohl der Reflektor 23 als auch der
Reflektor 24 werden mit den zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 bestrahlt, die an
der gleichen Stelle von der Gitterebene 11a erzeugt werden.
Die zweite Fokussiereinrichtung 25 enthält ein optisches Element, das eine Linse sein
kann, die einen vorgegebenen Bereich ihrer numerischen Apertur hat. Die beiden
zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die durch den halbdurchlässigen Spiegel 22
dazu gebracht werden, sich zu überlagern, werden dazu veranlaßt, in die zweite
Fokussiereinrichtung 25 einzutreten. Die zweite Fokussiereinrichtung 25 fokussiert die
beiden eingetretenen zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 mit einem vorgegebenen
Strahldurchmesser auf die Lichtempfangsebene 13a der Lichtempfangsvorrichtung 13.
Der Brennpunkt muß nicht notwendigerweise derjenige Punkt sein, an dem der
Strahldurchmesser minimiert wird. Ein Punkt auf der Lichtempfangsebene 13a, bei dem
die Differenz der Länge der optischen Wege der zwei Strahlen minimiert wird, kann
alternativ für den Brennpunkt gewählt werden.
Schlußendlich enthält das optische Reflexionssystems 16 einen Reflektor 26, um den
einfach-gebeugten Strahls Lb1, der aus dem kohärenten Strahl La1 erzeugt wird, zu
reflektieren, und diesen das Beugungsgitter 11 noch einmal bestrahlen zu lassen, einen
weiteren Reflektor 27, um den einfach-gebeugten Strahls Lb2, der aus dem kohärenten
Strahl La2 erzeugt wird, zu reflektieren, und diesen das Beugungsgitter 11 noch einmal
bestrahlen zu lassen, eine dritte Fokussiereinrichtung 28, um den einfach-gebeugten
Strahl Lb1, der aus dem kohärenten Strahl La1 erzeugt wird, parallel auszurichten, und
diesen dazu zu veranlassen, den Reflektor 26 zu bestrahlen, und eine vierte
Fokussiereinrichtung 29, um den einfach-gebeugten Strahl Lb2, der aus dem kohärenten
Strahl La2 erzeugt wird, parallel auszurichten, und diesen dazu zu veranlassen, den
Reflektor 27 zu bestrahlen.
Der Reflektor 26 wird mit dem einfach-gebeugten Strahl Lb1 bestrahlt, nachdem dieser
die dritte Fokussiereinrichtung 28 passiert hat. Dann reflektiert der Reflektor 26
senkrecht den einfach-gebeugten Strahl Lb1, damit dieser dem gleichen optischen Weg
folgt.
Der Reflektor 27 wird mit dem einfach-gebeugten Strahl Lb2 bestrahlt, nachdem dieser
die vierte Fokussiereinrichtung 29 passiert hat. Dann reflektiert der Reflektor 27
senkrecht den einfach-gebeugten Strahl Lb2, damit dieser dem gleichen optischen Weg
folgt.
Die dritte Fokussiereinrichtung 28 enthält ein optisches Element, das eine Linse sein
kann, die einen vorgegebenen Bereich ihrer numerischen Apertur hat. Der einfach
gebeugte Strahl Lb1, der aus dem kohärenten Strahl La1 erzeugt wird, wird dazu
veranlaßt, in die dritte Fokussiereinrichtung 28 einzutreten. Der einfach-gebeugte
Strahl Lb1 wird außerdem dazu veranlaßt, entlang der Richtung, die zu der Richtung,
in der er von dem Beugungsgitter 11 aus in die Fokussiereinrichtung 28 eingetreten ist,
umgekehrt ist, in die dritte Fokussiereinrichtung 28 einzutreten, nachdem er von dem
Reflektor 26 reflektiert wurde. Dann richtet die dritte Fokussiereinrichtung 28 den in
sie von dem Beugungsgitter 11 aus eintretenden einfach-gebeugten Strahl Lb1 parallel
aus und läßt diesen den Reflektor 26 bestrahlen. Schließlich fokussiert die dritte
Fokussiereinrichtung 28 den einfach-gebeugten Strahl Lb1, der von dem Reflektor 26
senkrecht reflektiert wird, in dem gleichen Punkt auf die Gitterebene 11a des
Beugungsgitters 11, in dem der kohärente Strahl La1 auf die Gitterebene 11a trifft.
Die vierte Fokussiereinrichtung 29 enthält ein optisches Element, das eine Linse sein
kann, die einen vorgegebenen Bereich ihrer numerischen Apertur hat. Der einfach
gebeugte Strahl Lb2, der aus dem kohärenten Strahl La2 erzeugt wird, wird dazu
veranlaßt, in die vierte Fokussiereinrichtung 29 einzutreten. Der einfach-gebeugte
Strahl Lb2 wird außerdem dazu veranlaßt, entlang der Richtung, die zu der Richtung,
in der er von dem Beugungsgitter 11 aus in die Fokussiereinrichtung 29 eingetreten ist,
umgekehrt ist, in die vierte Fokussiereinrichtung 29 einzutreten, nachdem er von dem
Reflektor 27 reflektiert wurde. Dann richtet die vierte Fokussiereinrichtung 29 den in
sie von dem Beugungsgitter 11 aus eintretenden einfach-gebeugten Strahl Lb2 parallel
aus und läßt diesen den Reflektor 27 bestrahlen. Schließlich fokussiert die vierte
Fokussiereinrichtung 29 den einfach-gebeugten Strahl Lb2, der von dem Reflektor 27
senkrecht reflektiert wird, in dem gleichen Punkt auf die Gitterebene 11a des
Beugungsgitters 11, in dem der kohärente Strahl La2 auf die Gitterebene 11a trifft.
Auf diese Weise reflektiert das optische Reflexionssystem 16 die einfach-gebeugten
Strahlen Lb1, Lb2, die durch Beugung der kohärenten Strahlen La1 und La2 erzeugt
werden, und bestrahlt das Beugungsgitter 11 noch einmal. Die einfach-gebeugten
Strahlen Lb1, Lb2, die in das Beugungsgitter 11 eintreten, werden wiederum von dem
Beugungsgitter 11 gebeugt. Die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die durch
Beugung der einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 erzeugt werden, werden dazu
veranlaßt, in umgekehrter Richtung den optischen Wegen, die die gleichen wie die der
kohärenten Strahlen La1, La2 sind, zu folgen, und den halbdurchlässigen Spiegel 22
des optischen Bestrahlungs-/Empfangssystem 15 zu bestrahlen.
Nun werden unter Bezugnahme auf Fig. 11 die optischen Wege der kohärenten
Strahlen La1, L2, der einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 und der zweifach-gebeugten
Strahlen Lc1, Lc2 erläutert. Es ist zu beachten, daß die optischen Wege in Fig. 11 nur
schematisch dargestellt sind und die optischen Achsen der Strahlen nicht genau
festlegen.
Ein einzelner kohärenter Strahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert
wird, passiert eine erste Fokussiereinrichtung 21 und wird von einem halbdurchlässigen
Spiegel 22 in zwei kohärente Strahlen La1, La2 aufgeteilt.
Einer der beiden kohärenten Strahlen, der durch den halbdurchlässigen Spiegel 22
transmittiert wird, hier der kohärente Strahl La1, wird dann von einem Reflektor 23
reflektiert und in einem vorgegebenen Punkt P auf der Gitterebene 11a eines
Beugungsgitters 11 fokussiert. Dann wird der in dem vorgegebenen Punkt P fokussierte
kohärente Strahl La1 bei seiner Transmission durch das Beugungsgitter 11 gebeugt, um
einen einfach-gebeugten Strahl Lb1 zu erzeugen. Auf diese Weise wird von dem
vorgegebenen Punkt P der einfach-gebeugte Strahl Lb1 erzeugt. Der erzeugte einfach
gebeugte Strahl Lb1 tritt durch eine dritte Fokussiereinrichtung 28, um einen parallel
ausgerichteten Lichtstrahl zu bilden, welcher dann dazu veranlaßt wird, einen
Reflektor 26 zu bestrahlen. Der einfach-gebeugte Strahl Lb1, der auf den Reflektor 26
trifft, wird von dem Reflektor 26 senkrecht reflektiert, um noch mal in umgekehrter
Richtung durch die dritte Fokussiereinrichtung 28 hindurchzutreten und um im
vorgegebenen Punkt P auf der Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 fokussiert zu
werden. Der auf den vorgegebenen Punkt P fokussierte einfach-gebeugte Strahl Lb1
wird bei seiner Transmission durch das Beugungsgitter 11 gebeugt, um einen zweifach
gebeugten Strahl Lc1 zu erzeugen. Der erzeugte zweifach gebeugte Strahl Lc1 folgt in
umgekehrter Richtung dem optischen Weg des kohärenten Strahles La1, um auf den
halbdurchlässigen Spiegel 22 zu treffen.
Auf der anderen Seite wird ein anderer kohärenter Strahl, der von dem
halbdurchlässigen Spiegel 22 reflektiert wird, hier der kohärente Strahl La2, dann von
einem Reflektor 24 reflektiert und ebenfalls in dem vorgegebenen Punkt P der
Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 fokussiert. Dann wird der auf den
vorgegebenen Punkt P fokussierte kohärente Strahl La1 bei seiner Transmission durch
das Beugungsgitter 11 gebeugt, um einen einfach-gebeugten Strahl Lb2 zu erzeugen.
Solchermaßen wird von dem vorgegebenen Punkt P der einfach-gebeugte Strahl Lb1
erzeugt. Der erzeugte einfach-gebeugte Strahl Lb2 tritt durch eine vierte
Fokussiereinrichtung 29, um zu einem parallel ausgerichteter Lichtstrahl zu werden, der
dann dazu veranlaßt wird, einen Reflektor 27 zu bestrahlen. Der einfach-gebeugte
Strahl Lb2, der auf den Reflektor 27 trifft, wird von dem Reflektor 27 senkrecht
reflektiert und tritt noch einmal in der umgekehrten Richtung durch die vierte
Fokussiereinrichtung 29, und wird in dem vorgegebenen Punkt P auf der
Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 fokussiert. Der auf den vorgegebenen Punkt P
fokussierte einfach-gebeugte Strahl Lb2 wird bei seiner Transmission durch das
Beugungsgitter 11 gebeugt, um einen zweifach-gebeugten Strahl Lc2 zu erzeugen. Der
erzeugte zweifach gebeugte Strahl Lc2 folgt in umgekehrter Richtung dem optischen
Weg des kohärenten Strahls La2, um auf den halbdurchlässigen Spiegel 22 zu treffen.
Der zweifach gebeugte Strahl Lc1, der auf den halbdurchlässigen Spiegel 22 trifft, wird
von dem halbdurchlässigen Spiegel 22 reflektiert. Der zweifach gebeugte Strahl Lc2,
der in den halbdurchlässigen Spiegel 22 eintritt, wird durch den halbdurchlässigen
Spiegel 22 transmittiert. Die beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 werden dann
von dem halbdurchlässigen Spiegel 22 dazu veranlaßt, sich zu überlagern und
miteinander zu interferieren. Die beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, welche
miteinander interferieren, werden dann dazu veranlaßt, durch eine zweite
Fokussiereinrichtung 25 hindurchzutreten, und auf der Lichtempfangsebene 13a einer
Lichtempfangsvorrichtung 13 fokussiert.
Bei einem optischen Verschiebungsmeßsystem 10, das wie oben beschrieben aufgebaut
ist, wird zwischen den beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 eine
Phasendifferenz erzeugt, wenn das Beugungsgitter 11 mit einer Bewegung eines
bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs in Richtungen des Gittervektors bewegt
wird. Dann veranlaßt das optische Verschiebungsmeßsystem 10 die beiden zweifach
gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 dazu, miteinander zu interferieren, um ein
Interferenzsignal zu ermitteln, und bestimmt aus dem Interferenzsignal die
Phasendifferenz der beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, um schließlich die
verschobene Position des Beugungsgitters 11 zu bestimmen.
Es wird hier angenommen, daß eines der beiden gegenüberliegenden Enden des
Beugungsgitters 11 bei Betrachtung in Richtung der Gittervektoren in eine der normalen
Vektorrichtungen bewegt wird (zum Beispiel in die Richtung, die in Fig. 12 mit dem
Pfeil X3 bezeichnet ist), und das andere Ende in die andere normale Vektorrichtung
(zum Beispiel die Richtung, die in Fig. 12 mit dem Pfeil X4 bezeichnet ist) bewegt
wird, so daß die Gitterebene 11a gekippt wird. Dann ändern sich sowohl die
Beugungswinkel des einfach-gebeugten Strahls Lb1, als auch der Beugungswinkel des
einfach-gebeugten Strahls Lb2. Dadurch werden die optischen Achsen der beiden
einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 verschoben, um ihre optische Wege, wie in
Fig. 10b mit den gepunkteten Linien gezeichnet, zu ändern.
Wie dem auch sei wird bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 10 der von der
kohärenten Lichtquelle 12 emittierte kohärente Strahl La von der ersten
Fokussierungseinrichtung 21 auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 fokussiert,
und die beiden einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 werden von der entsprechenden
dritten Fokussiereinrichtung 28 oder der vierten Fokussiereinrichtung 29 parallel
ausgerichtet und dazu gebracht, beständig die jeweiligen Reflektoren 26, 27 zu
bestrahlen. So werden die einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die von dem
jeweiligen Reflektor 26 und dem Reflektor 27 reflektiert werden, wenn ihre optische
Achsen verschoben werden, dazu gebracht, die Gitterebene 11a des Beugungsgitters
wieder in dem gleichen Punkt zu treffen, wobei sie in umgekehrter Richtung den
gleichen optischen Weg verfolgen, den sie verfolgen, um die Gitterebene 11a das erste
Mal zu treffen. So werden bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 10 die
zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, welche jeweils aus den einfach-gebeugten
Strahlen Lb1, Lb2 erzeugt werden, immer dazu veranlaßt, dem gleichen optischen Weg
zu folgen, wenn das Beugungsgitter 11 gekippt wird, so daß die Längen ihrer optischen
Wege überhaupt nicht geändert wird.
Ein Ergebnis hiervon ist, daß in einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
eines optischen Verschiebungsmeßsystems 10 die beiden zweifach-gebeugten
Strahlen Lc1, Lc2 relativ zueinander nicht verschoben werden und sich gegenseitig
exakt überdecken. So wird, wenn das Beugungsgitter 11 in eine andere Richtung als die
Richtungen parallel zum Gittervektor verschoben wird, ein von der
Lichtempfangsvorrichtung 13 ermitteltes Interferenzsignal auch dann nicht
verschlechtert, wenn das Beugungsgitter 11 gekippt oder gewellt ist. Deshalb kann die
verschobene Position eines bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs genau mit einem
erhöhten Auflösungsgrad von dem optischen Verschiebungsmeßsystem 10 erfaßt
werden. Zusätzlich kann ein optisches Verschiebungsmeßsystem 10 gemäß dieser
Erfindung an einer großen Auswahl von verschiedenen Stellen an dem bewegbaren Teil
des Maschinenwerkzeugs befestigt werden, und die Position des bewegbaren Teils kann
zuverlässig bestimmt werden, wenn das bewegbare Teil in Schwingung versetzt oder
geschüttelt wird.
Des weiteren sind, da die beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 in dem
gleichen Punkt auf der Lichtempfangsebene 13 des erfindungsgemäßen optischen
Verschiebungsmeßsystems 10 fokussiert sind, die Strahlen frei von Vignetierung, und
die Position des beweglichen Teils kann zuverlässig und genau bestimmt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen optischen Verschiebungsmeßsystem 10 kann der Abstand
zwischen dem Beugungsgitter 11 und der optischen Bestrahleinrichtung 15 durch
Vergrößerung der Apertur der ersten Fokussiereinrichtung 21 oder der Apertur der
zweiten Fokussiereinrichtung 25 vergrößert werden. Zusätzlich kann eine kleine
Lichtempfangsvorrichtung 13 in einem erfindungsgemäßen optischen
Verschiebungsmeßsystem 10 verwendet werden, um einen höheren Grad an Freiheit bei
der Ausgestaltung der Systemkonfiguration zu erlauben. Des weiteren kann in einem
erfindungsgemäßen optischen Verschiebungsmeßsystem 10 sowohl die dritte
Fokussiereinrichtung 28 als auch die vierte Fokussiereinrichtung 29 mit einer größeren
Apertur ausgestattet sein, um den Abstand zwischen dem Beugungsgitter 11 und dem
optischen Reflexionssystem 16 zu erhöhen, und so einen noch weiter erhöhten Grad an
Freiheit bei der Gestaltung der Systemkonfiguration zu erlauben.
Zusätzlich können in einem erfindungsgemäßen optischen Verschiebungsmeßsystem 10
Meßfehler aufgrund von Verteilungsrauschen der Wellenlänge dadurch eliminiert
werden, daß die Länge des optischen Weges des kohärenten Strahls La1 (und des des
zweifach-gebeugten Strahls Lc1) gleich der Länge des optischen Weges des kohärenten
Strahls Lb2 (und der des zweifach-gebeugten Strahls Lc2) gemacht wird. Um diese
Längen der optischen Wege einzustellen, kann eine kohärente Lichtquelle 12, die einen
kohärenten Strahl emittiert, der eine Kohärenz mit der die Differenz der Länge des
optischen Weges zeigt, welche als eine Änderung in dem Modulationsfaktor der
Interferenzrückkopplung erfaßt werden kann, verwendet werden. Zum Beispiel kann die
Position des halbdurchlässigen Spiegels 22 durch Verwendung eines Multi-mode-
Halbleiterlasers mit einer Kohärenzlänge von einigen 100 µm so eingestellt werden, daß
der Modulationsfaktor der Interferenzrückkopplung maximiert wird. So kann die
Differenz zwischen den Längen der optischen Wege auf weniger als einige 10 µm
reduziert werden.
Es wird betont, daß in dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen optischen Verschiebungsmeßsystems 10 der kohärente Strahl La1
und der kohärente Strahl La2 dazu veranlaßt werden, im gleichen und identischen Punkt
auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 zu treffen. Zum Beispiel werden der
kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 dazu gebracht, das
Beugungsgitter 11 im Punkt P zu treffen. Dennoch können bei diesem ersten
Ausführungsbeispiel eines optischen Verschiebungsmeßsystems 10 der kohärente
Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 alternativ auch dazu gebracht werden, die
Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 nicht im selben, sondern in jeweiligen
voneinander verschiedenen Punkten zu treffen. Zum Beispiel können der kohärente
Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 dazu gebracht werden, die Gitterebene 11a
jeweils in den Punkten P' und P'', die mit einem vorgegebenen Abstand in Richtung
des Gittervektors voneinander getrennt liegen zu treffen.
Ein optisches Verschiebungsmeßsystem 10, das so angeordnet ist, daß der kohärente
Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 die Gitterebene 11a in verschiedenen Punkten
treffen, wird im wesentlich dasselbe wie das oben beschriebene Ausführungsbeispiel
leisten.
In diesem Fall werden andere Strahlen als die gebeugten Strahlen Lb, die dazu gebracht
werden, miteinander zu interferieren, wie die gebeugten oder reflektierten Strahlen des
Nullten Grades, weder in das optische Strahlungs-Empfangssystem 15 noch in das
optische Reflexionssystem 16 einstrahlen. Auf diese Weise kann dieses
Ausführungsbeispiel Rauschen vermindern, und die verschobene Position des
bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs kann zuverlässig mit einem erhöhten Grad
an Auflösung und Genauigkeit bestimmt werden. Dennoch können, wenn die Punkte, in
denen der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 auf die Gitterebene 11a
treffen, durch einen großen Abstand getrennt sind, die fokussierten Positionen auf der
Lichtempfangsebene 13a leicht verschoben werden, wenn die Gitterebene 11a in die
Richtungen X3 und X4 gekippt wird. Deshalb ist es wünschenswert, daß der Abstand,
der die Einfallspunkte trennt, klein ist.
Bei dem obigen Verschiebungsmeßsystem 10 können der kohärente Strahl La1 und der
kohärente Strahl La2 dazu gebracht werden, die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11
in jeweiligen Punkten, die in einer vorgegebenen Entfernung entweder wie oben
beschrieben in Richtungen des Gittervektors, oder wie in Fig. 13 abgebildet in
Richtungen des Gitters, voneinander getrennt liegen, zu treffen. In dem letzteren Fall
werden die fokussierten Punkte der beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf der
Lichtempfangsebene 13a der Lichtempfangvorrichtung 13 nicht verschoben, wenn das
Beugungsgitter 11 an einen der gegenüberliegenden Enden in eine der normalen
Vektorrichtungen, an einem Ende in die Normale Vektorrichtung (Richtung von X3 in
Fig. 13) und am anderen Ende in die andere Normale Vektorrichtung (Richtung X4 in
Fig. 13) bewegt wird, um die Gitterebene 11a zu kippen.
Nun wird im folgenden ein zweites Ausführungsbeispiel eines optischen
Verschiebungsmeßsystems gemäß dieser Erfindung beschrieben, das ein
Beugungsgitter 11 vom Reflexionstyp enthält. Es ist zu bemerken, daß die
Komponenten des zweiten Ausbildungsbeispieles des optischen
Verschiebungsmeßsystems, die gleich oder ähnlich dem Gegenstück des oben
beschriebenen ersten Ausführungsbeispieles sind, jeweils mit dem gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind, und nicht weiter beschrieben werden.
Fig. 14 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles
des optischen Verschiebungsmeßsystemes.
Bezugnehmend auf Fig. 14 zeigt diese eine imaginäre gerade Linie n, die sich parallel
zu den Richtungen des Gittervektors auf der Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11
erstreckt. Sie zeigt außerdem eine imaginäre Ebene, die die Linie n enthält und sich
parallel zu dem normalen Vektor erstreckt. Diese imaginäre Ebene ist die
Referenzebene m1. Außerdem wird eine weitere imaginäre Ebene gezeigt, die die
Linie n enthält, und gegen die Referenzebene m1 mit dem Inklinationswinkel γ gekippt
ist. Diese imaginäre Ebene wird als geneigte Ebene m2 bezeichnet. Außerdem wird
noch eine weitere imaginäre Ebene gezeigt, die die Linie n enthält und gegen die
Referenzebene m1 mit dem Inklinationswinkel δ gekippt ist. Diese imaginäre Ebene
wird als geneigte Ebene m3 bezeichnet. Es wird betont, daß sowohl die geneigte
Ebene m2 als auch die geneigte Ebene m3 relativ zur Gitterebene 11a des
Beugungsgitters 11 auf derselben Seite positioniert sind.
Fig. 15 ist eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispieles, welche in
Blickrichtung senkrecht zu der geneigten Ebene m2 die Komponenten, die auf der
geneigten Ebene m2 angeordnet sind, zeigt.
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung eines kohärenten Strahles, der das
Beugungsgitter 11 trifft, und eines gebeugten Strahls, der von dem Beugungsgitter 11
gebeugt ist, in Blickrichtung des Gittervektors.
Fig. 17 ist eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispieles, welche in
Blickrichtung senkrecht zu der geneigten Ebene m3 die Komponenten, die in der
geneigten Ebene m3 angeordnet sind, zeigt.
Dieses zweite Ausführungsbeispiel eines optischen Verschiebungsmeßsystems enthält
ein Beugungsgitter 11 vom Reflexionstyp und ist geeignet, die Position eines
bewegbaren Teils eines Maschinenwerkzeuges, an dem es befestigt ist, zu erfassen.
Wie in den Fig. 14 und 15 abgebildet, enthält das optische
Verschiebungsmeßsystem 40 eine kohärente Lichtquelle 12, um einen kohärenten
Lichtstrahl La zu emittieren, eine Lichtempfangsvorrichtung 13, um zwei zweifach
gebeugte Strahlen Lc1, Lc2, welche miteinander interferieren, zu empfangen, und zum
Erzeugen eines Interferenzsignales, sowie ein optisches Bestrahlungs-/Empfangs
system 41, das geeignet ist, den kohärenten Strahl La in zwei kohärente
Strahlen La1, La2 zu teilen, und diese dazu zu veranlassen, das Beugungsgitter 11 zu
treffen, und auch die beiden von dem Beugungsgitter 11 zweifach-gebeugten
Strahlen Lc1, Lc2 dazu zu veranlassen, sich miteinander zu überlagern, bevor sie die
Lichtempfangsvorrichtung 13 bestrahlen.
Das optische Bestrahlungs-/Empfangssystem 41 enthält eine erste
Fokussiereinrichtung 21, um den kohärenten Strahl La, der von der kohärenten
Lichtquelle 12 emittiert wird, auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 zu
fokussieren, einen polarisierenden Strahlenteiler 43, um den von der kohärenten
Lichtquelle 12 emittierten kohärenten Strahl La in zwei kohärente Strahlen La1, La2 zu
teilen, welche in jeweilige Richtungen polarisiert sind, die sich gegenseitig
rechtwinkelig kreuzen, und um auch die beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2,
die in jeweilige Richtungen polarisiert sind, die sich rechtwinkelig kreuzen, dazu zu
veranlassen, sich miteinander zu überlagern, einen Reflektor 23, um einen der
kohärenten Strahlen, hier den kohärenten Strahl La1, der von dem polarisierenden
Strahlenteiler 43 erzeugt wird, und auch den zweifach-gebeugten Strahl Lc1, der von
dem Beugungsgitter 11 kommt, zu reflektieren, einen weiteren Reflektor 24, um den
anderen kohärenten Strahl, hier den kohärenten Strahl La2, der von dem
polarisierenden Strahlenteiler 43 erzeugt wird, und auch den zweifach-gebeugten
Strahl Lc2, zu reflektieren, eine zweite Fokussiereinrichtung 25, um die beiden
zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die von dem polarisierenden Strahlenteiler 43 in
jeweilige Richtungen, die sich gegenseitig rechtwinkelig kreuzen, polarisiert sind, um
sich gegenseitig zu überlagern, auf die Lichtempfangsebene 13a der
Lichtempfangsvorrichtung 13 zu fokussieren, und ein Polarisierungsplättchen 46, um
die Komponenten der beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die von dem
polarisierenden Strahlenteiler 43 in jeweilige Richtungen, die sich rechtwinkelig
kreuzen, polarisiert sind, welche eine gleiche Polarisationsrichtung zeigen,
herausnehmen. Die Komponenten des optischen Bestrahlungs-/Empfangssystems 41
sind so angeordnet, daß die optischen Wege der kohärenten Strahlen La (La1, La2) und
die der zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die diese durchlaufen, auf der geneigten
Ebene m2 ausgebildet sind. Deshalb zeigen die kohärenten Strahlen La1, La2 und die
zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 einen Neigungswinkel γ wie in Richtung des
Gittervektors in Fig. 16 gezeigt.
Der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittierte kohärente Strahl La wird dazu
veranlaßt, mit einer um 45° relativ zu dem polarisierenden Strahlenteiler 43 des
optischen Bestrahlungs-/Empfangssystems 41 geneigten Polarisationsrichtung in den
polarisierenden Strahlenteiler 43 einzutreten.
Der polarisierte Strahlenteiler 43 teilt den einfallenden kohärenten Strahl La in zwei
kohärente Strahlen La1, La2, welche in jeweilige Richtungen, die sich gegenseitig
rechtwinkelig kreuzen, polarisiert sind. So wird der kohärente Strahl La1 durch den
polarisierenden Strahlenteiler 43 des optischen Bestrahlungs-/Empfangssystems 43
transmittiert, um zu einem P-polarisierten Strahl zu werden, wohingegen der kohärente
Strahl La2 von dem polarisierenden Strahlenteiler 43 reflektiert wird, um ein
S-polarisierter Strahl zu werden.
Der polarisierte Strahlenteiler 43 empfängt außerdem die beiden von dem
Beugungsgitter 11 gebeugten zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2. Während der
zweifach gebeugte Strahl Lc1 ursprünglich ein P-polarisierter Strahl ist, wird er zu
einem S-polarisierten Strahl, wenn seine Polarisationsrichtung von dem optischen
Reflexionssystem 42, wie im folgenden ausführlicher beschrieben, um 90° gedreht
wird. Auf ähnliche Weise wird, während der zweifach gebeugte Strahl Lc2 ursprünglich
ein S-polarisierter Strahl ist, dieser zu einem P-polarisierten Strahl, wenn seine
Polarisationsrichtung von dem optischen Reflexionssystem 42, wie im folgenden
ausführlicher beschrieben, um 90° gedreht wird. So reflektiert der polarisierte
Strahlenteiler 43 den zweifach-gebeugten Strahl Lc1, der ein S-polarisierter Strahl ist,
und transmittiert den zweifach-gebeugten Strahl Lc2, der ein P-polarisierter Strahl ist,
und veranlaßt die beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, sich miteinander zu
überlagern.
Der Reflektor 23 reflektiert den durch den polarisierenden Strahlenteiler 43
transmittierten kohärenten Strahl La1, und läßt ihn die Gitterebene 11a des
Beugungsgitters 11 in einem vorgegebenen Punkt treffen. Der Reflektor 23 reflektiert
außerdem den von dem Beugungsgitter 11 kommenden zweifach-gebeugten Strahl Lc1
und läßt ihn auf den polarisierenden Strahlenteiler 43 treffen.
Der Reflektor 24 reflektiert andererseits den von dem polarisierenden Strahlenteiler 43
reflektierten kohärenten Strahl La2, und läßt ihn die Gitterebene 11a des
Beugungsgitters 11 in dem vorgegebenen Punkt treffen. Der Reflektor 24 reflektiert
außerdem den von dem Beugungsgitter 11 kommenden zweifach-gebeugten Strahl Lc2,
und läßt diesen auf den polarisierenden Strahlenteiler 43 treffen.
Der Reflektor 23 und der Reflektor 24 lassen den jeweiligen kohärenten Strahl La1
und La2 auf solche Weise die vorgegebenen jeweiligen Punkte auf der Gitterebene 11a
treffen, daß sie auf der geneigten Ebene m2 einen Einfallswinkel von α zeigen. Es wird
betont, daß der Reflektor 23 und Reflektor 24 so angeordnet sind, daß deren
reflektierenden Flächen sich gegenüberliegen. Dadurch werden der kohärente
Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 in Bezug auf die Richtung des Gittervektors
entgegengesetzt geführt, wenn sie die Gitterebene 11a treffen. Des weiteren veranlassen
der Reflektor 23 und der Reflektor 24 den kohärenten Strahl La1 und den kohärenten
Strahl La2 dazu, die Gitterebene 11a in jeweiligen Punkten, welche voneinander durch
eine vorgegebene Entfernung in Richtung des Gittervektors getrennt liegen, zu treffen.
Der Abstand zwischen dem Punkt, in dem der kohärente Strahl La1 in die
Gitterebene 11a eintritt, und der Punkt, in dem der kohärente Strahl La2 in die
Gitterebene 11a eintritt, beträgt, wie in Fig. 15 abgebildet, 1.
Das Polarisierungsblättchen 46 transmittiert den zweifach-gebeugten Strahl Lc1, der ein
S-polarisierter Strahl ist, und auch den zweifach-gebeugten Strahl Lb2, der ein
P-polarisierter Strahl ist, da diese von dem polarisierenden Strahlenteiler 43 dazu
veranlaßt werden, sich miteinander zu überlagern. Das Polarisierungsblättchen 46
transmittiert die Komponenten der zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, welche eine
jeweilige Polarisationsrichtung von 45° zeigen, um sie dazu zu veranlassen, eine
gleiche Polarisationsrichtung zu zeigen.
Die Lichtempfangsvorrichtung 13 empfängt die beiden durch das
Polarisierungsplättchen 46 transmittierten zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2.
Bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 40 wird der kohärente Strahl La1, wenn er
in das Beugungsgitter 11 eintritt, gebeugt, und ein einfach-gebeugter Strahl Lb1 wird
erzeugt, wenn der kohärente Strahl La1 gebeugt wird. Auf ähnliche Weise wird der
kohärente Strahl La2 gebeugt, wann er in das Beugungsgitter 11 eintritt, und ein
einfach-gebeugter Strahl Lb2 wird erzeugt, wenn der kohärente Strahl La2 gebeugt
wird. Sowohl der einfach-gebeugte Strahl Lb1 als auch der einfach-gebeugte Strahl Lb2
zeigen, wie in Fig. 16 abgebildet, in Blickrichtung des Gittervektors einen
Beugungswinkel 5. Mit anderen Worten werden sowohl der einfach-gebeugte
Strahl Lb1 als auch der einfach-gebeugte Strahl Lb2 entlang der geneigten Ebene m3
erzeugt. Sowohl der einfach-gebeugte Strahl Lb1 als auch der einfach-gebeugte
Strahl Lb2 zeigen auf der geneigten Ebene m3 einen Beugungswinkel von β. Es wird
betont, daß der einfach-gebeugte Strahl Lb1 und der einfach-gebeugte Strahl Lb2 das
Beugungsgitter 11 bei Betrachtung in Richtung des Gittervektors in entgegengesetzten
Richtungen verlassen.
Wie in den Fig. 14 und 17 abgebildet, weist das optische
Verschiebungsmeßsystem 40 ein optisches Reflexionssystem 42 auf.
Das optische Reflexionssystem 42 enthält einen Reflektor 26, um den einfach-gebeugten
Strahl Lb1, der aus dem kohärenten Strahl La1 erzeugt wird, dazu zu veranlassen, das
Beugungsgitter 11 noch einmal zu treffen, einen weiteren Reflektor 27, um den einfach
gebeugten Strahl Lb2, der aus dem kohärenten Strahl La2 erzeugt wird, zu reflektieren,
um ihn dazu zu veranlassen, das Beugungsgitter 11 noch einmal zu treffen, eine dritte
Fokussiereinrichtung 28, um den einfach-gebeugten Strahl Lb1, der aus dem kohärenten
Strahl La1 erzeugt wird, parallel auszurichten, um ihn auf den Reflektor 26 treffen zu
lassen, eine vierte Fokussiereinrichtung 29, um den einfach-gebeugten Strahl Lb2, der
aus dem kohärenten Strahl La2 erzeugt wird, parallel auszurichten, um ihn auf den
Reflektor 27 treffen zu lassen, ein in dem optischen Weg des einfach-gebeugten
Strahles Lb1 angeordneten λ/4 Wellenplättchen 44, und ein weiteres in dem optischen
Weg des einfach-gebeugten Strahles Lb2 angeordnetes λ/4 Wellenplättchen 45.
Da die beiden einfach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, in dem oben beschriebenen
optischen Reflexionssystem 42 in Blickrichtungen entlang des Gittervektors einen
Beugungswinkel von δ zeigen, sind die Komponenten des optischen
Reflexionssystems 42 so angeordnet, daß die optischen Wege der einfach-gebeugten
Strahlen Lb1, Lb2, die diese durchlaufen, auf der geneigten Ebene m3 ausgebildet sind.
Zusätzlich sind der Reflektor 26 und der Reflektor 27 des optischen
Reflexionssystems 42 in jeweiligen Positionen angeordnet, in denen sie senkrecht die
jeweiligen einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die mit einem Beugungswinkel von β
gegen die geneigte Ebene m3 gebeugt werden, reflektieren können.
Das λ/4 Wellenplättchen 44 ist mit seiner optischen Achse um 45° relativ zu der
Polarisationsrichtung des von dem Beugungsgitter 11 kommenden einfach-gebeugten
Strahles Lb1, der ein P-polarisierter Strahl ist, gedreht angeordnet. Der einfach
gebeugte Strahl Lb1 wird zweimal durch das λ/4 Wellenplättchen 44 transmittiert,
bevor er auf das Beugungsgitter 11 fokussiert wird. Dadurch wird der einfach-gebeugte
Strahl Lb1, der ursprünglich P-polarisiert ist, in einen S-polarisierten Strahl gedreht,
bevor er dazu veranlaßt wird, auf das Beugungsgitter 11 zu treffen.
Das λ/4 Wellenplättchen 45 ist mit seiner optischen Achse um 45° relativ zu der
Polarisationsrichtung des einfach-gebeugten Strahles Lb2, der ein von dem
Beugungsgitter 11 kommender S-polarisierter Strahl ist, gedreht angeordnet. Der
einfach-gebeugte Strahl Lb2 wird zweimal durch das λ/4 Wellenplättchen 45
transmittiert, bevor er auf das Beugungsgitter 11 fokussiert wird. Dadurch wird der
einfach-gebeugte Strahl Lb2, der ursprünglich ein S-polarisierter Strahl ist, in einen
P-polarisierten Strahl gedreht, bevor er dazu veranlaßt wird, auf das Beugungsgitter 11
zu treffen.
Die beiden einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 werden von dem optischen
Reflexionssystem 42, das eine wie oben beschriebene Konfiguration aufweist, dazu
veranlaßt, auf das Beugungsgitter 11 zu treffen. Der Einfallswinkel der einfach
gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 ist in Blickrichtung entlang dem Gittervektor gleich dem
Beugungswinkel δ der einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2. Zusätzlich ist der
Einfallswinkel der einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf der geneigten Ebene m3
gleich ihrem Beugungswinkel β.
Die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 werden durch Beugung der einfach
gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 erzeugt. Der Beugungswinkel der zweifach-gebeugten
Strahlen Lc1, Lc2 in Blickrichtungen der Gittervektoren ist gleich dem Einfallswinkel γ
der kohärenten Strahlen La1, La2. Zusätzlich ist der Einfallswinkel der einfach
gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf der geneigten Ebene m2 gleich dem Einfallswinkel α
der kohärenten Strahlen La1, La2.
So folgen die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 jeweils in umgekehrter Richtung
den optischen Wegen der kohärenten Strahlen La1, La2 und treffen den polarisierenden
Strahlenteiler 43.
Das optische Verschiebungsmeßsystem 40 enthält zusätzlich eine (nicht abgebildete)
Positionserfassungsvorrichtung, die geeignet ist, die verschobene Position des
Beugungsgitters 11 basierend auf dem Interferenzsignal der
Lichtempfangsvorrichtung 13 zu bestimmen.
Bei einem optischen Verschiebungsmeßsystem 40, das eine wie oben beschriebene
Konfiguration aufweist, wird zwischen den beiden zweifach-gebeugten
Strahlen Lc1, Lc2 eine Phasendifferenz erzeugt, wenn das Beugungsgitter 11 als
Reaktion auf eine Bewegung des bewegbaren Teiles des Maschinenwerkzeugs in
Richtungen des Gittervektors bewegt wird. Dann veranlaßt das optische
Verschiebungsmeßsystem 40 die beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 dazu,
miteinander zu interferieren, um ein Interferenzsignal zu ermitteln, und aus dem
Interferenzsignal die Phasendifferenz der beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2
zu bestimmen, um schließlich die verschobene Position des Beugungsgitters 11 zu
bestimmen.
Bei dem oben beschriebenen optischen Verschiebungsmeßsystem 40 können die
optischen Wege der kohärenten Strahlen und die der gebeugten Strahlen voneinander
getrennt werden, in dem man ein optisches Bestrahlungs-/Empfangssystem 41 auf der
geneigten Ebene m2, welche einen vorgegebenen Neigungswinkel relativ zur
Referenzebene m1 zeigt, anordnet und ein optisches Reflexionssystem 42 auf der
geneigten Ebene m3 anordnet, um einen erhöhten Freiheitsgrad bei dem Entwurf der
Systemkonfigurationen zu erlauben. Zusätzlich können die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2
dazu veranlaßt werden, miteinander zu interferieren, ohne es einem gebeugten Strahl
des Nullten Grades, oder reflektierten Strahlen zu erlauben, in das optische
Bestrahlungs-/Empfangssystem 41 oder das optische Lichtempfangssystem 42
einzustreuen. Deshalb kann die verschobene Position eines bewegbaren Teiles des
Maschinenwerkzeuges zuverlässig mit einem erhöhten Auflösungsgrad bestimmt
werden.
Die zu treffenden Voraussetzungen für die Eliminierung von gebeugten Strahlen des
Nullten Grades oder reflektierten Strahlen, die versuchen, in das optische Bestrah
lungs-/Empfangssystem 41 oder das optische Reflexionssystem 42 des optischen
Verschiebungsmeßsystemes 40 einzustreuen, sind wie folgt:
Wenn die Winkel γ und δ nicht gleich Null sind und die Winkel α und β gleich groß
sind, werden der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 dazu veranläßt, das
Beugungsgitter 11 in jeweiligen durch den Abstand l getrennten Punkte zu treffen, was
es gebeugten Strahlen des Nullten Grades nicht erlauben würde, die
Lichtempfangsvorrichtung 13 zu bestrahlen. Während der kohärente Strahl La1 und der
kohärente Strahl La2 dazu veranlaßt werden, das Beugungsgitter 11 in jeweiligen
entlang der Richtung des Gittervektors getrennten Punkten zu treffen, können sie
alternativ dazu auch dazu veranlaßt werden, das Beugungsgitter 11 in jeweiligen
Punkten zu treffen, die, wie in Fig. 13 abgebildet, durch einen vorgegebenen Abstand
in Richtung des Gitters getrennt sind.
Sind die beiden Winkel γ und δ gleich Null, sollten die Winkel α und β sich
voneinander unterscheidend eingestellt werden, da die optischen Wege aufeinander
liegen, wenn die Winkel α und β gleich groß sind. In diesem Falle werden der
kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 dazu veranläßt, das
Beugungsgitter 11 in jeweiligen Punkten zu treffen, die durch eine Entfernung 1
getrennt sind, welche gewährleisten kann, daß keine gebeugten Strahlen des Nullten
Grades in die Lichtempfangsvorrichtung 13 eintreten. Der kohärente Strahl La1 und der
kohärente Strahl La2 können entlang den Richtungen des Gittervektors oder wie in
Fig. 13 gezeigt entlang der Gitterrichtungen getrennt sein.
Wenn die Winkel γ und δ nicht gleich Null sind, und die Winkel α und β sich
voneinander in einem Maße unterscheiden, das gewährleistet, daß kein Beugungsstrahl
der Nullten Ordnung in die Lichtempfangsvorrichtung 13 eintritt, kann der Punkt, in
dem der kohärente Strahl La1 das Beugungsgitter 11 trifft, gleich dem Punkt, in dem
der kohärente Strahl La2 das Beugungsgitter 11, wie in den Fig. 18, 19 und 20
abgebildet trifft, gemacht werden. In diesem Fall kann der Einfluß von sowohl einer
variierenden Dicke als auch eines variierenden Brechungsindex, falls vorhanden, im
Vergleich mit dem Fall in dem der Punkt in dem der kohärente Strahl La1 das
Beugungsgitter 11 trifft, und der Punkt, in dem der kohärente Strahl La2 das
Beugungsgitter 11 trifft, durch einen vorgegebenen Abstand getrennt sind, reduziert
werden. So zeigen die Längen der optischen Wege des einfach-gebeugten Strahles Lb1
und des einfach-gebeugten Strahles Lb2 (oder des zweifach-gebeugten Strahles Lc1 und
des zweifach-gebeugten Strahles Lc2) keine Differenz, so daß die verschobene Position
des bewegbaren Teiles mit einer hohen Zuverlässigkeit bestimmt werden kann.
Nun wird im Folgenden der Einfluß einer möglicherweise variierenden Dicke des
Beugungsgitters 11 diskutiert.
Unter der Annahme, daß die beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die
miteinander überlappt werden sollen, eine jeweilige Intensität von A1, A2 haben, und
die Verschiebung des Beugungsgitters 11 in Richtung des Gittervektors x beträgt,
während die Anfangsphase δ ist, wird die Intensität I des von der
Lichtempfangsvorrichtung 13 erfaßten Interferenzsignals durch folgende Formel (1)
ausgedrückt.
I = A1 2 + A2 2 + 2A1A2cos(4 Kx + δ) (1)
mit K = 2π/Λ (Λ ist der Gitterabstand).
Die Intensität I wird für jede Umlaufperiode transformiert, wenn das Beugungsgitter 11
um Λ/4 bewegt wird. δ repräsentiert die Menge, die sich in Abhängigkeit von der
Längendifferenz der optischen Pfade der zweifach-gebeugten Strahle Lc1, Lc2, welche
dazu veranlaßt werden, sich miteinander zu überlagern, ändert. Dadurch ändert sich,
wenn sich δ ändert, die Intensität I des Interferenzsignals, wodurch ein Fehler
verursacht wird, wenn das Beugungsgitter 11 nicht verschoben wird.
Es wird zum Beispiel angenommen, daß das Beugungsgitter vom Transmissionstyp,
welches ein Gitterwerk enthält, innerhalb eines wie in Fig. 21 abgebildeten Glasstuckes,
welches eine schwankende Dicke aufweist, ausgebildet ist. Wenn der Brechungsindex
des Glases n ist, und die Strecke, auf der sich der Laserstrahl Lx von einer Oberfläche
zu der gegenüberliegenden Oberfläche des Glasstückes bewegt L ist, dann wird die
Länge des optischen Weges auf dem sich der Laserstrahl Lx bewegt, wenn er durch das
Beugungsgitter tritt, gleich nL sein. Da der Brechungsindex von Luft im wesentlichen
gleich 1 ist, wird die Länge des Lichtweges eines Laserstrahls Lx, wenn er durch das
Beugungsgitter tritt, um (n-1)ΔL länger sein als der eines Laserstrahls Lx, der sich
durch Luft bewegt. Deshalb ändert sich, wenn die Dicke des Glasstuckes des
Beugungsgitters schwankt, und sich die Strecke, auf welcher sich der Laserstrahl Lx
bewegt, um das Glasstuck von einer Oberfläche zu der gegenüberliegenden Oberfläche
zu durchqueren, auf L + ΔL ändert, die Länge des Lichtweges des Laserstrahls um
2(n-1)ΔL.
Dieses berücksichtigend und unter Bezugnahme auf Fig. 22 wird ein Paar von
Laserstrahlen Lx1 und Lx2 angenommen, von denen der Laserstrahl Lx1 an einer
Stelle, die frei von Schwankungen der Dicke ist, durch ein Beugungsgitter tritt,
wohingegen der Laserstrahl Lx2 an einer Stelle durch das Beugungsgitter tritt, an der
die Dicke schwankt. Wenn sich der Laserstrahl Lx2 auf einer um +ΔL längeren
Strecke als der Laserstrahl Lx1 durch das Beugungsgitter bewegt, dann beträgt die
Differenz zwischen der Länge der optischen Pfade der beiden Laserstrahlen Lx1, Lx2
gleich (n-1)ΔL. Dadurch wird der Wert für δ in obiger Formel (1) mit {(n-1)ΔL}2π/λ
(wobei λ die Wellenlänge der Strahlen A und B repräsentiert) variiert, was einen Fehler
in dem Interferenzsignal bewirkt. Im Falle von zweifach-gebeugten Strahlen wird δ
gleich (Λ/2λ)(n-1)ΔL. Wenn Λ = 0,55 µm und λ = 0,78 µm ist, während n = 1,5
und ΔL = 1 µm betragen, dann wird die Schwankung des Wertes von δ ungefähr
0,18 µm betragen, was verhältnismäßig groß ist, wenn die Position des bewegbaren
Teils mit einer Genauigkeit von Nanometern bestimmt werden muß.
Während oben der Einfluß von möglichen Schwankungen der Dicke von
Beugungsgittern 11 des Transmissionstypes diskutiert werden, treten ähnliche Fehler in
dem Fall eines Beugungsgitters vom Reflexionstyp auf, wenn das Beugungsgitter mit
Glas bedeckt ist. Wenn das Beugungsgitter nicht mit Glas bedeckt ist, wird die
Differenz in den zurückgelegten Entfernungen eines Laserstrahls aufgrund von
Welligkeit direkt in der Differenz der Entfernungen der optischen Wege
widergespiegelt.
Deshalb können Fehler auftreten, wenn das Beugungsgitter 11 Schwankungen in der
Dicke aufweist, wenn die Punkte, in denen der kohärente Strahl La1 bzw. der
kohärente Strahl La2 in das Beugungsgitter eintreten, voneinander durch einen
vorgegebenen Abstand getrennt sind.
Fehler aufgrund von Schwankungen der Dicke und des Brechungsindexes des
Beugungsgitters 11 können minimiert werden, um das optische
Verschiebungsmeßsystem in die Lage zu versetzen, die Position des bewegbaren Teils
mit hoher Genauigkeit zu erfassen, indem das optische Bestrahlungssystem 41 auf einer
um einen vorgegebenen Neigungswinkel relativ zur Referenzebene m1 gekippten
geneigten Ebene m2 angeordnet wird und das optische Lichtempfangssystem 42 auf
einer geneigten Ebene m3 angeordnet wird, und sowohl der kohärente Strahl La1 als
auch der kohärente Strahl La2 dazu veranlaßt werden, in dem gleichen und identischen
Punkt in das Beugungsgitter 11 einzutreten. Mit anderen Worten können Fehler
aufgrund von Schwankungen in der Dicke und/oder des Brechungsindexes des
Beugungsgitters 11 auftreten, wenn der kohärente Strahl La1 und der kohärente
Strahl La2 an jeweiligen voneinander verschiedenen Punkten in das Beugungsgitter 11
eintreten, und deshalb kann die Position des bewegbaren Teiles mit einer hohen
Genauigkeit bestimmt werden, wenn dafür gesorgt wird, daß sowohl der kohärente
Strahl La1 als auch der kohärente Strahl La2 in einem gleichen und identischen Punkt in
das Beugungsgitter 11 eintreten. Während es schwierig sein kann dafür zu sorgen, daß
die beiden gebeugten Strahlen La1, La2 genau einem gleichen und identischen Lichtweg
folgen, wenn das Beugungsgitter 11 mit Glas bedeckt ist, kann der Abstand zwischen
den Längen der beiden Lichtwege dadurch minimiert werden, daß erreicht wird, daß sie
in dem gleichen und identischen Punkt in das Beugungsgitter 11 eintreten.
Der Zusammenhang zwischen den Einfallswinkeln α, γ der kohärenten Strahlen, und
dem Beugungswinkel β, δ der einfach-gebeugten Strahlen, wird durch die unten
stehenden Formeln (2) und (3) ausgedrückt.
Sinα + Sinβ = mλ/d (2)
wobei
d: Gitterkonstante des Beugungsgitters,
γ: Wellenlänge des Lichtes,
m: Grad der Beugung,
Sinγ/Sinδ = Cosβ/Cosα (3)
folglich sind, wenn α = β, γ = δ, während wenn α ≠ β, γ ≠ δ gilt.
Während in dem obenbeschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel des optischen
Verschiebungsmeßsystems 40 die Reflektoren 23, 24 dazu verwendet werden, jeweils
die kohärenten Strahlen La1, La2 und die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 zu
reflektieren, kann, wie in Fig. 23 gezeigt, auf die Reflektoren 23, 24 verzichtet
werden, wenn die kohärenten Strahlen La1, La2 nicht dazu veranlaßt werden, das
Beugungsgitter in einem gleichen und identischen Punkt zu treffen.
Nun wird im Folgenden ein drittes Ausführungsbeispiels eines optischen
Verschiebungsmeßsystems gemäß dieser Erfindung beschrieben.
Fig. 24 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung des dritten Ausführungsbeispiels
des optischen Verschiebungsmeßsystems gemäß der Erfindung.
Es wird betont, daß der Zusammenhang zwischen der Geraden n, der
Referenzebene m1 und der geneigten Ebene m2 der gleiche wie in dem Gegenstück des
obenbeschriebenen zweiten Ausführungsbeispieles ist. Es wird eine imaginäre Ebene
gezeigt, die die Linie n enthält, und gegen die Referenzebene m1 mit dem
Neigungswinkel δ gekippt ist. Diese imaginäre Ebene wird als geneigte Ebene m3'
bezeichnet. Es wird betont, daß sich sowohl die geneigte Ebene m2 als auch die
geneigte Ebene m3 relativ zu der Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 an
gegenüberliegenden Seiten befinden.
Fig. 25 ist eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels, das die auf der
geneigten Ebene m2 angeordneten Komponenten zeigt, wie sie in Richtung senkrecht
auf die geneigte Ebene m3 gesehen werden.
Fig. 26 ist eine schematische Darstellung eines kohärenten Strahls, der das
Beugungsgitter 11 trifft, und eines von dem Beugungsgitter 11 gebeugten Strahls, mit
Blickrichtung entlang des Gittervektors.
Dieses dritte Ausführungsbeispiel des optischen Verschiebungsmeßsystems enthält e 29057 00070 552 001000280000000200012000285912894600040 0002019938869 00004 28938in
Beugungsgitter 11 vom Transmissionstyp und ist geeignet, die Position eines
bewegbaren Teils eines Maschinenwerkzeuges, an das es befestigt ist, zu erfassen.
Wie in den Fig. 24 und 25 gezeigt, enthält das optische Verschiebungsmeßsystem 50
eine kohärente Lichtquelle 12, um einen kohärenten Lichtstrahl La zu erzeugen, eine
Lichtempfangsvorrichtung 13, um zwei zweifach gebeugte Strahlen Lc1, Lc2, die
miteinander interferieren, zu empfangen, und um ein Differenzsignal zu erzeugen,
sowie ein optisches Bestrahlungs-/Empfangssystem 41, das geeignet ist, den kohärenten
Strahl La in zwei kohärente Strahlen La1, La2 zu teilen und diese dazu zu veranlassen,
daß sie das Beugungsgitter 11 treffen, und auch daß die beiden vom Beugungsgitter 11
zweifach gebeugte Strahlen Lc1, Lc2 sich miteinander überlagern, bevor sie die
Lichtempfangsvorrichtung 13 bestrahlen.
Die Komponenten des optischen Bestrahlungs-/Empfangssystems 41 sind so angeordnet,
daß die optischen Wege der kohärenten Strahlen La (La1, La2) und die der zweifach
gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die diese durchlaufen, auf der geneigten Ebene m2
ausgebildet sind. Deshalb zeigen die kohärenten Strahlen La1, La2 und die zweifach
gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 in Fig. 26 in Blickrichtung entlang des Gittervektors einen
Einfallswinkel von γ.
Der Reflektor 23 und der Reflektor 24 veranlassen die jeweiligen kohärenten
Strahlen La1 und La2 dazu, in jeweiligen vorgegebenen Punkten auf solche Weise auf
die Gitterebene 11a zu treffen, daß sie auf der geneigten Ebene m2 einen Einfallswinkel
von α zeigen. Es wird betont, daß der Reflektor 23 und der Reflektor 24 so angeordnet
sind, daß sich ihre reflektierenden Flächen gegenüberliegen. Dadurch werden der
kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 in Bezug auf die Richtung des
Gittervektors entgegengesetzt geführt, wenn sie die Gitterebene 11a treffen. Zusätzlich
veranlassen der Reflektor. 23 und der Reflektor 24 den kohärenten Strahl La1 und den
kohärenten Strahl La2 dazu, die Gitterebene 11a in jeweiligen, voneinander in Richtung
des Gittervektors durch einen vorgegebenen Abstand getrennten Punkten zu treffen. Der
Abstand zwischen dem Punkt, in dem der kohärente Strahl La1 in die Gitterebene 11a
eintritt, und dem Punkt, in dem der kohärente Strahl La2 in die Gitterebene 11a eintritt,
ist wie in Fig. 25 abgebildet gleich 1.
Bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 50 wird der kohärente Strahl La1 gebeugt,
wenn er in das Beugungsgitter 11 eintritt, und ein einfach-gebeugter Strahl Lb1 wird
erzeugt, wenn der kohärente Strahl La1 gebeugt wird. Auf ähnliche Weise wird der
kohärente Strahl La2 gebeugt, wenn er in das Beugungsgitter 11 eintritt, und ein
einfach-gebeugter Strahl Lb2 wird erzeugt, wenn der kohärente Strahl La2 gebeugt
wird. Sowohl der einfach-gebeugte Strahl Lb1 als auch der einfach-gebeugte Strahl Lb2
zeigen in Blickrichtung entlang des Gittervektors, wie in Fig. 26 abgebildet, einen
Beugungswinkel von 5. Mit anderen Worten werden sowohl der einfach-gebeugte
Strahl Lb1 als auch der einfach-gebeugte Strahl Lb2 entlang der geneigten Ebene m3
erzeugt. Sowohl der einfach-gebeugte Strahl Lb1 als auch der einfach-gebeugte
Strahl Lb2 zeigen auf der geneigten Ebene m3' einen Beugungswinkel von β. Es wird
betont, daß der einfach-gebeugte Strahl Lb1 und der einfach-gebeugte Strahl Lb2 das
Beugungsgitter 11 bei Betrachtung entlang der Richtungen des Gittervektors in
verschiedenen Richtungen verlassen.
Wie in den Fig. 24 und 25 gezeigt, enthält das optische Verschiebungsmeßsystem 50
ein optisches Reflexionssystem 42.
Da die beiden einfach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 bei Betrachtung entlang den
Richtungen des Gittervektors des oben beschriebenen optischen Reflexionssystems 42
einen Beugungswinkel von δ zeigen, sind die Komponenten des optischen
Reflexionssystems 42 so angeordnet, daß die optischen Wege der einfach-gebeugten
Strahlen Lb1, Lb2, welche diese durchlaufen, auf der geneigten Ebene m3 ausgebildet
sind. Zusätzlich sind der Reflektor 26 und der Reflektor 27 des optischen
Reflexionssystems 42 in jeweiligen Positionen angeordnet, in denen sie senkrecht die
jeweiligen mit einem Beugungswinkel von β auf der geneigten Ebene m3' gebeugten
einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 reflektieren.
Die beiden einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 werden von dem optischen
Reflexionssystem 42, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, dazu veranlaßt, auf das
Beugungsgitter 11 zu treffen. In Blickrichtung entlang dem Gittervektor sind die
Einfallswinkel der einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 gleich dem Beugungswinkel δ
der einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2. Zusätzlich sind die Einfallswinkel der
einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf der geneigten Ebene m3' gleich ihrem
Beugungswinkel β.
Die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 werden durch Beugung der einfach
gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 erzeugt. Der Beugungswinkel der zweifach-gebeugten
Strahlen Lc1, Lc2 bei Betrachtung entlang der Richtungen des Gittervektors ist gleich
dem Einfallswinkel γ der kohärenten Strahlen La1, La2. Zusätzlich ist der
Einfallswinkel der einfach-gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf der geneigten Ebene m2
gleich dem Einfallswinkel α der kohärenten Strahlen La1, La2.
So folgen die zweifach-gebeugten Strahlen, Lc1, Lc2 jeweils in umgekehrter Richtung
den optischen Wegen der kohärenten Strahlen La1, La2 und treffen auf den
polarisierenden Strahlenteiler 43.
Das optische Verschiebungsmeßsystem 50 umfaßt zusätzlich eine (nicht gezeigte)
Positionsbestimmungsvorrichtung, die geeignet ist, die verschobene Position des
Beugungsgitters 11 basierend auf dem Interferenzsignal der
Lichtempfangseinrichtung 13 zu bestimmen.
Bei einem optischen Verschiebungsmeßsystem 50, das einen wie oben beschriebenen
Aufbau aufweist, wird zwischen den beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 eine
Phasendifferenz erzeugt, wenn das Beugungsgitter 11 als Reaktion auf eine Bewegung
des bewegbaren Teiles des Maschinenwerkzeuges in die Richtungen des Gittervektors
bewegt wird. Dann veranlaßt das optische Verschiebungsmeßsystem 50 die beiden
zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 dazu, miteinander zu interferieren, um ein
Interferenzsignal zu ermitteln, und aus dem Interferenzsignal eine Phasendifferenz der
beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 zu bestimmen, und schließlich die
verschobene Position des Beugungsgitters 11 zu ermitteln.
Um einen erhöhten Freiheitsgrad bei der Gestaltung der Systemkonfiguration zu
erlauben, können bei dem oben beschriebenen optischen Verschiebungsmeßsystem 50
die optischen Wege der kohärenten Strahlen, die der einfach-gebeugten Strahlen und die
der zweifach-gebeugten Strahlen voneinander getrennt werden, indem man ein optisches
Bestrahlungs-/Empfangssystem 41 auf der geneigten Ebene m2, die einen vorgegebenen
Neigungswinkel relativ zur Referenzebene m1 aufweist, und ein optisches
Reflexionssystem 42 auf der geneigten Ebene m3' anordnet. Zusätzlich können die
gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 dazu gebracht werden, miteinander zu interferieren, ohne
es irgendwelchen gebeugten Strahlen der Nullten Ordnung oder reflektierten Strahlen zu
erlauben, in das optische Bestrahlungs-/Empfangssystem 41 oder das optische
Lichtempfangssystem 42. einzustrahlen. So kann die verschobene Position des
bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs zuverlässig mit einem erhöhten
Auflösungsgrad ermittelt werden.
Die Voraussetzungen, die getroffen werden müssen, um irgendwelche gebeugten
Strahlen des Nullten Grades oder reflektierte Strahlen, die versuchen, in das optische
Bestrahlungs-/Empfangssystem 41 oder das optische Reflexionssystem 42 das optische
Verschiebungsmeßsystem 50 einzustreuen, zu eliminieren, sind wie folgt.
Sind die Winkel γ und δ nicht gleich 0, und die Winkel α und β jeweils gleich groß,
dann werden der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 dazu veranlaßt, das
Beugungsgitter 11 in jeweiligen voneinander durch den Abstand l getrennten Punkten zu
treffen, was es irgendwelchen gebeugten Strahlen des Nullten Grades nicht erlauben
würde, die Lichtempfangsvorrichtung 13 zu bestrahlen. Während der kohärente
Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 dazu gebracht werden können, das
Beugungsgitter 11 in jeweiligen Punkten, die entlang der Richtung des Gittervektors
getrennt sind, zu treffen, können sie alternativ auch dazu gebracht werden, das
Beugungsgitter 11 in jeweiligen Punkten zu treffen, die, wie in Fig. 13 gezeigt, durch
einen vorgegebenen Abstand entlang der Gitterrichtung getrennt sind.
Wenn sowohl der Winkel γ als auch δ gleich 0 sind, können, müssen aber nicht die
Winkel α und β gleich groß gemacht werden. Der kohärente Strahl La1 und der
kohärente Strahl La2 werden dazu gebracht, das Beugungsgitter 11 in jeweiligen
Punkten zu treffen, die durch einen Abstand l getrennt sind, der dafür Sorge tragen
kann, daß unabhängig davon, ob α = β oder α ≠ β ist, kein gebeugter Strahl des Nullten
Grades in die Lichtempfangsvorrichtung 13 eintritt. Der kohärente Strahl La1 und der
kohärente Stahl La2 können wie in Fig. 13, dargestellt entlang der
Gittervektorrichtungen oder entlang der Richtungen des Gitters getrennt sein.
Wenn die Winkel γ und δ nicht gleich 0 sind, und die Winkel α und β voneinander in
einem Maße verschieden sind, das garantiert, daß kein gebeugter Strahl der Nullten
Ordnung in die Lichtempfangsvorrichtung 13 eintritt, kann der Punkt, in dem der
kohärente Strahl La1 das Beugungsgitter 11 trifft gleich dem Punkt, in dem der
kohärente Strahl La2 des Beugungsgitter 11 trifft, gemacht werden.
Wenn die Winkel γ und δ nicht gleich 0 sind, und die Winkel α und β voneinander in
einem Maße verschieden sind, das garantiert, daß kein gebeugter Strahl der Nullten
Ordnung in die Lichtempfangsvorrichtung 13 eintritt, kann, wie in den Fig. 27
und 28 dargestellt ist, der Punkt, in dem der kohärente Strahl La1 das
Beugungsgitter 11 trifft, gleich dem Punkt, in dem der kohärente Strahl La2 des
Beugungsgitter 11 trifft, gemacht werden. In diesem Fall kann der Einfluß von sowohl
einer variierenden Dicke als auch eines variierenden Brechungsindex, so vorhanden,
reduziert werden, im Vergleich zu dem Fall, in dem der Punkt, in dem der kohärente
Strahl La1 das Beugungsgitter 11 trifft, und der Punkt, in dem der kohärente Strahl La2
das Beugungsgitter 11 trifft, durch einen vorgegebenen Abstand getrennt sind. Somit
zeigen die Längen der optischen Wege des einfach-gebeugten Strahles Lb1 und des
einfach-gebeugten Strahles Lb2 (oder des zweifach-gebeugten Strahles Lc1 und des
zweifach-gebeugten Strahles Lc2) keinerlei Unterschied, so daß die verschobene
Position des bewegbaren Teils mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann.
Während in dem oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel des optischen
Verschiebungsmeßsystems 50 die Reflektoren 23, 24 dazu verwendet werden, jeweils
die kohärenten Strahlen La1, La2 und die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, zu
reflektieren, kann, wie in Fig. 29 gezeigt, auf die Reflektoren 23, 24 verzichtet
werden, wenn die kohärenten Strahlen La1, La2 nicht dazu gebracht werden, das
Beugungsgitter in dem gleichen und identischen Punkt zu treffen.
Nun wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 30 ein viertes Ausführungsbeispiel
eines optischen Verschiebungsmeßsystems gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben werden. Es wird betont, daß das vierte Ausführungsbeispiel dadurch
realisiert wird, daß Komponenten der oben beschriebenen zweiten und dritten
Ausführungsbeispiele teilweise modifiziert werden. Deshalb sind Komponenten, welche
gleich oder ähnlich den Gegenstücken der oben beschriebenen zweiten und dritten
Ausführungsbeispiele sind, jeweils mit dem, gleichen Bezugszeichen bezeichnet und
nicht weiter beschrieben.
Ein viertes Ausführungsbeispiel eines optischen Verschiebungsmeßsystems 60
verwendet anstelle der zweiten Fokussiereinrichtung 25 und des polarisierenden
Plättchens 46 des optischen Bestrahlungs-/Empfangssystems 41 ein λ/4
Wellenplättchen 62, eine fünfte Fokussiereinrichtung 63, einen nicht polarisierenden
Strahlenteiler 64, einen zweiten polarisierenden Strahlenteiler 65 und einen dritten
polarisierenden Strahlenteiler 66. Deshalb wird der polarisierenden Strahlenteiler 43,
der in dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel verwendet wird, in der folgenden
Beschreibung als der erste polarisierte Strahlenteiler 43 bezeichnet.
In diesem optischen Verschiebungsmeßsystem 60 wird die Lichtempfangsvorrichtung 13
durch ein erstes Paar von Lichtempfangsvorrichtungen 67a, 67b und ein zweites Paar
von Lichtempfangsvorrichtungen 68a, 68b ersetzt.
Der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittierte kohärente Strahl L wird dazu
veranlaßt, in den ersten polarisierenden Strahlenteiler 43 des optischen
Bestrahlungssystems 41 mit seinem um 45° geneigten Polarisierungswinkel einzutreten.
Der polarisierte Strahlenteiler 43 des optischen Bestrahlungssystems 41 teilt den
einfallenden kohärenten Strahl La in zwei kohärente Strahlen La1, La2 auf, welche in
jeweiligen Richtungen, die aufeinander senkrecht stehen, polarisiert sind. Der kohärente
Strahl La1, der durch den polarisierenden Strahlenteiler 43 des optischen
Bestrahlungssystems 41 transmittiert, wird zu einem P-polarisierten Strahl, wohingegen
der kohärente Strahl La1, der von dem polarisierenden Strahlenteiler 43 reflektiert
wird, ein S-polarisierter Strahl wird.
Der zweifach gebeugte Strahl Lc2, der von dem Beugungsgitter 11 zweifach gebeugt
ist, und der zweifach gebeugte Strahl Lc2, der ebenfalls von dem Beugungsgitter 11
zweifach gebeugt ist, werden dazu veranlaßt, in den ersten polarisierenden
Strahlenteiler 43 des optischen Lichtempfangssystems 41 einzutreten. Während es sich
bei dem zweifach-gebeugten Strahlen Lc1 ursprünglich um einen P-polarisierten Strahl
handelt, wird dieser zu einem S-polarisierten Strahl, da seine Polarisationsrichtung von
dem optischen Reflexionssystem 42 um 90° gedreht wird. Auf ähnliche Weise wird,
während der zweifach gebeugte Strahl Lc2 ursprünglich ein S-polarisierter Strahl ist,
dieser zu einem P-polarisierten Strahl, da seine Polarisationsrichtung von dem optischen
Reflexionssystem 42 um 90° gedreht wird. Folglich reflektiert der erste polarisierende
Strahlenteiler 43 den zweifach-gebeugten Strahl Lc1, der ein S-polarisierter Strahl ist,
und transmittiert den zweifach-gebeugten Strahl Lc2, der ein P-polarisierter Strahl ist,
bevor er die beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 dazu veranlaßt, sich
miteinander zu überlagern.
Die beiden zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die sich miteinander überlagern,
werden dann dazu veranlaßt, durch ein λ/4 Wellenplättchen 62 zu passieren. Das λ/4
Wellenplättchen 62 ist mit seiner optischen Achse um 45° relativ zu der
Polarisationsrichtung eines jeden der zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 geneigt
angeordnet. Somit werden die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, wenn sie das λ/4
Wellenplättchen 62 passieren, zu zirkularpolarisierten Strahlen, die in entgegengesetzte
Richtungen polarisiert sind.
Die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2, die in entgegengesetzte Richtungen
zirkularpolarisiert sind, werden dann dazu veranlaßt, durch die fünfte
Fokussiereinrichtung 63 hindurchzutreten.
Die fünfte Fokussiereinrichtung 63 enthält ein optisches Element, wie z. B. eine Linse,
die einen vorgegebenen variablen Bereich einer numerischen Apertur hat. Die fünfte
Fokussiereinrichtung 63 fokussiert die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 mit einem
vorgegebenen Strahldurchmesser auf die lichtempfangenden Ebenen des ersten Paars
von Lichtempfangsvorrichtungen 67a, 67b und dem zweiten Paar von
Lichtempfangsvorrichtungen 68a, 68b. Der Brennpunkt muß nicht notwendigerweise
der Punkt sein, in dem der Strahlendurchmesser minimiert ist. Einen Punkt auf den
Lichtempfangsebenen, der die Längendifferenz der optischen Wege der Strahlen
minimiert, kann alternativ als Brennpunkt ausgewählt werden.
Nach Passieren der fünften Fokussiereinrichtung 63 wird jeder der zweifach-gebeugten
Strahlen Lc1, Lc2 von dem nicht polarisierenden Strahlenteiler 64 in zwei Strahlen
geteilt.
Einer der beiden erhaltenen Strahlen wird von dem zweiten polarisierenden
Strahlenteiler 65 weiter in zwei Strahlen geteilt, welche in jeweilige Richtungen
polarisiert sind, die relativ zueinander senkrecht stehen. Dann werden sie dazu
veranlaßt, in das erste Paar von Lichtempfangsvorrichtungen 67a, 67b einzutreten. Der
zweite der beiden erhaltenen Strahlen wird ebenso von dem dritten polarisierenden
Strahlenteiler 66, welche hinsichtlich des Polarisierungswinkels um 45° relativ zu dem
zweiten polarisierenden Strahlenteiler 65 verdreht ist, in zwei Strahlen aufgeteilt,
welche in jeweilige Richtungen polarisiert sind, die relativ zueinander senkrecht stehen.
Dann werden sie dazu veranlaßt, in ein zweites Paar von
Lichtempfangseinrichtungen 68a, 68b einzutreten.
Der durch die Überlagerung der zirkularpolarisierten Strahlen, welche sich in
entgegengesetzte Richtungen drehen, erhaltene Lichtstrahl, kann als linear polarisierter
Strahl betrachtet werden, der sich als Funktion der Phasendifferenz von zwei Strahlen
dreht. Dadurch werden die zweifach-gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 nach Passieren des
λ/4 Wellenplättchens 62 zu einem linear polarisierten Strahl, der sich in Abhängigkeit
von der Bewegung des Beugungsgitters 11 dreht. Zusätzlich werden die Signale, wenn
die Teilstrahlen des linear polarisierten Strahles, die um ω Grad verschieden sind, von
einem polarisierenden Element wie einem polarisierenden Plättchen herausgenommen
werden, welche die Stärke der herausgenommenen Teilstrahlen ermitteln, eine
Phasendifferenz von 2ω zeigen. Da das erste Paar von
Lichtempfangsvorrichtungen 67a, 67b die Strahlen, die in jeweiligen Richtungen,
welche voneinander um 90° verschieden sind, ermittelt, und diese von dem zweiten
polarisierenden Strahlenteiler 65 entfernt werden, zeigen die ermittelten Signale folglich
eine Phasendifferenz von 180°. Deshalb können die Signale, denen jeweilige DC-Kom
ponenten entzogen werden, durch Bestimmung der Differenz der Signale ermittelt
werden, welche von dem ersten Paar von Lichtempfangsvorrichtungen 67a, 67b
ermittelt werden. Selbstverständlich kann die obige Beschreibung auch auf das zweite
Paar von Lichtempfangseinrichtungen 68a, 68b angewendet werden.
Weiter weisen die Strahlen, die von dem dritten polarisierenden Strahlenteiler 66
herausgenommen werden, relativ zu den Strahlen, die von dem zweiten polarisierenden
Strahlenteiler 65 herausgenommen werden, eine Winkeldifferenz von 45° auf. Deshalb
zeigen die Signale, die von dem zweiten Paar von
Lichtempfangsvorrichtungen 68a, 68b erhalten werden, eine Phasendifferenz von 90°
relativ zu den Signalen, die von dem ersten Paar von
Lichtempfangseinrichtungen 67a, 67b erhalten werden. Mit anderen Worten zeigen das
Differenzsignal der Signale, die von dem ersten Paar von
Lichtempfangsvorrichtungen 67a, 67b ermittelt werden, und das Differenzsignal der
Signale, die von dem zweiten Paar der Lichtempfangsvorrichtungen 68a, 68b ermittelt
werden, relativ zueinander eine Phasendifferenz von 90°. Folglich kann, die
Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 11 basierend auf den Positionssignalen, welche
eine Phasendifferenz von 90° zeigen und die verschobene Position des
Beugungsgitters 11 angeben, bestimmt werden.
Wie oben beschrieben, kann das vierte Ausführungsbeispiel des optischen
Verschiebungsmeßsystems 60 den Einfluß der spezifischen Durchlässigkeit, des
Reflexionsvermögens, und des Beugungswirkungsgrades des Beugungsgitters 11 aus
dem ermittelten Interferenzsignal eliminieren. Zusätzlich kann das optische
Verschiebungsmeßsystem 60 die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 11
bestimmen.
Oben wurden das erste bis vierte Ausführungsbeispiel des optischen
Verschiebungsmeßsystems gemäß der Erfindung beschrieben. Während in jedem dieser
Ausführungsbeispiele eines optischen Verschiebungsmeßsystems ein Beugungsgitter 11
verwendet wird, das ein Gitter aufweist, das in regelmäßigen Intervallen und parallel
zueinander angeordnet ist, kann alternativ dazu auch ein anders aufgebautes
Beugungsgitter verwendet werden. Zum Beispiel kann auch ein Beugungsgitter, das wie
in Fig. 31 gezeigt ein radial angeordnetes Gitter besitzt, verwendet werden. Die
verschobene Position des bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs kann auch bei
Verwendung eines Beugungsgitters mit radial angeordneten Gitterstäben ermittelt
werden. Weiterhin kann zum Zwecke der Erfindung ein Beugungsgitter vom
Amplitudentyp mit schwankender Leuchtdichte, ein Beugungsgitter vom Phasentyp mit
schwankendem Brechungskoeffizienten oder schwankendem Querschnitt verwendet
werden. Kurz gesagt ist für den Zwecke der Erfindung der Typ des Beugungsgitters
nicht eingeschränkt.
Während in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele eines optischen
Verschiebungsmeßsystems das Beugungsgitter 11 an einem bewegbaren Teil eines
Maschinenwerkzeuges befestigt ist, und sich mit dem bewegbaren Teil bewegt, ist es
für den Zwecke der Erfindung ausreichend, daß sich das optische Bestrahlungssystem
und das optische Interferenzsystem relativ zu dem Beugungsgitter 11 bewegen. Zum
Beispiel ist es für die Ausführung der vorliegenden Erfindung ausreichend, daß das
Beugungsgitter ortsfest ist, und sich das optische Bestrahlungssystem und das optische
Interferenzsystem mit dem bewegbaren Teil des Maschinenwerkzeuges bewegen.
Die in irgendeinem der Ausführungsbeispiele des optischen Verschiebungsmeßsystems
gemäß der Erfindung verwendeten Halbspiegel, Strahlenteiler und
Fokussiereinrichtungen sind nicht auf diejenigen, die aus einem dünnen Film oder einer
Linse gemacht sind, beschränkt, sondern sie können auch alternativ aus einem optischen
Diffraktionselement gemacht werden.
Bei einem optischen Verschiebungsmeßsystem gemäß der Erfindung, werden kohärente
Strahlen von Einrichtungen der ersten Fokussiereinrichtung auf die Gitterebene des
Beugungsgitters fokussiert, während die einfach-gebeugten Strahlen von Einrichtungen
der zweiten Fokussiereinrichtungen parallel ausgerichtet und dazu gebracht werden,
immer senkrecht auf die Reflektoren des optischen Reflexionssystems zu treffen. Wenn
die optischen Achsen der einfach-gebeugten Strahlen verschoben werden, folgen
deshalb die von den Reflektoren reflektierten einfach-gebeugten Strahlen immer in
umgekehrter Richtung dem gleichen optischen Weg, den sich folgen, um die
Reflektoren zu treffen, so daß die Punkte, in denen sie auf die Gitterebene des
Beugungsgitters fokussiert werden, unverändert bleiben. Dann sind die zweifach
gebeugten Strahlen, die aus den einfach-gebeugten Strahlen erzeugt werden, in dem die
letzteren gebeugt werden, frei von jeder Verschiebung der optischen Achsen, und von
Veränderungen in den Längen der optischen Wege.
Als Ergebnis werden in einem optischen Verschiebungsmeßsystem gemäß der Erfindung
die beiden zweifach-gebeugten Strahlen niemals verschoben, und immer dazu veranlaßt,
sich zu überlagern und miteinander zu interferieren. Dadurch wird, wenn das
Beugungsgitter in eine andere Richtung als die Richtungen parallel zu dem Gittervektor
bewegt wird, oder das Beugungsgitter Welligkeiten zeigt, das von dem System
ermittelte Interferenzsignal niemals erniedrigt. So kann das optische
Verschiebungsmeßsystem die verschobene Position des bewegbaren Teils des
Maschinenwerkzeuges mit einem erhöhten Grad an Auflösung und Genauigkeit
ermitteln.
Zusätzlich stellt ein optisches Verschiebungsmeßsystem gemäß der Erfindung einen
erhöhten Freiheitsgrad in Bezug auf die Position, in der das Beugungsgitter an das
bewegbare Teil des Maschinenwerkzeuges befestigt ist, zur Verfügung. Zusätzlich kann
es zuverlässig die verschobene Position des Beugungsgitters ermitteln, wenn das
bewegbare Teil vibriert oder erschüttert wird. Weiterhin können in dem optischen
Verschiebungsmeßsystem das Beugungsgitter und das optische Bestrah
lungs-/Empfangssystem, das optische Reflexionssystem und/oder das optische
Interferenzsystem durch eine große Entfernung getrennt werden, indem man die ersten
oder zweiten Fokussiereinrichtungen mit einer großen Apertur zur Verfügung stellt, um
die Verwendung einer kleinen Lichtempfangseinrichtung sowie einen erhöhten Grad an
Ungezwungenheit und Freiheit bei der Gestaltung der Systemkonfiguration zu erlauben.
Bei einem erfindungsgemäßen optischen Verschiebungsmeßsystem wird es keinen
gebeugten Strahlen anders als denen, die noch einmal gebeugt werden sollen, erlaubt, in
das optische Bestrahlungs-/Empfangssystem und das optische Interferenzsystem
einzustrahlen, so daß Hintergrundsignale minimiert werden können und die verschobene
Position des bewegbaren Teils mit einem erhöhten Grad an Auflösung und Genauigkeit
ermittelt werden kann.
In einem optischen Verschiebungsmeßsystem gemäß der Erfindung können alle
Schwankungen der Datenkommunikation aufgrund von Einflüssen der spezifischen
Durchlässigkeit, des Reflexionsvermögens und des Beugungswirkungsgrades des
Beugungsgitters aus dem zu ermittelnden Interferenzsignal eliminiert werden, so daß die
verschobene Position des bewegbaren Teils mit einem erhöhten Grad an Auflösung und
Genauigkeit ermittelt werden kann.
Bei einem optischen Verschiebungsmeßsystem gemäß der Erfindung sind die optischen
Wege von zwei kohärenten Strahlen entlang einer Richtung, die relativ zu der Richtung
senkrecht auf die Gitterebene des Beugungsgitters geneigt ist, angeordnet, und die
beiden kohärenten Strahlen werden dazu veranlaßt, die Gitterebene des Beugungsgitters
in dem gleichen und identischen Punkt zu treffen. Dann wird die Phasendifferenz der
beiden zweifach-gebeugten Strahlen, die aus den beiden kohärenten Strahlen erzeugt
werden, bestimmt, um die verschobene Position des Beugungsgitters zu ermitteln.
Dadurch können bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem die zweifach-gebeugten
Strahlen dazu veranlaßt werden, sich miteinander zu überlagern, wobei alle gebeugten
Strahlen des Nullten Grades oder reflektierte Strahlen, die von dem Beugungsgitter
kommen und versuchen, in das optische Bestrahlungssystem und/oder das optische
Empfangssystem einzustrahlen, eliminiert werden, so daß die verschobene Position
zuverlässig und dauerhaft ermittelt werden kann. Zusätzlich ist das optische
Verschiebungsmeßsystem frei von Fehlern aufgrund von Schwankungen der Dicke und
des Brechungskoeffizienten des Beugungsgitters, so daß die verschobene Position des Beugungs
gitters mit einem erhöhten Grad an Genauigkeit ermittelt werden kann.