DE19938869B4

DE19938869B4 - Optisches Verschiebungsmeßsystem

Info

Publication number: DE19938869B4
Application number: DE19938869.5A
Authority: DE
Inventors: Kuroda Akihiro
Original assignee: DMG Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: KR100531458B1; DE19938869A1; US6166817A; KR20000017081A; GB2340935A; GB2340935B; GB9918842D0

Abstract

Optisches Verschiebungsmeßsystem aufweisend: ein Beugungsgitter (11) zum Beugen eines kohärenten Strahls (La), das so ausgebildet ist, daß es relativ zu dem kohärenten Strahl (La) in zu dem Gittervektor parallelen Richtungen bewegbar ist; eine Lichtemissionsvorrichtung (12) zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahls (La); ein optisches Bestrahlungssystem in Form der kohärentes Licht emittierenden Lichtemissionsvorrichtung (12), zweier Reflektoren (23, 24) sowie eines Strahlteilers (22) zum Aufteilen des kohärenten Lichtstrahls (La), der von der Lichtemissionsvorrichtung (12) emittiert wird, in zwei erste kohärente Lichtstrahlen (La1, La2) und zum Bestrahlen des Beugungsgitters (11) mit jedem der ersten kohärenten Strahlen (La1, La2); ein optisches Reflexionssystem (16) in Form zweier Reflektoren (26, 27) zum Reflektieren eines jeden zweier einfach gebeugter Strahlen (Lb1, Lb2), welche aus dem kohärenten Strahl (La) durch Beugung der ersten kohärenten Strahlen (La1, La2) an dem Beugungsgitter (11) erhalten wurden; ein optisches Interferenzsystem (15) zum Veranlassen, daß zwei zweifach gebeugte Strahlen (Lc1, Lc2), die durch weitere Beugung der einfach gebeugten Strahlen (Lb1, Lb2) an dem Beugungsgitter (11) erhalten wurden, miteinander interferieren; eine Lichtempfangsvorrichtung (13) zum Empfangen der zweifach gebeugten miteinander interferierenden Strahlen (Lc1, Lc2), und zum Ermitteln eines Interferenzsignals; und eine Positionserfassungsvorrichtung (14) zum Bestimmen der Position des relativ bewegten Beugungsgitters (11) aus der Phasendifferenz zwischen den zweifach gebeugten Strahlen (Lc1, Lc2) welche aus dem durch die Lichtempfangsvorrichtung (13) gemessenen Interferenzsignal ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bestrahlungssystem eine erste Fokussiereinrichtung (21) aufweist, zum Fokussieren der zwei ersten ...

Description

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 1 und 2 der beiliegenden Zeichnung zeigen beispielsweise ein bekanntes optisches Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 60 098 302 A beschrieben ist. 1 ist eine schematische Perspektivdarstellung des bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems 100 und 2 ist eine schematische Darstellung des optischen Verschiebungsmeßsystems 100 in Blickrichtung des Pfeiles N1 in 1. In diesem Zusammenhang sei auch auf die Druckschrift DE 3486178 T2 verwiesen, die ebenso ein solches optisches Verschiebungssystem beschreibt.
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 3 und 4 der beiliegenden Zeichnung zeigen ein weiteres bekanntes optisches Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 60 098 302 A beschrieben ist. 3 ist eine schematische Perspektivdarstellung des bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems 110 und 4 ist eine schematische Darstellung der optischen Verschiebungsmeßsystems 110 in Blickrichtung des in 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 1 bis 4 gezeigten Richtungen rotiert wird, ist es nicht länger möglich, die Position des bewegbaren Teils des Maschinenwerkstücks, das unter Überwachung ist, zu erfassen.
5 der beiliegenden Zeichnung zeigt ein optisches Verschiebungsmeßsystem 120, das durch Modifizieren des oben beschriebenen bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems 100 erhalten wird. Gemäß 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.
6 der beiliegenden Zeichnung zeigt ein bekanntes optisches Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2-167427 beschrieben wird.
Gemäß 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 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.
Weitere optische Verschiebungssysteme sind in DE 39 42 385 A1 , JP 63 309 817 A sowie DE 37 00 906 A1 angegeben.
DE 39 42 385 A1 , die u. a. auf JP 02 167 427 A basiert, beschreibt ein Beugungsgitter-Verschiebungsmessgerät sowohl vom Transmissions- als auch vom Reflexionsgittertyp und offenbart dabei ein einziges Fokussierungssystem zur Fokussierung der einfachgebeugten Lichtstrahlen. Das von der Lichtquelle emittierte Licht in der Fokussier-Einrichtung wird nur einmal gebeugt (siehe die Pfeilrichtungen der Lichtwege in den Figuren). Das System nach DE 39 42 385 A1 bedarf ferner zusätzlicher optischer Elemente wie mehrere Detektoren, Analysatoren, mehrere Strahlteiler und λ/4-Plättchen.
JP 63 309 817 A beschreibt ein optisches Meßsystem, um die Bewegungsrichtung eines optischen Gitters beurteilen zu können. Das optische Gitter ist auf einer Glasschicht aufgebracht, deren andere Oberfläche eine reflektierende Schicht aufweist. Kohärentes Licht einer Laserdiode wird von einer Linse über einen Strahlteiler und zwei Reflektoren auf das Glassubstrat fokussiert. Das Licht wird am Gitter (einfach) reflektiert gebeugt, das Glassubstrat also Lichtquellen-seitig divergent verlassen, wobei beide ursprünglich getrennten Strahlen interferieren. Um die Interferenz analysieren zu können, um daraus Rückschlüsse über die Gitterbewegung zu ziehen, werden die gebeugten interferierenden Strahlen durch eine Linse kollimiert, zirkular polarisiert und – nach Splitten durch einen weiteren Strahlteiler – deren (unterschiedliche) Intensität mit unterschiedlichen Photodetektoren gemessen.
DE 37 00 906 A1 bezieht sich auf einen sogenannten Verschlüssler, ein Meßsystem, mit dem durch Messung der Interferenz von an einem Beugungsgitter gebeugter Teilstrahlen die Bewegung des Beugungsgitters ermittelt wird. In einer besonderen Ausführungsform des Systems (3) wird ein von einem Laser ausgesandter kohärenter Lichtstrahl durch einen Kollimator parallelisiert und in einem optischen Kernsystem durch Polarisationsstrahlenteiler so aufgeteilt, dass zwei Teilstrahlen an einem Gitter gebeugt werden. Beide gebeugten Teilstrahlen werden durch je ein Strahlenkonvergenzsystem in das optische Kernsystem zurückreflektiert, interferiert und auf Basis der Messung des Interferenzsignals mittels Lichtempfängerelementen die Bewegung des Gitters ermittelt. Das Strahlenkonvergenzsystem setzt sich zusammen aus einer Sammellinse und einem Umlenkspiegel (Reflektor) sowie einer zwischen Linse und Spiegel befindlichen Lochblende (Maske), welche (Beugungs-)Strahlen anderer Ordnungen ausblendet.
Es ist 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, ein 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 folgende Komponenten aufweist:
ein Beugungsgitter zum Beugen eines kohärenten Strahls, das so ausgebildet ist, daß es relativ zu dem kohärenten Strahl in zu dem Gittervektor parallelen Richtungen bewegbar ist;
eine Lichtemissionsvorrichtung zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahls;
ein optisches Bestrahlungssystem in Form der kohärentes Licht emittierenden Lichtemissionsvorrichtung, zweier Reflektoren sowie eines Strahlteilers zum Aufteilen des kohärenten Lichtstrahls, der von der Lichtemissionsvorrichtung emittiert wird, in zwei erste kohärente Lichtstrahlen und zum Bestrahlen des Beugungsgitters mit jedem der ersten kohärenten Strahlen;
ein optisches Reflexionssystem in Form zweier Reflektoren zum Reflektieren eines jeden zweier einfach gebeugter Strahlen, welche aus dem kohärenten Strahl durch Beugung der ersten kohärenten Strahlen an dem Beugungsgitter erhalten wurden;
ein optisches Interferenzsystem zum Veranlassen, daß zwei zweifach gebeugte Strahlen, die durch weitere Beugung der einfach gebeugten Strahlen an dem Beugungsgitter erhalten wurden, miteinander interferieren;
eine Lichtempfangsvorrichtung zum Empfangen der zweifach gebeugten miteinander interferierenden Strahlen, und zum Ermitteln eines Interferenzsignals; und
eine Positionserfassungsvorrichtung zum Bestimmen der Position des relativ bewegten Beugungsgitters aus der Phasendifferenz zwischen den zweifach gebeugten Strahlen welche aus dem durch die Lichtempfangsvorrichtung gemessenen Interferenzsignal ermittelt wird.
Das erfindungsgemäße optische Verschiebungsmeßsystem ist dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bestrahlungssystem eine erste Fokussiereinrichtung aufweist, zum Fokussieren der zwei ersten kohärenten Strahlen, die das Beugungsgitter bestrahlen, auf die Gitterebene des Beugungsgitters, und das optische Reflexionssystem eine zweite Fokussiereinrichtung aufweist, zum Fokussieren der einfach gebeugten Strahlen, welche das Beugungsgitter an den jeweiligen Punkten bestrahlen, die die gleichen sind wie die der zugehörigen fokussierten ersten kohärenten Strahlen.
Dabei ist das optische Bestrahlungssystem vorteilhafterweise so ausgebildet ist, daß das Beugungsgitter mit jedem der ersten kohärenten Strahlen entlang einer relativ zu der Gitterebene nicht senkrechten Richtung bestrahlt wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die erste Fokussiereinrichtung die zwei ersten kohärenten Strahlen in jeweiligen Positionen fokussiert, die in der Gitterebene liegend durch eine vorbestimmte Entfernung entlang der relativ zu dem Gittervektor senkrechten Richtung getrennt sind.
Die erste Fokussiereinrichtung kann dabei die zwei ersten kohärenten Strahlen in ein und demselben Punkt auf der Gitterebene des Beugungsgitters fokussieren.
Vorteilhaft weist das optische Bestrahlungssystem einen polarisierenden Strahlenteiler auf, durch den die beiden ersten kohärenten Strahlen unterschiedliche Polarisationsrichtungen erhalten, die relativ zueinander senkrecht sind. In diesem Fall ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das optische Interferenzsystem folgende weiteren Komponenten:
einen ersten polarisierenden Strahlenteiler zum Veranlassen, daß die zwei zweifach gebeugten Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die relativ zueinander senkrecht sind, miteinander überlagert werden;
eine Wellenplatte zum Zirkularpolarisieren der zwei zweifach gebeugten Strahlen, die durch den ersten polarisierenden Strahlenteiler in Gegenrichtung relativ zueinander miteinander überlagert werden;
einen zweiten polarisierenden Strahlenteiler zum Aufteilen jedes der zwei zirkularpolarisierten, zweifach gebeugten Strahlen in zwei interferierende Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die relativ zueinander senkrecht sind, und
einem dritten polarisierenden Strahlenteiler zum Aufspalten jedes der zwei zirkularpolarisierten, zweifach gebeugten Strahlen in zwei interferierende Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die relativ zueinander senkrecht sind, wobei der zweite und dritte polarisierende Strahlenteiler so angeordnet sind, daß sich die Polarisationsrichtungen der interferierenden Strahlen, die durchgeleitet werden, um 45° unterscheiden, wobei die Positionserfassungsvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie das Differenz-Ausgangssignal der zwei interferierenden Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die von dem zweiten polarisierenden Strahlenteiler erzeugt werden, und das Differenz-Ausgangsignal der zwei überlagernden Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die von dem dritten polarisierenden Strahlenteiler erzeugt werden, zur Ermittlung der relativ verschobenen Position des Beugungsgitters bestimmt.
Generell vorteilhaft ist es, wenn das Beugungsgitter von einer reflektierenden Bauart ist, das Beugungsgitter radial angeordnete Gitterstäbe aufweist und/oder die Lichtemissionsvorrichtung einen kohärenten Lichtstrahl emittiert, der imstande ist, eine Differenz in der Länge des optischen Weges als Modulationsfaktor zu erfassen.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 60 098 302 A beschrieben ist.
2 ist eine schematische Darstellung des optischen Verschiebungsmeßsystems in 1 in Blickrichtung N1 in 1.
3 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines weiteren bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems, daß in der japanischen Offenlegungsschrift JP 60 098 302 A beschrieben ist.
4 ist eine schematische Darstellung des optischen Verschiebungsmeßsystems in 3 in Blickrichtung N1 in 3.
5 ist eine schematische Darstellung der Funktion eines optischen Verschiebungsmeßsystems, das durch Modifizieren des bekannten optischen Verschiebungsmeßsystem aus 1 erhalten wird.
6 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines weiteren bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 02 167 427 A beschrieben wird.
7 ist eine schematische Darstellung der Funktion einer Lichtempfangsvorrichtung eines optischen Verschiebungsmeßsystems aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 02 167 427 A , das mit gebeugten Lichtstahlen bestrahlt wird.
8 ist eine schematische Darstellung eines optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines Beugungsgitters, das in den ersten vier Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
11 ist eine schematische Darstellung der optischen Wege von kohärenten Strahlen und Beugungsstrahlen in dem ersten Ausführungsbeispiel des optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
14 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
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.
18 ist eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems gemäß dieser Erfindung, in dem zwei kohärenten Strahlen dazu veranlaßt werden, die Gitterebene des Beugungsgitters in jeweiligen voneinander verschiedenen Stellen zu bestrahlen.
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.
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.
21 ist eine schematische Darstellung der Länge des optischen Weges eines Laserstrahls, der durch das Beugungsgitter hindurchtritt.
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.
23 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines optischen Verschiebungsmeßsystems, das durch Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
24 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems gemäß dieser Erfindung.
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'.
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.
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.
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.
29 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines optischen Verschiebungsmeßsystems, das durch Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels entsprechend der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
30 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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 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 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 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 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 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 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 veranlaßt 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 veranlaßt 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 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 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 12 mit dem Pfeil X3 bezeichnet ist), und das andere Ende in die andere normale Vektorrichtung (zum Beispiel die Richtung, die in 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 10b mit den gepunktelten 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 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 13) und am anderen Ende in die andere Normale Vektorrichtung (Richtung X4 in 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.
14 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles des optischen Verschiebungsmeßsystemes.
Bezugnehmend auf 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.
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.
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.
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 14 und 15 abgebildet, enthält das optische Verschiebungsmeßsystem 40 eine koharänte 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-/Empfangssystem 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 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 15 abgebildet, l.
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, 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, wie in 16 abgebildet, in Blickrichtung des Gittervektors einen Beugungswinkel δ. 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 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 angeordnetes 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 Bestrahlungs-/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 veranlaßt, 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 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 veranlaßt, 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 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 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(4Kx + 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 21 abgebildeten Glasstückes, 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 Glasstückes des Beugungsgitters schwankt, und sich die Strecke, auf welcher sich der Laserstrahl Lx bewegt, um das Glasstück 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 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)

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 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.
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.
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.
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 ein Beugungsgitter 11 vom Transmissionstyp und ist geeignet, die Position eines bewegbaren Teils eines Maschinenwerkzeuges, an das es befestigt ist, zu erfassen.
Wie in den 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 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 25 abgebildet gleich l.
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 26 abgebildet, einen Beugungswinkel von δ. 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 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 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 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 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 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 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-Komponenten 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 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 Bestrahlungs-/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 Beugungsgitters mit einem erhöhten Grad an Genauigkeit ermittelt werden kann.

Claims

Optisches Verschiebungsmeßsystem aufweisend: ein Beugungsgitter (11) zum Beugen eines kohärenten Strahls (La), das so ausgebildet ist, daß es relativ zu dem kohärenten Strahl (La) in zu dem Gittervektor parallelen Richtungen bewegbar ist; eine Lichtemissionsvorrichtung (12) zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahls (La); ein optisches Bestrahlungssystem in Form der kohärentes Licht emittierenden Lichtemissionsvorrichtung (12), zweier Reflektoren (23, 24) sowie eines Strahlteilers (22) zum Aufteilen des kohärenten Lichtstrahls (La), der von der Lichtemissionsvorrichtung (12) emittiert wird, in zwei erste kohärente Lichtstrahlen (La₁, La₂) und zum Bestrahlen des Beugungsgitters (11) mit jedem der ersten kohärenten Strahlen (La₁, La₂); ein optisches Reflexionssystem (16) in Form zweier Reflektoren (26, 27) zum Reflektieren eines jeden zweier einfach gebeugter Strahlen (Lb₁, Lb₂), welche aus dem kohärenten Strahl (La) durch Beugung der ersten kohärenten Strahlen (La₁, La₂) an dem Beugungsgitter (11) erhalten wurden; ein optisches Interferenzsystem (15) zum Veranlassen, daß zwei zweifach gebeugte Strahlen (Lc₁, Lc₂), die durch weitere Beugung der einfach gebeugten Strahlen (Lb₁, Lb₂) an dem Beugungsgitter (11) erhalten wurden, miteinander interferieren; eine Lichtempfangsvorrichtung (13) zum Empfangen der zweifach gebeugten miteinander interferierenden Strahlen (Lc₁, Lc₂), und zum Ermitteln eines Interferenzsignals; und eine Positionserfassungsvorrichtung (14) zum Bestimmen der Position des relativ bewegten Beugungsgitters (11) aus der Phasendifferenz zwischen den zweifach gebeugten Strahlen (Lc₁, Lc₂) welche aus dem durch die Lichtempfangsvorrichtung (13) gemessenen Interferenzsignal ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bestrahlungssystem eine erste Fokussiereinrichtung (21) aufweist, zum Fokussieren der zwei ersten kohärenten Strahlen (La₁, La₂), die das Beugungsgitter (11) bestrahlen, auf die Gitterebene des Beugungsgitters (11), und wobei das optische Reflexionssystem (16) eine zweite Fokussiereinrichtung (28, 29) aufweist zum Fokussieren der einfach gebeugten Strahlen (Lb₁, Lb₂), welche das Beugungsgitter (11) an den jeweiligen Punkten bestrahlen, die die gleichen sind wie die der zugehörigen fokussierten ersten kohärenten Strahlen (La₁, La₂).
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bestrahlungssystem so ausgebildet ist, daß das Beugungsgitter (11) mit jedem der ersten kohärenten Strahlen (La1, La2) entlang einer relativ zu der Gitterebene nicht senkrechten Richtung bestrahlt wird.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fokussiereinrichtung (21) die zwei ersten kohärenten Strahlen (La₁, La₂) in jeweiligen Positionen fokussiert, die in der Gitterebene liegend durch eine vorbestimmte Entfernung entlang der relativ zu dem Gittervektor senkrechten Richtung getrennt sind.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fokussiereinrichtung (21) die zwei ersten kohärenten Strahlen (La₁, La₂), in ein und demselben Punkt auf der Gitterebene des Beugungsgitters (11) fokussiert.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bestrahlungssystem einen polarisierenden Strahlenteiler (22) aufweist, durch den die beiden ersten kohärenten Strahlen (La₁, La₂) unterschiedliche Polarisationsrichtungen erhalten, die relativ zueinander senkrecht sind.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Interferenzsystem (15) aufweist: einen ersten polarisierenden Strahlenteiler (43) zum Veranlassen, daß die zwei zweifach gebeugten Strahlen (Lc₁, Lc₂) mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die relativ zueinander senkrecht sind, miteinander überlagert werden, eine Wellenplatte (62) zum Zirkularpolarisieren der zwei zweifach gebeugten Strahlen (Lc₁, Lc₂), die durch den ersten polarisierenden Strahlenteiler (43) in Gegenrichtung relativ zueinander miteinander überlagert werden, einen zweiten polarisierenden Strahlenteiler (65) zum Aufteilen jedes der zwei zirkularpolarisierten, zweifach gebeugten Strahlen (Lc₁, Lc₂) in zwei interferierende Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die relativ zueinander senkrecht sind, und einem dritten polarisierenden Strahlenteiler (66) zum Aufspalten jedes der zwei zirkularpolarisierten, zweifach gebeugten Strahlen (Lc₁, Lc₂) in zwei interferierende Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die relativ zueinander senkrecht sind, wobei der zweite (65) und dritte (66) polarisierende Strahlenteiler so angeordnet sind, daß sich die Polarisationsrichtungen der interferierenden Strahlen, die durchgeleitet werden, um 45° unterscheiden; und daß die Positionserfassungsvorrichtung (14) so ausgebildet ist, daß sie das Differenz-Ausgangssignal der zwei interferierenden Strahlen (Lc₁, Lc₂) mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die von dem zweiten polarisierenden Strahlenteiler (65) erzeugt werden, und das Differenz-Ausgangsignal der zwei überlagernden Strahlen (Lc₁, Lc₂) mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die von dem dritten polarisierenden Strahlenteiler (66) erzeugt werden, zur Ermittlung der relativ verschobenen Position des Beugungsgitters (11) bestimmt.
Optisches Verschiebungmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (11) von einer reflektierenden Bauart ist.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (11) radial angeordnete Gitterstäbe aufweist.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtemissionsvorrichtung (12) einen kohärenten Lichtstrahl (La) emittiert, der imstande ist, eine Differenz in der Länge des optischen Weges als Modulationsfaktor zu erfassen.