DE3816247C2

DE3816247C2 - Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten

Info

Publication number: DE3816247C2
Application number: DE3816247A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Nose; Minoru Yoshii; Yukichi Niwa; Ryo Kuroda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1988-05-11
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2008-05-12
Also published as: FR2615281A1; GB2205397A; GB8811133D0; DE3816247A1; GB2205397B; FR2615281B1; US5000572A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung einer Relativentfernung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten und insbesondere auf ein Entfernungsmeßsystem der Gitterinterferenz-Bauart (Gitterinterferometer).

Wie in den JP-Patent-OS Nr. 59-1 91 906 und Nr. 59- 1 91 907 offenbart ist, werden herkömmliche Gitterinterferenz- Entfernungsmeßvorrichtungen so angeordnet, daß ein kohärentes Licht von einer Lichtquelle durch einen Spiegel od. dgl. auf ein Beugungsgitter, das als ein Bezugsmaß wirkt, gerichtet wird, und Beugungslicht der positiven Ordnung n sowie Beugungslicht der negativen Ordnung n, die von diesem Beugungsgitter ausgehen, werden unter Verwendung von Winkelspiegeln (Corner-Cubes) zurück parallel zu ihren ankommenden Wegen reflektiert, so daß die reflektierten Beugungslichtstrahlen wieder auf das Beugungsgitter einfallen, an dem die beiden Beugungslichtstrahlen der positiven und negativen Ordnung n in der gleichen Richtung gebeugt werden, um eine gegenseitige Interferenz hervorzurufen, wobei die Intensität dieses Interferenzlichts mittels eines lichtelektrischen Fühlers ermittelt wird.

Bei der beschriebenen Anordnung ist der Winkelspiegel ein optisches Glied, das nicht leicht zu fertigen ist, weshalb es teuer ist. Auch ist die Justierung von optischen Gliedern, wie Spiegeln, kompliziert. Deshalb ist es bei der herkömmlichen Anordnung schwierig, den Aufbau einfach sowie kompakt zu machen und die Herstellungskosten zu vermindern.

Mit einem solchen Interferometer kann der Meßbereich oder Meßhub relativ groß ausgelegt werden, nämlich in der Größen ordnung von nicht weniger als 100 mm. Andererseits wird grundsätzlich die Entfernungsmessung unter Verwendung einer bestimmten Teilung als eine Einheitslänge, die durch optische Bedingungen, wie die Wellenlänge des Meßlichts, die Ordnung des Beugungslichts und den Polarisationszustand, bestimmt werden, durchgeführt. Demzufolge ist die Auflösung niedrig, weshalb die Genauigkeit mäßig ist, wenn eine winzige Entfernung in einer Größenordnung, die beispielsweise nicht größer als Submikron ist, gemessen werden soll.

Es ist demzufolge die primäre Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten zu schaffen, die in ihrem Aufbau einfach ist und eine leichte Justierung des Bausatzes zuläßt.

Ein Ziel der Erfindung ist hierbei darin zu sehen, eine Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten aufzuzeigen die eine Verminderung in den Größenabmessungen der Vorrichtung, eine Unterdrückung des Rauschens, Verbesserungen in der Meßgenauigkeit und einen großen Meßbereich ermöglicht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung einer Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten die gegen eine Änderung in der Wellenlänge einer Lichtquelle ohne die Verwendung von irgendeinem Winkelspiegel (Corner- Cube) stabil ist.

Die Aufgabe, die angegebenen und weitere Ziele wie auch die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten, wobei der Hauptteil der Vorrichtung als ein integrierter Kreis ausgebildet ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines wesentlichen Teils einer Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten in einer Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 1;

Fig. 3 eine Wellenform von Ausgängen von lichtelektrischen Fühlern, die bei der Vorrichtung von Fig. 2 zur Anwendung kommen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten in einer gegenüber Fig. 1 weiter abgewandelten Ausführungsform;

Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel, wobei die wesentlichen Teile einer Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten als ein "integrierter Kreis" ausgebildet sind. Bei diesem Beispiel sind ein optisches System und ein elektrisches Signalverarbeitungssystem, das dazu dient, Impulse in Übereinstimmung mit der Helligkeit/Dunkelheit des Interferenzlichts zu erzeugen, an einer Basisplatte aus GaAs ausgebildet.

Wie die Fig. 1 zeigt, ist eine dielektrische Wellenleiter schicht WG an dem GaAs-Basisteil SB ausgestaltet, wobei die Lichtwelle sich längs eines vorgegebenen optischen Weges fortpflanzt.

Die Lichtquelle LD kann an der GaAs-Basisplatte SB beispielsweise unter Anwendung eines molekularen Strahl- Epitaxieverfahrens ausgebildet werden. Ein als Lichtteilungseinrichtung dienendes Objektiv- und Strahlenteilerteil LS, das in der Wellenleiterschicht WG ausgebildet ist, dient dazu, ein divergierendes Licht von der Lichtquelle LD in ein paralleles Licht umzusetzen und dann dieses längs zweier Richtungen zu teilen. Als Lichtausgabeeinrichtungen dienende Gitterkoppler GC1 und GC2 wirken jeweils dahingehend, die durch den Dünnschichtwellenleiter WG fortgepflanzte Lichtwelle unter einem bestimmten Winkel nach außen zum äußeren Raum hin auszusenden.

Ein Bezugsbeugungsgitter GS wirkt dahingehend, die Lichtwellen von den Gitterkopplern GC1 und GC2 zur selben Richtung hin zu beugen. Ein Photodetektor PD ist dazu vorgesehen, die Interferenzlicht intensität des Beugungslichts vom Bezugsbeugungsgitter GS zu ermitteln.

Im folgenden wird die Arbeitsweise beschrieben.

Die Lichtwelle von der Lichtquelle LD wird durch den Wellen leiter WG fortgepflanzt, und mit Hilfe des Objektiv- und Strahlenteilerteils LS wird es in zwei parallele Lichtstrahlen LO1 und LO2 umgesetzt, die durch den Wellenleiter WG in unterschiedlichen Richtungen ausgebreitet werden. Jeder der Lichtstrahlen LO1 und LO2 wird innerhalb des Wellenleiters WG durch einen zugeordneten Spiegel MR1 und MR2 umgelenkt, so daß er parallel zur Längsrichtung des Bezugsgitters WS weitergeht. Die von den Spiegeln MR1 und MR2 reflektierten Lichtstrahlen fallen auf die Gitterkoppler GC1 und GC2. Jeder dieser Gitterkoppler wirkt dahingehend, die Lichtwelle die durch den Wellenleiter WG fortgepflanzt worden ist, von der Oberfläche der Basisplatte zur Außenseite hin unter einem vorbestimmten Winkel und durch die Wellenleiter oberfläche auszusenden. Dieser Winkel ist auf die Teilung oder den regelmäßigen Abstand des Bezugsgitters GS und die Wellenlänge des Lichts bezogen. Wenn ein Bezugsgitter mit einer Teilung p = 1,6 µm verwendet wird und wenn die Wellenlänge λ = 0,83 µm ist, dann ist der Emissionswinkel 58,8°.

Die beiden Lichtwellen von den Gitterkopplern GC1 und GC2 werden durch das Bezugsbeugungsgitter GS rechtwinklig gebeugt und fallen auf den Photodetektor PD, der die Interferenz intensität der beiden gebeugten Lichtstrahlen photoelektrisch umwandelt.

Im folgenden wird das Prinzip der Arbeitsweise als ein Entfernungsmeßgerät erläutert.

Die zum Äußeren hin durch die Gitterkoppler GC1 und GC2 ausgesandten Lichtwellen werden, wie gesagt wurde, durch das Bezugsgitter GS gebeugt. Die Intensitätsverteilung des hierbei erzeugten Beugungslichts kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

I = I₀ + I₁ cos [2π · X/{p/(m - n)}]

worin ist:

X: der Wert der relativen Änderung zwischen der Basis platte und dem Bezugsgitter,
p: die Teilung oder der regelmäßige Abstand des Bezugs beugungsgitters,
m: die Beugungsordnung des Lichts vom Gitterkoppler GC1 durch das Beugungsgitter,
n: die Beugungsordnung des Lichts vom Gitterkoppler GC2 durch das Beugungsgitter,
I₀: der Gleichstrompegel,
I₁: die Signalamplitude.

Es sei angenommen, daß m = +1, n= -1 und p = 1,6 µm sind, dann kann die Intensitätsverteilung I bestimmt werden durch:

I = I₀ + I₁ [cos 2π(X/0,8)]

Hieraus ist zu erkennen, daß jedesmal, wenn das Bezugsgitter GS sich um eine Teilung von 0,1 µm bewegt, ein Sinus wellensignal mit einer Periode erzeugt wird. Der Detektor PD zählt die Perioden dieser Sinuswellensignale, so daß die Größe der Bewegung des Bezugsgitters GS gemessen werden kann.

Das Entfernungsmeßgerät der Gitterinterferenz-Bauart der vorliegenden Erfindung hat eine Lichtquelle, optische Glieder und einen Ermittlungssystem-Verarbeitungskreis, die integriert auf derselben Basisplatte zusammengefaßt sind. Demzufolge kann die Größe vermindert und das Rauschen unterdrückt werden, womit folglich eine höhere Genauigkeit zu erlangen ist.

Im folgenden wird die Einrichtung zur Ermittlung der Bewegungsrichtung des Bezugsgitters GS erläutert.

Um die Bewegungsrichtung zu ermitteln, ist es notwendig, zwei Signale zu erhalten, deren Phasen relativ um einen einem Viertel der Periode entsprechenden Wert verschoben sind.

Ein spezielles Beispiel ist in Fig. 2 dargestellt, wobei das Bezugsgitter GS durch zwei Gitterreihen GL1 und GL2 gebildet ist, deren Phasen relativ mit Bezug zur Bewegungs richtung des Bezugsgitters GS um einen Wert, der ¼ × (m-n) der Gitterteilung entspricht, verschoben sind. Zusätzlich sind an der Basisplatte SB zwei lichtelektrische Fühler PD1 und PD2 ausgebildet, die den beiden Gitter reihen zugeordnet sind.

Die Beugungslichtstrahlen von den Gitterreihen GL1 und GL2 werden jeweils von einem der Fühler PD1 und PD2, die räumlich getrennt sind, empfangen. Dadurch sind Signale, deren Phasen relativ um ¼ der Periode verschoben sind, wie in Fig. 3 gezeigt ist, zu erhalten.

Die Fig. 4 zeigt ein Beispiel, wobei ein Entfernungsmeßgerät der Gitterinterferenz-Bauart als eine optische Überlagerungs-(Heterodyn-)Meßvorrichtung vorgesehen ist.

Bei diesem Beispiel ist eine Frequenzverschiebeeinrichtung FS, die beispielsweise eine akustische Oberflächenwellen vorrichtung umfaßt, in der Mitte des Strahlenganges angeordnet, so daß eine Lichtwelle, deren Frequenz mit Bezug zur Frequenz f₀ des Ausgangslichts von der Lichtquelle LD um einen Wert Δf, der der Schwingfrequenz eines Oszillators OSC entspricht, verschoben. Lichtwellen der Frequenz f₀ und der Frequenz f₀ + Δf werden auf Gitterkoppler GC1 und GC2 projiziert und über diese Koppler auf ein Bezugsgitter GS, das eine einzelne Gitterreihe hat, geworfen. Das durch das Bezugsgitter GS gebeugte Licht wird von einem Photodetektor PD empfangen.

Das Signal, das unmittelbar durch den Photodetektor PD erhalten werden kann, kann ausgedrückt werden, wie folgt:

I = I₀ + I₁ cos[2 πΔft - 2π X/{p/(m - n)}]

Hieraus ist zu sehen, daß durch Ermitteln einer Phasendifferenz mit Bezug zu einem Ausgangssignal vom Oszillator OSC unter Verwendung eines Phasenermittlungskreises PSD die Größe der Bewegung des Bezugsgitters GS und dessen Bewegungs richtung wie bei der vorherigen Ausführungsform ermittelt werden kann.

Eines der Merkmale der Vorrichtung gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform liegt darin, daß keine Notwendigkeit zur Verwendung eines speziellen Gitters (s. beispiels weise Fig. 2) für die Unterscheidung der Bewegungs richtung besteht. Zusätzlich ist in einer kurzen Zeitspanne die Mittelwertbildung mit Bezug zur Zeit zu erlangen. Deshalb kann die Größe oder der Wert der Bewegung sehr genau ermittelt werden.

Bei den Entfernungsmeßvorrichtungen der Ausführungsformen von Fig. 1 und 4, die als integrierte Kreise ausgebildet sind, wird als Basisplatte SB ein GaAs-Bauteil verwendet, jedoch kann das Basisteil auch aus Si gefertigt werden. In diesem Fall kann die Lichtquelle LD außerhalb vorgesehen werden.

Wie beschrieben wurde, wird durch die integrierte Ausbildung eines optischen Systems (ausschließlich eines Bezugsgitters) und eines elektrischen Signalverarbeitungssystems auf einem einzigen Basisteil in einer Entfernungsmeßvorrichtung der Gitterinterferenz-Bauart die Notwendigkeit der Justierung der Baugruppe beseitigt und kann die Vorrichtung gegen eine Störung stabil ausgebildet werden. Ferner können die Größe und das Gewicht der Vorrichtung vermindert werden, während eine Messung mit hoher Präzision gewährleistet wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung von zwei zueinander relativ bewegbaren Objekten, gekennzeichnet durch
eine Lichtquelle (LD), die an einem Objekt vorgesehen ist, um Licht auszusenden,
ein an dem einen Objekt vorgesehenes optisches integriertes Element (LS, MR1, MR2, GC1, GC2,) zur Teilung des Lichts von der Lichtquelle in zwei Lichtstrahlen und zur Leitung dieser Lichtstrahlen auf ein am anderen Objekt vorgesehenes Beugungsgitter (GS),
eine Erfassungseinrichtung, die eine Änderung in der Intensität des durch das Beugungsgitter (GS) gebeugten Licht entsprechend der optischen Interferenz erfaßt, und
eine Auswerteeinrichtung, die eine Relativbewegung des einen und anderen Objekts aufgrund der Ermittlung der Erfassungseinrichtung ermittelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische integrierte Element, das an dem einen Objekt an einer Position vorgesehen ist, die dem anderen Objekt gegenüberliegt, folgende Einrichtungen umfaßt:
eine Basisplatte (SB), eine an der Basisplatte (SB) ausgebildete Wellenleiterschicht (WG),
eine in der Wellenleiterschicht (WG) vorgesehene Lichtteilungseinrichtung (LS), die das Licht von der Lichtquelle (LD) in zwei Lichtstrahlen (LO1, LO2) aufteilt, und
Lichtausgabeeinrichtungen (MR1, GC1, MR2, GC2), die ein Aussenden eines jeden der von der Lichtteilungseinrichtung (LS) bestimmten Lichtstrahlen (LO1, LO2) nach außerhalb von der Wellenleiterschicht (WG) entlang einer vorbestimmten Richtung herbeiführen, wobei
das am anderen Objekt vorgesehene Beugungsgitter (GS), das an einer Position vorgesehen ist, die dem optischen integrierten Element gegenüberliegt, die von den Lichtausgabeeinrichtungen (MR1, GC1, MR2, GC2) ausgesandten Lichtstrahlen (LO1, LO2) empfängt und beugt,
die Erfassungseinrichtung eine Photodetektoreinrichtung (PD) darstellt, die eine Änderung der Lichtintensität erfaßt, die durch die Interferenz der vom Beugungsgitter (GS) gebeugten Lichtstrahlen verursacht wird, und
die Auswerteeinrichtung die Relativbewegung der beiden Objekte auf der Grundlage von Signalen der Photodetektor einrichtung (PD) ermittelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (LD) an der Basisplatte (SB) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (GS) zwei Beugungsgitterelementreihen (GL1, GL2) umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie gegenseitig um einen Größenwert verschoben sind, der einem Viertel der Periode der Änderung in der Lichtintensität entspricht, die auf die Interferenz der Beugungslichtstrahlen zurückzuführen ist, und wobei die Photodetektoreinrichtung (PD) geeignet ist, die Änderungen in der Lichtintensität der Beugungslichtstrahlen von den beiden Beugungsgitterelementen (GL1, GL2) unabhängig voneinander zu ermitteln.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch
eine Frequenzverschiebeeinrichtung (FS), die die Frequenz von einem der beiden durch die Lichtteilungseinrichtung (LS) erzeugten Lichtstrahlen (LO1, LO2) verschiebt, und
eine Phasenermittlungseinrichtung (PSD), die einen Phasenunterscied des Ausgangssignales der Photodetektoreinrichtung (PD) mit Bezug zu der durch die Frequenzverschiebeeinrichtung (FS) verschobenen Frequenz erfaßt, um die Richtung der Relativbewegung der beiden Objekte zu ermitteln.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Objekt einen einzigen integrierten Kreis (MH) trägt, der sowohl die wesentlichen optischen Elemente als auch ein elektrisches Signalverarbeitungssystem (ED) beinhaltet und daß das andere Objekt ein einzelnes Bezugs-Beugungsgitter (GS) trägt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Teil des integrierten Elements (MH) in einer, an einer Basisplatte (SB) ausgebildeten Wellenleiterschicht (WG) folgende Elemente umfaßt:
eine Lichtquelle (LD),
eine Lichtteilungseinrichtung (LS), die ein Licht von der Lichtquelle (LD) in zwei Lichtstrahlen (LO1, LO2) teilt,
Lichtausgabeeinrichtungen (MR1, MR2, GC1, GC2), die ein Aussenden eines jeden der beiden durch die Lichtteilungseinrichtung (LS) bestimmten Lichtstrahlen nach außerhalb von der Wellenleiterschicht (WG) und in einer vorbestimmten Richtung herbeiführen, sowie eine Photodetektoreinrichtung (PD), die eine Änderung in der Lichtintensität ermitelt, die durch die Interferenz der vom Bezugs-Beugungsgitter (GS) austretenden Lichtstrahlen erzeugt wird.