DE3316144A1

DE3316144A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen des ausmasses einer bewegung

Info

Publication number: DE3316144A1
Application number: DE19833316144
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Chofu Tokyo Sueda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1982-05-04
Filing date: 1983-05-03
Publication date: 1983-11-10

Description

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Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Ausmaßes einer Relativbewegung zwischen einem Beugungsgitter und einem anderen optischen Teil. Das Messen erfolgt anhand der Lichtintensität, die man dadurch erhält, daß Beugungsliehtbündel miteinander interferieren, wobei als Bezugsmaß das Beugungsgitter verwendet wird. Die Erfindung findet z.B. Anwendung beim Positionieren eines Wafers in einer Vorrichtung, wenn ein präzises Positionieren erforderlich ist, wie es z.B. bei einer Vorrichtung zum schrittweisen Herstellen von Halbleiterbauelementen der Fall ist.

Auf dem Gebiet der Längen- und Positionsmessung ist es immer noch üblich, Meßwerte an mechanischen Linealen, Noniusskalen oder Mikrometern abzulesen, jedoch sind derartige Meßmethoden zu ungenau, wenn es um sogenannte Präzisionsmessungen geht, bei denen die geforderte Genauigkeit im Mikrometerbereich liegt. In den letzten Jahren hat die Elektrifizierung von Meßinstrumenten weitere Fortschritte gemacht, und es wurden für Verfahrensabläufe und Prüf-■zwecke Meßgeräte entwickelt, die unter Verwendung elektronischer Schaltungen auf dem Einsatz von Licht, Magnetismus und dergleichen beruhen. Ein Gerät, bei dem zum Messen Licht eingesetzt wird, ist als Lichtwellen-Interferenzmeßgerät bekannt, bei dem die Wellen-

länge von Laserlicht als Bezugsgröße herangezogen wird. Die Genauigkeit dieser Meßgeräte erfüllt in ausreichendem Maße die Erfordernisse der heutigen industriellen Technik, jedoch läßt sich in vielen Fällen sagen, daß die erzielbare -snauigkeit unnötig groß ist, so daß der für derartige Geräte erforderliche wirtschaftliche Aufwand in einigen Fällen unvertretbar groß ist. Als Beispiel für ein Meßgerät, bei dem die Eigenschaften des Magnetismus ausgesetzt werden, ist eine Magnetskala bekannt, bei der ein Magnetmuster als Bezugsabmessung auf einem riemen- oder stangenähnlichen Magnetelement vorab aufgezeichnet wird, um die relative Lage zwischen diesem Magnetmuster und einem Magnetkopf ermitteln zu können. Bei diesem System jedoch bestimmt sich die Genauigkeit durch die Unterteilung des Bezugsmusters, welches noch auf dem Magnetelement aufgezeichnet werden kann. Die Unterteilung, mit der das Muster noch stabil aufgezeichnet werden kann, beträgt 5 am - 10 am, so daß die Meßgenauigkeit etwa um zwei Größenordnungen schlechter ist als bei dem Lichtwellen-Interferenzmeßgerät. Bei einer Werkzeugmaschine beispielsweise ist ein Meßgerät erforderlich, dessen mittlere Genauigkeit zwischen der Genauigkeit des Lichtwellen-Interferenzmeßgeräts und der Genauigkeit der Magnetskala liegt, so daß ein optisches Beugungsgitter eingesetzt wird, dessen Gitterkonstante in der Größenordnung von einigen Mikrometer liegt. Ein solches Meßgerät stellt einen Kompromiß zwischen erforderlicher Genauigkeit und vertretbaren Kosten dar.

Fig. 1 zeigt ein Beugungsgitter 1, welches im vorliegenden Fall das Bezugsmaß darstellt. Das Beugungsgitter besteht aus sehr

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dünnen Gitterlinien 2, die dicht nebeneinander liegend auf einer Glas- oder Metallplatte durch mechanische Barbeitung, ein optisches Lithographieverfahren, Elektronenstrahllithographie oder dergleichen ausgebildet sind- Bisher waren Geräte dieser Art in der aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Weise ausgestaltet. Fig. 2 zeigt eine Lichtquelle 3, die monochromatisches Licht aussendet, beispielsweise Laserlicht, ein Beugungsgitter 1, Reflektorspiegel 4 und 5, die auf der der Lichtquelle 3 gegenüberliegenden Seite des Beugungsgitters 1 angeordnet sind, und einen auf der Seite der Lichtquelle 3 befindlichen Detektor, der Interferenzlicht mißt. Der von der Lichtquelle 3 ausgesendete Lichtstrahl L wird von dem Beugungsgitter 1 gebeugt und hindurchgelassen. Der von dem Beugungsgitter 1 gebeugte Lichtstrahl L1 stellt Beugungslicht (ein Beugungslichtbündel) der N-ten Ordnung dar, und unter dem Einfluß der Phased des Beugungsgitters 1 erhält man in der Wellenfront des Lichts einen Wert N/ , bei dem es sich um das Produkt der Ordnungszahl und der Phase handelt. Der Lichtstrahl L2 hingegen, der geradlinig durch das Beugungsgitter 1 läuft, enthält keine Phaseninformation. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden von den Reflektorspiegeln 4 bzw. 5 reflektiert und laufen entlang des Hinwegs zurück, um erneut in das Beugungsgitter 1 einzutreten und von diesem gebeugt und hindurchgelassen zu werden. Das hindurchgelassene Licht des Lichtstrahls L1 und das gebeugte Licht N-ter Ordnung des Lichtstrahls L2 werden räumlich selektiert, interferieren miteinander und treten in den Detektor 6 ein. Nun wird in dem gebeugten Licht N-ter Ordnung des Lichtstrahls L2 der Wert -N {des entgegengesetzten Vorzeichens durch die Phase des

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Beugungsgitters 1 erhalten, während in dem durchgelassenen Licht des Lichtstrahls L1 nur die zuvor entstandene Phase N(/"vorhanden ist, so daß das Interferenzlicht 2NcT entspricht, was dem doppelten Betrag der Phase des Beugungsgitters 1 entspricht. Wenn man nun also annimmt, daß das Beugungsgitter 1 bezüglich einem anderen Teil des optischen Systems, beispielsweise bezüglich der Lichtquelle 3 und den Reflektorspiegeln 4, 5 relativ bewegt wird, so bewegt sich das Interferenzlicht über 2N Perioden, wenn sich das Beugungsgitter 1 über eine Periode bewegt.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird der von der Lichtquelle 3 ausgesendete Lichtstrahl von dem Beugungsgitter 1 gebeugt, und Lichtbündel derselben Ordnung mit unterschiedlichen Vorzeichen überlappen sich und interferieren miteinander, indem ein halbdurchlässiger Spiegel 7 oder dergleichen vorgesehen wird, bevor das Licht in den Detektor 6 eintritt. In diesem Fall erhält man aufgrund der Phase 6 des Beugungsgitters 1 in den Lichtstrahlen L1 und L2 die Größen NcT und -NcT, wobei N die Beugungs-Ordnungszahl ist, so daß man das Interferenzlicht 2NcT erhält, also einen Betrag, der doppelt so groß ist wie die Phase des Beugungsgitters Nimmt man also wieder an, daß das Beugungsgitter 1 und ein anderer Teil des optischen Systems relativ zueinander bewegt werden, wie es oben anhand von Fig. 2 erläutert wurde, so bewegt sich das Interferenzlicht über 2N Perioden, während sich das Beugungsgitter 1 über eine Periode bewegt.

Um die in Fig. 2 dargestellte optische Anordnung auf kleinem Raum unterbringen zu können, ist es notwendig, die Winkel der Licht-

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strahlen L1 und L2 bezüglich des Beugungsgitters 1 auszugleichen. Wenn in diesem Fall jedoch die relative Lage des optischen Systems bezüglich des Beugungsgitters 1 in Richtung der Gitterlinien 2 des Beugungsgitters 1, d.h. in X-Richtung verschoben wird, erfolgt eine Phasenänderung/ die derjenigen Phasenänderung ähnlich ist, die auftritt/ wenn die Relativbewegung in Y-Richtung senkrecht zur Ebene des Beugungsgitters 1 erfolgt, so daß die Meßgenauigkeit klein ist. Tritt der Lichtstrahl L senkrecht ein, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, so wird der oben erläuterte Nachteil vermieden/ jedoch wird das optische System sehr umfangreich, so daß relativ viel Platz zur Verfügung stehen muß.

Das Beugungsgitter 1 kann mit einer Länge in der Größenordnung zwischen maximal 100 und 200 mm hergestellt werden. Dies ist ein Nachteil gegenüber einem Lichtwellen-Interferometer und einem magnetischen Meßgerät, die einen Meßbereich von über 1 m aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung zu schaffen, bei dem bzw. bei der von einem Beugungsgitter Gebrauch gemacht wird und eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Meßgenauigkeit erzielt wird. Der Meßbereich soll ausreichend größer sein als das Bezugsmaß / und dennoch soll ein vorteilhafter Kompromiß zwischen Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit erzielt werden.

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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mit einem als Bezugsmaß für Längenmessung dienenden Beugungsgitter Beugungslichtbundel erzeugt, die miteinander interferieren, wodurch das Ausmaß der Bewegung des Beugungsgitters relativ zu ?inem anderen Teil des optischen Systems gemessen werden kann. Durch das Beugungsgitter werden Beugungslichtbundel derselben Ordnung mit unterschiedlichen Vorzeichen gebildet, und zwei Reflektorspiegel bewirken, daß die Beugungslichtbundel entlang dem Hinweg zurücklaufen, so daß die jeweiligen Beugungslichtbundel erneut in das Beugungsgitter eintreten, wodurch weitere Beugungslichtbundel derselben Ordnung mit unterschiedlichen Vorzeichen erhalten werden, die miteinander interferieren, so daß das Ausmaß der Bewegung des Beugungsgitters gemessen werden kann.

Weiterhin wird erfindungsgemäß auf einem von zwei relativ zueinander beweglichen Körpern ein zur Längenmessung dienendes, eine endliche Länge aufweisendes Bezugsmaß mit einem Normbetrag installiert, während auf den anderen Körper mehrere Meßköpfe montiert werden, um die relative Lage zu dem Bezugsmaß unter Zugrundelegung des Normbetrags als Einheit zu ermitteln, wobei die Meßköpfe in Richtung der Relativbewegung der beiden Körper in Intervallen angeordnet sind, die kurzer sind als die wirksame Länge des Bezugsmaßes. Der maßgebliche Meßkopf wird von einem Positionsdetektor ausgewählt, und das Ausgangssignal des Meßkopfs mit dem Normbetrag als Einheit wird gezählt, wodurch die Messung einer Entfernung möglich ist, die viel größer ist als die Länge des Bezugsmaßes.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Grundriß eines Beugungsgitters,

Fig. 2 und 3 herkömmliche Vorrichtungen zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung/

Fig. 4, 5 jeweils eine Vorrichtung, bei der das erfindungs- und 6 gemäße Verfahren zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung realisiert ist,

Fig. 7 und 8 Impulsdiagramme von Signalen, die in der Vorrichtung gemäß Fig. 6 auftreten,

Fig. 9, 10 weitere Vorrichtungen, in denen das erfindungsge- und 11 mäße Verfahren Anwendung findet,

Fig. 12 eine Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Meßköpfen und einem Bezugsmaß,

Fig. 13 ein Impulsdiagramm von Signalen, die man mit der in Fig. 12 dargestellten Anordnung erhält, und

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit Meßköpfen und Bezugsmaß.

Anhand der Fig. 4 bis 14 sollen nun Ausführungsbeispiele der Er-

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findung näher erläutert werden, wobei für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen gewählt sind wie in den Fig. 1 bis 3. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 befindet sich zwischen einer Lichtquelle 3 und einem Beugungsgitter 1 vom Transmissionstyp ein Strahlenteiler . 8, während sich unterhalb des Beugungsgitters 1 und symmetrisch zu diesem unter gleichem Winkel zwei Reflektorspiegel 4 und 5 befinden. Auf der Reflexionsseite des Strahlenteilers 8 befindet sich ein Detektor 6.

Ein von der Lichtquelle 3 abgegebener Lichtstrahl L durchläuft den Strahlenteiler 8 und tritt in das relativ zu einem anderen Teil des optischen Systems bewegliche Beugungsgitter 1 ein. Durch dieses Beugungsgitter 1 wird an verschiedenen Stellen Beugungslicht (im folgenden auch als Beugungslichtbündel bezeichnet) derselben Ordnung, jedoch mit unterschiedlichen Vorzeichen gebildet. Diese Beugungslichtbündel werden räumlich selektiert und treffen als Lichtstrahlen L1 und L2 auf die Reflektorspiegel 4 und 5 auf. Die Lichtstrahlen werden von den Reflektorspiegeln 4 und 5 so reflektiert, daß sie zurücklaufen. Das heißt: es werden zwei Lichtstrahlen L1 und L2 mit Wellenfronten, in denen die Phase c^r des Beugungsgitters 1 in Form von +N₁C und -N_c ^r aufgezeichnet sind, derart reflektiert, daß sie den Hinweg zurücklaufen. Die Reflektorspiegel 4 und 5 zum Reflektieren dieser Lichtstrahlen L1 und L2 können vorzugsweise Dachprismen oder 'Vürfeleckprisman ausgebildet sein. Ein Dachprisma oder ein Eckwürfelprisma reflektiert Licht in dessen Einfallrichtung und erzeugt selbst dann keinen Fehler bei der Längenmessung, wenn eine Beugungswinkelschwankung auftritt, die zurückzuführen ist auf schwankende Wellen-

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längen des von einer Leuchtdiode oder einem Halbleiterlaser abgegebenen Lichts. Von dem erneut in das Beugungsgitter 1 eintretenden und von diesem gebeugten Licht wird das Beugungslicht N-ter Ordnung des beim ersten BeugungsVorgang zu Licht der N-ten Ordnung gewordenen Lichts und das Beugungslicht -N-ter Ordnung des beim ersten Beugen zu Licht -N-ter Ordnung gewordenen Lichts räumlich selektiert. Somit fallen die Fortpflanzungsrichtungen dieser zwei Lichtstrahlen L1 und L2 zusammen, und die Lichtstrahlen laufen in Richtung der Lichtquelle 3 weiter, wobei sie miteinander interferieren. Sie werden von dem Strahlenteiler 8 reflektiert und treten in den Detektor 6 ein. Wenn also das Beugungsgitter 1 relativ zu dem anderen Teil des optischen Systems eine Bewegung macht, die einer Periode entspricht, macht das in den Detektor 6 eintretende Interferenzlicht eine Bewegung, die 4N Perioden entspricht. Das Ausmaß der Bewegung kann also mit einer bezüglich des oben geschilderten Standes der Technik doppelten Genauigkeit beobachtet werden. Selbst wenn die Relativbewegung des Beugungsgitters 1 bezüglich des anderen Teils des optischen Systems in X-Richtung erfolgt, also in Richtung der Anordnung der Gitterlinien 2 des Beugungsgitters 1, so wird die Meßgenauigkeit nicht abträglich beeinflußt, und da die Vorrichtung mit dem hin- und herlaufenden Lichtstrahl arbeitet, kann der von dem optischen System eingenommene Raum verkleinert werden.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der die Auftreffstelle A, bei der das Licht auf das Beugungsgitter 1 auftrifft, und die Stelle B, bei der das Licht von den Spiegeln 4 und 5 reflektiert wird, in Z-Richtung, d.h. in Richtung der Gitterlinien 2 beabstandet

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sind. Bei dieser Anordnung ist der in Fig. 4 gezeigte Strahlenteiler 8 nicht notwendig. Der Zeilenbreitenfehler, d.h. Fehler aufgrund von Unregelmäßigkeiten der Abstände der Gitterlinien 2, beeinflußt den Störabstand der Interferenzlichtbündel, jedoch läßt sich ein Schwanken des Störabstands dadurch minimieren, daß ein breiterer Bereich effektiv genutzt wird. Wenn in diesem Fall das von der Lichtquelle 3 auf das Beugungsgitter 1 auftreffende Licht und der schräge Schatten des Beugungslichtstrahls auf die XY-Ebene rechtwinklig bezüglich des Beugungsgitters 1 sind, ergibt sich aus der Bewegung des Beugungsgitters 1 in Y- und Z-Richtung relativ zu dem übrigen optischen System kein Fehler. Weiterhin treten die auf der Oberfläche des Beugungsgitters 1 reflektierten Lichtstrahlen, die nicht direkt für die Messung notwendig sind, nicht in den Detektor 6 ein und daher ist es nicht notwendig, eine optische Einrichtung oder dergleichen zum Eliminieren derartiger Lichtstrahlen vorzusehen.

Fig. 6 zeigt eine weitere spezielle Ausführungsform, bei der eine Lichtquelle 3, zwei Detektoren 6a und 6b, ein Linsensystem 9, Ablenkspiegel 10a und 10b und ein Polarisations-Strahlenteiler 8 auf der einen Seite des Beugungsgitters 1 angeordnet sind, während auf dessen anderer Seite Dachprismen 11 und 12 sowie Phasendifferenzplatten 13 und 14 angeordnet sind. Bei der Lichtquelle 3 handelt es sich um ein lichtemittierendes Halbleiterelement, beispielsweise eine Leuchtdiode oder einen Halbleiterlaser. Das Linsensystem 9 hat die Aufgabe, den von der Lichtquelle 3 abgegebenen, geradlinig polarisierten Lichtstrahl L in ein im wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel umzusetzen, und die relativen Winkel der Ablenkspiegel 10a und 10b sind auf 90 eingestellt, so

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daß das auf den Ablenkspiegel 10a auftreffende Licht und das von dem Ablenkspiegel 10b kommende Licht zueinander parallel sind. Die Phasendifferenzplatten 13 und 14 dienen dazu, den von der Lichtquelle 3 kommenden Strahl geradlinig polarisierten Lichts in polarisiertes Licht mit rechtsseitigen und linksseitigen Phasendifferenzen umzusetzen, beispielsweise in kreisförmig polarisiertes Licht oder in elliptisch polarisiertes Licht, wenn ein solcher Strahl erneut in das Beugungsgitter 1 eintritt.

Also wird der von der Lichtquelle 3 abgegebene Lichtstrahl L durch das Linsensystem 9 zu einem parallelen Lichtstrahlenbündel geformt, welches von dem Ablenkspiegel 10a derart abgelenkt wird, daß es an einem Punkt A in das Beugungsgitter 1 eintritt. Durch das Beugungsgitter 1 wird der Lichtstrahl dann gebeugt, und Lichtstrahlen L1 und L2 durchlaufen die Phasendifferenzplatten 13 und 14, bevor sie in die Dachprismen 11 und 12 eintreten. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden in einer zur Einfallrichtung parallelen Richtung durch die Dachprismen 11 bzw. 12 reflektiert und werden durch die Phasendifferenzplatten 13 und 14 zu polarisierten Lichtbündeln mit rechtsseitiger und linksseitiger Phasendifferenz, bevor sie am Punkt B, der an einer unterschiedlichen Stelle liegt als der Punkt A, durch das Beugungsgitter 1 erneut in Richtung X gebeugt, bevor sie über den Ablenkspiegel 10b in den Polarisations-Strahlenaufspalter 8 eintreten. Die Lichtstrahlen L1 und L2 mit der durch rechtsseitige und linksseitige Phasendifferenz gekennzeichneten Polarisation werden durch den Polarisations-Strahlenaufspalter 8 hindurchgelassen und von diesem reflektiert. Die mit-

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einander interferierenden Lichtstrahlenbündel geradlinig polarisierten Lichts des hindurchgelassenen Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls treten in den Detektor 6a bzw. den Detektor 6b ein.

Die Detektoren 6a und 6b erfassen die orthogonalen Komponenten der zwei polarisierten Lichtstrahlenbündel, die eine der Intensität des Interferenzlichts entsprechende Phasendifferenz haben. Somit haben die Ausgangssignale R und S der Detektoren 6a und 6b gemäß Fig. 7a und 7b eine Phasendifferenz von 90°, wenn das Beugungsgitter 1 bewegt wird. Diese zwei Signale R und S werden unter Zugrundelegung eines vorbestimmten Pegels in Binärsignale umgesetzt. Diese sind in den Fig. 7c bzw. 7d dargestellt. Wie Fig. 7e zeigt, werden sowohl an den Vorderflanken als auch an den Rückflanken dieser binären Signale Impulse erzeugt. Durch Auszählen dieser Impulse läßt sich das Ausmaß der Bewegung des Beugungsgitters 1 messen. Außerdem kann bei dieser Zählung eine Addition oder eine Subtraktion vorgenommen werden, wobei die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 1 berücksichtigt wird. In einem solchen Fall ergibt sich aus der Bewegung des Beugungsgitters 1 über eine Periode eine Bewegung des Interferenzgebiets über 4N Perioden, und wenn aus dem entsprechenden Ausgangssignal die Impulse gewonnen und gezählt werden, so erhält man 16 Impulse.

Fig. 8 zeigt den Fall, daß die beiden in den Fig. 8a und 8b gezeigten Signale R bzw. S addiert und subtrahiert werden, so daß sich die in den Fig. 8c und 8d dargestellten Signale R + S bzw. R-S ergeben, die gegeneinander um 45° phasenverschoben sind.

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Diese Signale werden gemäß Fig. 8e bis 8h in Binärsignale umgesetzt, wodurch, wie Fig. 8i zeigt, bei Bewegen des Beugungsgitters 1 über eine Periode 32 Impulse erzeugt werden. Um diese Signale korrekt zu verarbeiten, müssen Lichtmengenschwankungen, Schwankungen des Beugungswirkungsgrads und dergleichen berücksichtigt werden, so daß im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 aus dem Scheitelpunkt des Dachprismas 12 Beugungslicht herausgegriffen wird und die Menge dieses einen Lichtleiter 15 durchlaufenden
Lichts von einem Detektor 16 erfaßt wird, um für die Signalverarbeitung zur Verfügung zu stehen.

Fig. 9 und 10 zeigen den Fall, daß das Beugungsgitter 1 ein Reflexions-Beugungsgitter ist, im Gegensatz zu dem Transmissions-Beugungsgitter des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 4 bis 6, bei dem die Längenmessung auf dem durchgelassenen Beugungslicht - N-ter Ordnung beruht. Ist das Beugungsgitter 1 ein Reflexionsgitter, so läßt sich der von dem optischen System benötigte Platz verkleinern, so daß die Handhabbarkeit der Vorrichtung einfacher wird. Letzteres deshalb, weil bei den Einstellvorgängen nur auf Elemente auf einer Seite des Beugungsgitters 1 zugegriffen werden muß.

Bei der Anordnung nach Fig. 6 werden Störungen, beispielsweise
Lichtmengenschwankungen und Schwankungen des Beugungswirkungsgrades dadurch reduziert, daß Beugungslicht aus dem Scheitel des
Dachprismas 12 herausgegriffen und überwacht wird, jedoch lassen sich Störungen auch durch andere Methoden eliminieren, beispielsweise mit der Anordnung gemäß Fig. 11.

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Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 wird besonderer Wert darauf gelegt, daß der Betrag, der durch die Beugung oder die Laser-Lichtquelle bedingten Schwankungen in Signallichtbündeln, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind, gleich groß ist. Das heißt: Um 180° gegeneinander phasenverschobene Signallichtbündel enthalten jeweils dieselbe Menge Störungen, so daß man ein photoelektrisches Ausgangssignal ohne Störungen erhalten kann, indem man Signallichtbündel extrahiert, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind, und indem man das photoelektrische Ausgangssignal des einen Signallichtbündels von dem photoelektrischen Ausgangssignal des anderen Signallichtbündels subtrahiert. Die -in Fig. 7 oder 8 veranschaulichte Signalverarbeitung erfolgt auf der Grundlage von zwei photoelektrischen AusgangsSignalen, die keine Störungen enthalten, und die gegeneinander um 90 phasenverschoben sind.

Bei der Anordnung in Fig. 11 sind entsprechende Teile wie in Fig. 6 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Darüber hinaus sind Strahlenteiler 17, 18 und 19 vorgesehen. Die Transmissionsfaktoren dieser Strahlenteiler betragen 75% für den Strahlenteiler 17, 66% für den Strahlenteiler 18 und 50% für den Strahlenteiler 19, so daß vier Lichtstrahlenbündel, in die das Licht schließlich separiert wird, jeweils die gleiche Lichtmenge aufweisen. Es sind ferner Phasenplatten 20, 21, 22 und 23 vorgesehen, durch die vier Signale erhalten werden, die gegeneinander um 90 phasenverschoben sind. Ferner sind photoelektrische Detektoren 24, 25, 26 und 27 vorgesehen. Der photoelektrische Detektor 25 erfaßt ein Signal, welches bezüglich des vom photo-

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elektrischen Detektor 24 erfaßten Signals um 90 phasenverschoben ist, der photoelektrische Detektor 26 erfaßt ein Signal, welches bezüglich des vom photoelektrischen Detektor 24 erfaßten Signals um 180 phasenverschoben ist, und der photoelektrische Detektor 27 erfaßt ein Signal, welches bezüglich des dem photoelektrischen Detektor 24 zugeordneten Signals um 270° phasenverschoben ist. Daher werden die von dem Ablenkspiegel 10b kommenden Lichtstrahlen L1 und L2 in vier Lichtstrahlenbündel mit jeweils gleicher Lichtmenge unterteilt, und die so aufgeteilten Lichtstrahlenbündel L1 und L2 werden von den photoelektrischen Detektoren 24, 25, 26 und 27 erfaßt, während sie miteinander interferieren. Hierbei erhält man aufgrund der Phasenplatten 20, 21, 22 und 23 vier photoelektrische Signale, die gegeneinander um 90 phasenverschoben sind. Wie oben gesagt wurde, spiegelt sich das Ausmaß der auf Beugungswirkungsgrad oder Laser-Lichtquelle zurückzuführenden Schwankungen in einem gleichen Betrag der Intensitäten der um 180° phasenverschobenen Signallichtbündel wider, wodurch man Störungen dadurch eliminieren kann, daß man ein Paar elektrische Signale von den photoelektrischen Detektoren 2'4 und 26 und ein anderes Paar von den photoelektrischen Detektoren 25 und nimmt, wobei die Signale eines Paars jeweils um 180 phasenverschoben sind, um das eine Signal von dem anderen Signal zu subtrahieren. Die in den Fig. 7 und 8 veranschaulichte Signalverarbeitung erfolgt auf der Grundlage zweier Signale, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, und aus denen Störungen entfernt wurden.

Gemäß Fig. 11 besitzen die Strahlenteiler 17, 18 und 19 un-

terschiedliche Transmissionsfaktoren, um das von dem Ablenkspiegel 10b kommende Lichtstrahlenbündel in vier Lichtstrahlenbündel mit jeweils gleicher Lichtmenge zu unterteilen. Jedoch können alternativ Strahlenbündelteiler 'mit Transmissionsfaktoren von jeweils 50% verwendet werden, um das von dem Ablenkspiegel 10b kommende Lichtstrahlenbündel in vier Lichtstrahlenbündel mit jeweils gleicher Lichtmenge zu unterteilen. Hierzu wird das von dem Ablenkspiegel 10b kommende Lichtstrahlenbündel zunächst in zwei Lichtstrahlenbündel unterteilt, woraufhin jedes dieser beiden Lichtstrahlenbündel nochmals in zwei Lichtstrahlenbündel unterteilt wird, so daß bei einem Tränsmissionsfaktor von 50% jedes Strahlenteilers vier Lichtstrahlenbündel mit jeweils gleicher Lichtmenge erhalten werden.

Fig. 12 veranschaulicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßverfahrens, mit der Längen meßbar sind, die über die Länge des Bezugsmaßes hinausgehen. Fig. 12 zeigt Meßköpfe 31i, 31 j und 31k zum Messen des Ausmaßes der Bewegung des Bezugsmaßes 1, wie es z.B. in Fig. 6 näher dargestellt ist. Die Meßköpfe sind in gleichmäßigen Abständen 1 fest angeordnet. Die effektive Länge des Beugungsmusters 1 , das das Bezugsmaß darstellt, ist etwas größer als das erwähnte Intervall 1, und das Beugungsgitter 1 ist derart ausgebildet und angeordnet, daß es sich in der Richtung, in welcher die Meßköpfe 31i, 31 j, ... angeordnet sind, bewegen kann, wie durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist. Das Beugungsgitter 1 besteht aus lichtdurchlässigem Material, und es besitzt einen an ihm befestigten Träger 32 mit einem Loch 33, so daß die Position des Trägers 32 durch mehrere Positionsdetektoren

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34 festgestellt werden kann, die ähnlich wie die Meßköpfe 31 mit Abständen 1 angeordnet sind und jeweils eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger aufweisen.

Wenn gemäß Fig. 12 das Beugungsgitter 1 bewegt wird, erhält man die in Fig. 13 gezeigten Impulse Pi, Pj, Pk,... von den Meßköpfen 31i, 31j, 31k, ..., und zwar abhängig davon, bei welchem Meßkopf sich das Beugungsgitter 1 gerade befindet. In der Nähe der ganzzeiligen Vielfachen des Intervalls 1, also bei 1, 21, 31, ... werden die einander abgewandten Enden des Beugungsgitters 1 gleichzeitig von zwei Meßköpfen 31 gemessen, so daß einander überlappende Impulse erzeugt werden. Wenn sich diese Impulse zeitlich überlappen, wie es bei der Entfernung 1 (siehe Fig. 13) der Fall ist, so tritt kein Fehler auf, weichen die Impulse jedoch voneinander ab, wie es bei der Entfernung 21 in Fig. 13 dargestellt ist, so ergibt sich ein Zählfehler, der zu einem Meßfehler führt. Wenn das Beugungsgitter 1 in der geschilderten Weise gleichzeitig von zwei Meßköpfen 1 erfaßt wird, können die Meßköpfe 31 von den Positionsdetektoren 34 abwechselnd ausgewählt werden, und es kann die Impu'lszahl des ausgewählten Meßkopfs 31 gezählt werden. Ein solches Umschalten der Meßköpfe 31 läßt sich leicht durch eine logische Schaltung realisieren,; die eine Kombination der Ausgangssignale der Positionsdetektoren 34 der Meßköpfe 31 verarbeitet. Das Ausmaß der Bewegung des Beugungsgitters 1 kann also durch Addieren und Subtrahieren der Anzahl der Ausgangsimpulse des Meßkopfs 31 ermittelt werden, wobei dasjenige Signal zugrunde gelegt wird, welches die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 1 darstellt.

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Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Während bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ein einzelnes Beugungsmuster 1 an mehreren Meßköpfen 31i, 31j, 31k vorbeibewegt wird, sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mehrere Beugungsgitter 1i, 1j, 1k ... in gleichen Abständen vorgesehen, während zwei Meßköpfe 31u und 31ν von einem Halter 35 getragen werden, wobei der Abstand der Meßköpfe kürzer ist als die wirksame Länge der Beugungsgitter 1. Die Meßköpfe werden relativ zu den Beugungsgitter 1i, 1j, 1k, ... bewegt. Hierbei kann wenigstens einer der beiden Meßköpfe 31u und 31ν eines der Beugungsgitter 1i, 1j, 1k... erfassen, so daß sich die Bewegung der Meßköpfe 31u und 31ν durch Positionsdetektoren erfassen läßt und einer der Meßköpfe 31u und 31 ν ausgewählt werden kann, um das Ausmaß der Bewegung durch Zählen der von dem ausgewählten Meßkopf 31 erhaltenen Ausgangsimpulse zu ermitteln.

Bei den oben näher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Interferenz des durch das Beugungsgitter 1 gebeugten Lichts herangezogen, wobei das gebeugte Licht das Beugungsgitter 1 zweimal durchläuft oder von diesem zweimal reflektiert wird, so daß man sehr genaue Meßwerte erhält. Jedoch läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren selbst dann zufriedenstellend realisieren, wenn das gebeugte Licht nur einmal das Beugungsgitter 1 durchläuft oder von diesem nur einmal reflektiert wird. Außerdem ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders günstig, das Beugungsgitter als Bezugsmaß zu verwenden; jedoch kann für die Winkelmessung ein Drehcodierer eingesetzt werden, der den Drehwinkel erfaßt.

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Außerdem kann die Messung in ähnlicher Weise selbst dann erfolgen, wenn ein Bezugsmaß verwendet wird, welches durch andere optische oder magnetische Einrichtungen erfaßt wird.

Während bei dem oben geschilderten Ausführungsbeispiel der Träger 2 des Beugungsgitters 1 mit einem Loch 33 zum abwechselnden Auswählen eines Meßkopfs 31 vorgesehen ist, so kann dies auch durch eine andere Anordnung geschehen, beispielsweise durch eine dem Loch 33 entsprechende Markierung auf dem Beugungsgitter 1, die durch Aufdampfen, Anheften oder dergleichen gebildet wird.

Claims

Patentansprüche

1.)Verfahren zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung, g e kennzeichnet durch folgende Schritte:

ein Lichtstrahlenbündel wird auf in vorbestimmten gleichen Intervallen gebildete Beugungsgitter gegeben, um Beugungslichtbündel derselben Ordnung mit unterschiedlichen Vorzeichen zu erzeugen,

die Beugungslichtbündel laufen entlang dem Hinweg zurück, und das Lichtstrahlenbündel gelangt erneut auf die Beugungsgitter, und

die von den Beugungsgittern kommenden Beugungslichtbündel derselben Ordnung mit unterschiedlichen Vorzeichen interferieren miteinander, wodurch das Ausmaß der Bewegung der Beugungsgitter meßbar ist.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter als Transmissionsgitter ausgebildet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Beugungsgitter als Reflexionsgitter ausgebildet sind.

4. Vorrichtung zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung, gekennzeichnet durch einen Beugungslichterzeuger (1), eine Vorrichtung (4,5)/ die veranlaßt, daß das Beugungslicht die Form eines Lichtstrahls annimmt, eine Vorrichtung,die bewirkt, daß das von dem Beugungslichterzeuger erzeugte Beugungslicht derselben Ordnung erneut in den Beugungslichterzeuger eintritt, und eine Anordnung, die veranlaßt, daß die von dem Beugungslichterzeuger

(1) kommenden Lichtstrahlen miteinander interferieren, um dadurch das Ausmaß der Bewegung des Beugungslichterzeugers (1) messen zu können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der Beugungslichterzeuger vom Transmissionstyp ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der Beugungslichterzeuger vom Reflexionstyp ist.

7. Vorrichtung zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung, gekennzeichnet durch ein Bezugsmaß (1) mit einem Beu-

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gungsgitter, mehrere Abstandsmeßköpfe, mit denen ein Lichtstrahlenbündel auf das Bezugsmaß gegeben wird und die bewirken, daß die Beugungslichtstrahlenbündel miteinander interferieren, um so das Ausmaß der Bewegung des Bezugsmaßes zu messen, wobei die Abstandsmeßköpfe in einem Abstand angeordnet sind, der kürzer ist als die Länge des Bezugsmaßes (1), und eine Einrichtung, mit der nach Maßgabe der Stellung des Bezugsmaßes der für den Betrieb vorgesehene Abstandsmeßkopf ausgewählt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß das Bezugsmaß an einem sich bewegenden Teil befestigt ist, dessen Bewegungsausmaß erfaßt werden soll.

9. Vorrichtung zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung, gekennzeichnet durch mehrere Bezugsmaße (1i, 1j, 1k) mit Beugungsgittern, wobei die Bezugsmaße in vorbestimmten Intervallen angeordnet sind, und wenigstens zwei Abstandsmeßkopfe, mit denen ein Lichtstrahlenbündel auf die Bezugsmaße gebbar ist, und die bewirken, daß die Beugungslichtstrahlenbündel miteinander interferieren, um dadurch das Ausmaß der Bewegung der Bezugsmaße messen zu können, wobei die Abstandsmeßkopfe einstückig in einem Intervall angeordnet sind, welches kürzer ist als die wirksame Länge der Bezugsmaße.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Köpfe an einem sich bewegenden Körper befestigt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet / daß die Bezugsmaße an einem sich bewegenden Körper befestigt sind.

12. Vorrichtung zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung, gekennzeichnet durch ein Bezugsmaß mit einem Beugungsgitter (1)/ eine Vorrichtung, die ein Lichtstrahlenbündel auf das Bezugsmaß lenkt, eine Vorrichtung, die bewirkt, daß von dem Bezugsmaß erzeugte Beugungslichtbündel derselben Ordnung erneut auf das Bezugsmaß gegeben werden, eine Polarisatoranordnung, die die von dem Bezugsmaß erzeugten Beugungslichtbündel derselben Ordnung in einander entgegengesetzten Polarisations-Drehebenen polarisiert, einen Separator, der jeden der zwei von dem Bezugsmaß, erneut gebeugten Lichtstrahlenbündel in zwei Lichtstrahlenbündel separiert, die zueinander um 90° in der Phase verschoben sind, und eine Anordnung zum Erfassen des Ausmasses der Bewegung eines zu messenden Gegenstands durch ein Signal, welches dadurch erhalten wird, daß die von dem Separator getrennten Lichtstrahlenbündel miteinander interferieren.