DE3816248C2

DE3816248C2 - System zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE3816248C2
Application number: DE3816248A
Authority: DE
Inventors: Minoru Yoshi; Noriyuki Nose; Yukichi Niwa; Ryo Kuroda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1988-05-11
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2008-05-12
Also published as: GB8811132D0; DE3816248A1; FR2615280A1; GB2205942A; GB2205942B; FR2615280B1; US5122660A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen einer Änderung in der Relativlage eines ersten und zweiten relativ zueinander bewegbaren Gegenstandes mit einer ersten Erfassungseinrichtung mit einer relativ groben Auflösung zum Erfassen einer Änderung in der Relativlage zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand in der Längeneinheit einer vorgegebenen Teilung und einer zweiten Erfassungseinrichtung mit einer relativ feinen Auflösung, die in der Lage ist, eine Änderung der Relativlage zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand über eine Entfernung zu erfassen, die kleiner ist als die vorgegebene Teilung.

Laser- oder Gitterinterferometer wurden in herkömmlicher Weise für eine Entfernungsmessung mit hoher Präzision verwendet. Beispiele für Entfernungsmeßsysteme der Gitterinterferenz-Bauart (interferometrische Systeme) sind in den JP-Patent-OS Nr. 59-191 906 und Nr. 59-191 907 offenbart. Mit einem solchen Interferometer kann der Meßbereich oder Meßhub relativ groß ausgelegt werden, nämlich in der Größenordnung 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.

Im Hinblick hierauf wurde vorgeschlagen, in einem Gitterinterferometer beispielsweise ein Signal, das durch die optischen Bedingungen bestimmt ist, wie die Ordnung des Beugungslichts und den Zustand der Polarisation, elektrisch zu teilen und zu verarbeiten, um dadurch die Auflösung zu verbessern. Eine solche elektrische Teilung führt jedoch zu einer Möglichkeit des Auftretens eines Fehlers aufgrund irgendeiner Änderung in der Lichtmenge, irgendeiner Änderung in der Beugungsleistung usw.

Bei inkrementalen Längenmeßsystemen ist die Auflösung durch die Gitterkonstante der benutzten Präzisionsmaßstäbe begrenzt. Es sind bereits inkrementale Längenmeßsysteme bekannt, bei denen insbesondere durch elektronische Maßnahmen kleinere Digitalschritte erreicht werden. Ein Beispiel dafür ist der DE 27 29 697 A1 entnehmbar, die ein Verfahren zur Interpolation beschreibt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erfassen einer Änderung in der Relativlage eines ersten und zweiten relativ zueinander bewegbaren Gegenstandes zu schaffen, die eine besonders hohe Meßgenauigkeit bei einem großen Meßbereich besitzt.

Die Aufgabe, die oben genannten Ziele wie auch wei tere Ziele, die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausfüh rungsformen des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Entfer nungsmeßvorrichtung in einer Ausführungsform gemäß der Erdung, die in eine einachsige bewegbare Bühne eingebaut ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus ei nes Entfernungsmeßkopfes, der bei der Vorrichtung von Fig. 1 zur Anwendung kommt;

Fig. 3 Darstellungen von Wellenformen, die die Aus gänge von bei dem Kopf von Fig. 2 verwendeten Photo detektoren zeigen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktion eines Entfernungsmeßsystems der Gitter interferenz-Bauart, das in Fig. 2 gezeigt ist;

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Drehung der Polarisationsrichtung des durch die Anordnung nach Fig. 4 ermittelten Lichts;

Fig. 6 eine Darstellung von Wellenformen, die Signale mit Phasen von 0° und 180° für die Anordnung nach Fig. 4 zeigen;

Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Einrichtung zum Herausziehen von Signalen mit Phasen von 0° und 180° bei der Anordnung nach Fig. 4;

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktion eines selbstfokussierenden, bei der Vor richtung von Fig. 2 verwendeten Entfernungsmeßsy stems;

Fig. 9 eine schematische Darstellung zum Zustand eines an einer Stellungsfühlerfläche in Übereinstim mung mit der Lage eines Planspiegels erzeugten Licht flecks und einer Verteilung einer Lichtmenge;

Fig. 10 eine Kurvendarstellung über die Beziehung zwischen einem Differentialsignal ΔI (= I_A - I_B), das vom Ausgang des Stellungsfühlers zu erhalten ist, und der Lage des Planspiegels (d. h. den Defokussierwert);

Fig. 11 einen Flußplan für die Arbeitsweise der Ent fernungsmeßvorrichtung in der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 12 eine Darstellung von Ausgangssignalen eines Entfernungsmeßsystems der Gitterinterferenz-Bauart, das in der Entfernungsmeßvorrichtung von Fig. 1 zur Anwendung kommt;

Fig. 13 ein Kurvenbild eines Ausgangssignals eines selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems, das in der Entfernungsmeßvorrichtung von Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Ausfüh rungsform, wobei die Bauteile der Entfernungsmeßvor richtung als eine Entfernungsmeßeinheit zusammenge baut sind;

Fig. 15 einen Flußplan zur Arbeitsweise der Entfer nungsmeßeinheit in der Ausführungsform nach Fig. 14;

Fig. 16 ein Kurvenbild über die Beziehung zwischen Gitterinterferenz-Entfernungsmeß-Impulssignalen und der selbstfokussierenden Entfernungsmeß-Ausgangss pannung in der Entfernungsmeßeinheit der Ausfüh rungsform nach Fig. 14;

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Ausfüh rungsform, wobei mehrere Entfernungsmeßeinheiten jeweils der in Fig. 14 gezeigten Bauart mit einer zwei achsigen bewegbaren Vorrichtung verwendet werden;

Fig. 18 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei ein inter ferometrisches Laser-Entfernungsmeßsystem als ein Entfernungsmeßsystem der Interferenz-Bauart verwen det wird;

Fig. 19 eine Darstellung zu Einzelheiten eines opti schen Entfernungsmeßsystems, das an einer Feinbewe gungsbühne, die in die Ausführungsform von Fig. 18 eingegliedert ist, vorgesehen ist;

Fig. 20 eine schematische Darstellung einer Ausfüh rungsform, wobei ein Gitter mit einem Bereich maxima ler Intensität für die selbstfokussierende Entfernungs messung verwendet wird;

Fig. 21 eine abgebrochene perspektivische Darstel lung eines Bezugs-Bauteils, an dem Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität (Maximalintensitätsgitter) ausgebildet sind;

Fig. 22 eine schematische Darstellung zur Erläute rung der Lagebeziehung zwischen dem Maximalintensi tätsgitter und dem selbstfokussierenden Entfernungs meßsystem in der Ausführungsform nach der Fig. 20;

Fig. 23 eine schematische Darstellung zur Beziehung zwischen dem Ausgang-Impulsfolgesignal des interfero metrischen Gitter-Entfernungsmeßsystem und dem Ausgang des selbstfokussierenden Entfernungsmeßsy stems in der Ausführungsform nach der Fig. 20;

Fig. 24 eine schematische Darstellung zur Erläute rung der Beziehung zwischen der Position eines Bezugs bauteils und dem Zustand einer Signalschaltung für das selbstfokussierende Entfernungsmeßsignal in einer ge genüber Fig. 18 abgewandten Ausführungsform;

Fig. 25 eine schematische Darstellung zur Erläute rung der Lagebeziehung zwischen einem Maximalinten sitätsgitter und einem selbstfokussierenden Entfer nungsmeßsystem in einer gegenüber derjenigen von Fig. 18 abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 26 eine schematische Ansicht des Aufbaus einer interferometrischen Beugungsgitter-Entfernungsmeß vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei kein Winkelspiegel verwendet wird;

Fig. 27 Wellenformen, die die Ausgänge von bei der Vorrichtung von Fig. 26 verwendeten lichtelektrischen Fühlern darstellen;

Fig. 28 eine schematische Darstellung zur Erläute rung des Zustandes von Beugungslicht, wenn sich die Ausgangswellenlänge einer Lichtquelle ändert, im Fall der Entfernungsmeßvorrichtung in der Ausführungs form von Fig. 26;

Fig. 29 eine Wellenform-Darstellung, die Ausgänge von den lichtelektrischen Fühlern der Fig. 26 zeigt, wenn die Wellenlänge eines Lichts von der Lichtquelle verschoben wird;

Fig. 30 eine schematische Darstellung einer Beu gungsgitter-Entfernungsmeßvorrichtung in einer weite ren Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei der Hauptteil der Vorrichtung als ein integrierter Kreis aus gebildet ist;

Fig. 31 eine vergrößerte Darstellung eines wesentli chen Teils einer Entfernungsmeßvorrichtung in einer Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 30;

Fig. 32 eine Wellenformdarstellung von Ausgängen von lichtelektrischen Fühlern, die bei der Vorrichtung von Fig. 31 zur Anwendung kommen;

Fig. 33 eine schematische Darstellung einer Entfer nungsmeßvorrichtung in einer gegenüber Fig. 30 abge wandelten Ausführungsform;

Fig. 34 eine schematische, perspektivische Darstel lung einer Gitterinterferenz-Entfernungsmeßvorrich tung in einer noch weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei ein Wollaston-Prisma zur Anwen dung kommt;

Fig. 35 eine schematische Darstellung zur Erläute rung der Funktion des Wollaston-Prismas der Vorrich tung von Fig. 34;

Fig. 36 eine schematische Darstellung einer Gitterin terferenz-Entfernungsmeßvorrichtung in einer noch weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei Licht durch ein Entfernungsmeß-Bezugsgitter viermal tritt, um die Auflösung des Systems zu steigern.

Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungs formen wird zuerst auf die Fig. 1 Bezug genommen, die eine Entfernungsmeßvorrichtung von hoher Präzision und hoher Auflösung in einer ersten erfindungsgemä ßen Ausführungsform zeigt, wobei die Meßvorrichtung in eine einachsige Bühne eingegliedert ist. Bei dieser Meßvorrichtung werden ein interferometrisches Gitter- Entfernungsmeßgerät und eine Fokusermittlungsein richtung, die in einer selbstfokussierenden Vorrichtung zur Anwendung kommen kann, in Kombination ver wendet. Der Zwischenraum zwischen Impulssignalen, die mit regelmäßigen, durch die optische Anordnung des Entfernungsmeßgeräts der Gitterinterferenz-Bau art erzeugt werden, wird durch Verwendung von Fokus meßausgängen von der Fokusermittlungseinrichtung ergänzt oder komplementiert, so daß die Auflösung er höht wird, während die hohe Präzision des Entfernungs meßgeräts der Gitterinterferenz-Bauart beibehalten wird. Als Ergebnis dessen sind sowohl die hohe Präzi sion als auch die hohe Auflösung zu erhalten.

Die Fig. 1 zeigt eine bewegbare Bühne oder einen bewegbaren Tisch SR, ein als Bezugsmaß verwendbares Beugungsgitter GS, einen Meßkopf MH zur maßlichen Erfassung der Bewegungsgröße der bewegbaren Bühne SR mit Bezug zum Beugungsgitter GS, ein Paar von Führungen RG, eine Verstellspindel SS, einen Antriebs motor MT und einen Motortreiber MTD. Die Führun gen RG und das Beugungsgitter GS sind fest an einer Richtplatte SP angebracht, so daß sie sich parallel zur Bewegungsrichtung erstrecken. Die bewegbare Bühne SR ist längs der Führungen RG in der Pfeilrichtung A durch die Wirkung der Verstellspindel SS, die durch den Motor MT in Umdrehung versetzt wird, bewegbar.

Die Fig. 2 zeigt Einzelheiten für den Aufbau des Meß kopfes MH.

An der Richtplatte SP ist die bewegbare Bühen SR für eine Bewegung gelagert. Das Beugungsgitter GS ist fest an dieser Richtplatte angeordnet, so daß es sich parallel zur Bewegungsrichtung A der bewegbaren Bühne SR erstreckt. An der bewegbaren Bühne SR ist ein Planspiegel PM, dessen Spiegelfläche rechtwinklig zur Bewegungsrichtung A der Bühne angeordnet ist, befestigt. Darüber hinaus ist an der bewegbaren Bühne SR eine Feinbewegungsbühne (selbstfokussierende Bühne) AFS vorgesehen. Diese Feinbewegungsbühne AFS ist mit der bewegbaren Bühne SR durch einen Feinbewegungsmechanismus, wie beispielsweise einen piezoelektrischen Antriebsmechanismus FD, in Wirk verbindung. Mittels dieses Feinbewegungsmechanismus FD ist die Feinbewegungsbühne AFS mit einem winzi gen Größenwert relativ zur bewegbaren Bühne SR in der Pfeilrichtung B, die dieselbe Bewegungsrichtung wie die der bewegbaren Bühne SR (Pfeilrichtung A) ist, be wegbar. An der Feinbewegungsbühne AFS ist ein opti sches Entfernungsmeßsystem angeordnet, das ein Ent fernungsmeßsystem der Gitterinterferenz-Bauart und ein selbstfokussierendes Entfernungsmeßsystem um faßt.

Das optische Entfernungsmeßsystem umfaßt eine Lichtquelle LD, die ein Halbleiterlaser oder dgl. sein kann, ein Kollimatorobjektiv CL, Strahlenteiler HM1 und HM2, Phasenplatten FP1 und FP2, prismatische Spiegel oder Winkelspiegelprismen (Corner-Cube-Pris men) CC1 und CC2, einen Strahlenteiler BS, Photode tektoren (lichtelektrische Fühler) PD1 und PD2, eine Objektivlinse LN, einen optischen Stellungsfühler PS und weitere Bauteile. Die Anzahl der optischen Bauteile wird erwünschterweise vermindert, indem z. B. die Lichtquelle LD sowie das Kollimatorobjektiv CL beide für das Entfernungsmeßsystem der Gitterinterferenz- Bauart und das selbstfokussierende Entfernungsmeßsy stem gemeinsam verwendet werden.

In Fig. 2 wird ein von der Lichtquelle LD ausgesand ter Lichtstrahl durch das Kollimatorobjektiv CL kolli miert und dann in zwei Strahlen durch den Strahlentei ler HM1 geteilt. Einer der abgeteilten Lichtstrahlen wird auf die Objektivlinse LN projiziert, während der andere durch den Strahlenteiler HM2 auf das Beu gungsgitter GS projiziert wird.

Das auf das Beugungsgitter GS einfallende Licht wird durch dieses gebeugt, was zum Ergebnis hat, daß die Phase δ des Beugungsgitters GS zur Beugungswellen oberfläche oder -front addiert wird. Wenn die anfängli che Phase des einfallenden Lichts 0 ist, kann die Phase der Beugungswelle ausgedrückt werden durch "exp[i(ωt + mδ)]", worin ω die optische Frequenz und m die Beugungsordnung sind. Beispielsweise werden Licht der positiven 1. Ordnung und der negativen 1. Ordnung jeweils ausgedrückt als "exp[i(ωt + δ)]" bzw. "exp[i(ωt - δ)]". Der Lichtstrahl L11, der das Licht positiver 1. Ord nung ist, und der Lichtstrahl L12, der das Licht negati ver 1. Ordnung ist, treten jeweils durch die Phasenplat ten (λ/8-Plättchen) FP1 bzw. FP2 und werden auf die Winkelspiegel CC1 bzw. CC2 projiziert, durch die je der einfallende Lichtstrahl in einer zur Einfallsrichtung parallelen und entgegengesetzten Richtung reflektiert wird. Die reflektierten Lichtstrahlen L11 und L12 tre ten wiederum durch die Phasenplatten FP1 bzw. FP2 in umgekehrten Richtungen. Als Ergebnis dessen werden sie in zirkular polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt, die jeweils im und entgegen dem Uhrzeigersinn polari siert sind, und sie werden wieder an einem Punkt P2 am Beugungsgitter, der vom Punkt P1 am Gitter in der Bewegungsrichtung (Pfeilrichtung A) der bewegbaren Bühne SR beabstandet ist, gebeugt. Anschließend treten diese Strahlen durch den Strahlenteiler HM2, worauf sie auf den Strahlenteiler BS projiziert werden. Jeder der auf den Strahlenteiler BS einfallenden Lichtstrahlen L11 und L12, die zirkular polarisierte Eigenschaften (polarisiert im oder entgegen dem Uhrzeigersinn) ha ben, wird in zwei Strahlen geteilt, wobei die geteilten beiden Lichtstrahlen durch den Strahlenteiler BS über tragen bzw. reflektiert werden. Das durchfallende Licht L_R1 sowie L_R2 und das reflektierte Licht L_S1 sowie L_S2 tritt dann durch (nicht gezeigte) Polarisationsplatten, deren Übertragungsachsen unter 45° mit Bezug zuein ander geneigt sind, so daß linear polarisierte Kompo nenten dieser Lichtstrahlen herausgezogen werden. So mit interferieren die durchfallenden Lichtstrahlen mit einander und werden auf den Photodetektor PD1 proji ziert, während die reflektierten Lichtstrahlen miteinan der interferieren und auf den Photodetektor PD2 proji ziert werden.

Da die Photodetektoren PD1 und PD2 die polari sierten Komponenten der zwei zirkular polarisierten Lichtstrahlen mit Hilfe der Polarisationsplatten, deren Übertragungsachsen unter 45° zueinander geneigt sind, in Form der Interferenzlichtintensität erfassen, zeigen die Ausgänge R und S der Photodetektoren PD1 und PD2, wenn der Meßkopf MH(selbstfokussierende Büh ne AFS) relativ zum Beugungsgitter GS bewegt wird, einen Phasenunterschied von 90°, wie das in den beiden oberen Teilen (a) und (b) der Fig. 3 dargestellt ist. Unter Verwendung von (nicht gezeigten) elektrischen Schal tungen und auf der Basis eines vorbestimmten Pegels werden diese beiden Signale R und S binär verarbeitet (binär kodiert), wie das in den Teilen (c) und (d) von Fig. 3 dargestellt ist. Vier Impulse pro einer Periode werden an den Zeitpunkten des Anstiegs und Abfalls der binär verarbeiteten Signale erzeugt, wie im Teil (e) von Fig. 3 gezeigt ist. Durch Zählen der Anzahl der Impulse ist es möglich, die Größe der Relativbewegung zwischen dem Meßkopf MH und dem Beugungsgitter GS zu messen. In diesem Fall ändert sich für die Relativbewegung mit einem Wert, der einer Teilung (einem regelmäßigen Ab stand) des Beugungsgitters GS entspricht, die Interfe renz-Lichtintensität über vier Zyklen, so daß 16 Impulse erzeugt werden. Zur Zeit der Zählung der Impulse wird auch die Richtung der Relativbewegung ermittelt, und in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Ermittlung wird bestimmt, ob die gezählte Anzahl addiert oder sub trahiert werden soll oder nicht. Die Bewegungsrichtung kann von dem Pegel eines jeden Signals, die in den Teilen (c) und (d) der Fig. 3 gezeigt sind, der zum Zeit punkt der Erzeugung eines jedem im Teil (e) von Fig. 3 gezeigten Impulses hervorgerufen wird, diskriminiert werden. Wenn beispielsweise der Pegel des im Teil (d) gezeigten Signals, das zum Zeitpunkt des Abfalls des Signals, das im Teil (c) gezeigt ist, erzeugt wird, "hoch" ist in einem Fall, da die Bewegung in der positiven Rich tung verläuft, wird dieser Pegel "niedrig" in einem Fall, da die Bewegung in der negativen oder umgekehrten Richtung verläuft.

Die Signale R und S, die in den Teilen (a) und (b) der Fig. 3 gezeigt sind, können addiert und subtrahiert wer den, um Signal "R + S" und "R - S" zu erzeugen, die Pha senunterschiede von 45° mit Bezug zu den Signalen R und S haben. Diese Signale können binär in einer gleich artigen Weise verarbeitet werden, so daß zu den Zeit punkten eines Anstiegs und Abfalls Impulse erzeugt werden. Durch dieses Vorgehen ist es möglich, 32 Im pulse für die Bewegung mit einem Wert, der einer Tei lung des Beugungsgitters GS entspricht, zu erhalten.

Die Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Messung im Gitterinterfe renz-Meßgerät, das in der in Rede stehenden Ausfüh rungsform verwendet wird.

Gemäß Fig. 4 wird ein kohärentes, auf das Beugungs gitter GS einfallendes Licht gebeugt, um gebeugte Lichtstrahlen einer positiven und negativen 1. Ordnung zu erzeugen. Die Phasen dieser gebeugten Lichtstrahlen ändern sich mit der Bewegung des Gitters GS und mit der Bewegungsrichtung. Wenn sich das Beugungsgitter GS in der X-Richtung um einen einer Gitterteilung ent sprechenden Wert bewegt, wie in der Fig. 4 gezeigt ist, geht die Phase des Beugungslichts L11 der positiven 1. Ordnung um einen einer Wellenlänge entsprechenden Wert vorwärts, während sich die Phase des Beugungs lichts L12 negativer 1. Ordnung um einen eine Wellen länge entsprechenden Wert verzögert. Die Beugungs lichtstrahlen L11 und L12 werden durch Winkelspiegel CP1 und CP2 zurück reflektiert. Da sie erneut durch das Gitter GS gebeugt werden, geht die Phase des Beu gungslichts L11 der positiven 1. Ordnung weiter um einen einer Wellenlänge entsprechenden Wert vor wärts, während sich die Phase des Beugungslichts L12 der negativen 1. Ordnung um einen einer Wellenlänge entsprechenden Wert verzögert. Demzufolge zeigt das interferierende, als ein Ergebnis der letztlichen Zusam menfassung oder Kombination der Lichtstrahlen L11 und L12 gebildete Licht, wenn sich das Beugungsgitter GS um eine Teilung (einen regelmäßigen Abstand) von diesem bewegt, eine Helligkeits- und Dunkelheitsände rung in vier Malen, d. h. vier Helligkeitsspitzen sind zu erkennen. Demzufolge tritt, wenn eine Teilung des Beu gungsgitters 1,6 µm beträgt, eine Helligkeits- und Dun kelheitsänderung pro der Bewegung mit einem einem Viertel von 1,6 µm entsprechenden Wert ein, d. h. pro der Bewegung über 0,4 µm. Durch eine photoelektri sche Umwandlung dieser Helligkeits- und Dunkelheits änderungen und durch ein Zählen dieser sind Impulse zu erhalten, von denen jeder für die Bewegung über 0,4 µm erzeugt wird. Bei dem Entfernungsmeßsystem der Inter ferenz-Bauart in der Ausführungsform von Fig. 2, das oben beschrieben wurde, kann, um die Auflösung weiter zu steigen, eine elektrische Verarbeitung nach Wunsch ausgeführt werden, so daß entweder 16 oder 32 Impulse pro einer Teilung des Beugungsgitters erzeugt werden, d. h., es kann ein Impuls für jede Bewegung über entwe der 0,1 µm oder 0,05 µm erzeugt werden.

Im folgenden wird auf die Art und Weise der Ermitt lung der Richtung des Entfernungsmeßgeräts der Git terinterferenz-Bauart eingegangen.

Um die Entfernungsmeßrichtung zu ermitteln, ist es notwendig, zwei Signale mit einer Phasendifferenz von 90° zwischen diesen herauszuziehen.

Wenn, wie in Fig. 4 gezeigt ist, ein linear polarisiertes kohärentes Licht auf ein λ/4-Plättchen QW1 oder WQ2 mit einem Winkel von 45° mit Bezug zu dessen starker Achse projiziert und dann durch das λ/4-Plättchen ge führt wird, kann das Licht in ein zirkular polarisiertes Licht umgewandelt werden.

Wenn ein Beugungslicht von positiver 1. Ordnung und ein Beugungslicht von negativer 1. Ordnung in beispiels weise zirkular polarisierte Lichtstrahlen, die im bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn polarisiert sind, umgewan delt wird und wenn diese Lichtstrahlen zusammenge faßt werden, dann wird das kombinierte Licht ein linear polarisiertes Licht.

Die Polarisationsrichtung eines solchen linear polari sierten Lichts wird durch den Phasenunterschied Φ zwi schen den gebeugten Lichtstrahlen der positiven und negativen 1. Ordnung bestimmt.

Wenn ein zirkular polarisiertes Licht, das entgegen dem Uhrzeigersinn polarisiert ist und von einem Beu gungslicht positiver 1. Ordnung erhalten wird, ausge drückt wird durch:

y₊ = a exp[i(ωt - Φ/2)]

x₊ = a exp[i(ωt - π/2 - Φ2)]

und wenn ein zirkular, entgegen dem Uhrzeigersinn po larisiertes Licht, das von einem Beugungslicht negativer 1. Ordnung erhalten wird, ausgedrückt wird durch:

y_- = a exp[i(ωt + Φ/2)]

x_- = a exp[i(ωt - π/2 + Φ/2)]

dann kann die ebene Welle, die durch Kombination die ser Lichtstrahlen erhalten wird, ausgedrückt werden, wie folgt:

y = y₊ + y_- = a [exp(iΦ/2) + exp(-i/Φ2)]

x = x₊ + y_- = a [exp(iΦ/2) - exp(-i/Φ2)]

Hieraus ist zu sehen, daß, wie in Fig. 5 gezeigt ist, das resultierende Licht ein polarisiertes Licht ist, dessen Po larisationsrichtung Θ gleich Φ/2 ist.

In den obigen Gleichungen ist a die Amplitude einer Lichtwelle und ω die Winkelfrequenz der Lichtwelle.

Hieraus ist zu ersehen, daß dann, wenn die Teilung des Gitters GS durch p bezeichnet wird, die Bewegung des Gitters GS über eine Strecke x einen Phasenunter schiede Φ zwischen den Beugungslichtstrahlen der posi tiven und negativen 1. Ordnung hervorruft, der ausge drückt werden kann, wie folgt:

Φ = 2π[x/(p/4)] = (8π/p)x

Deshalb ist die Polarisationsrichtung Θ der kombi nierten Welle der Beugungslichtstrahlen der positiven und negativen 1. Ordnung durch die folgende Gleichung gegeben:

Θ = (4π/p)x

Die kombinierte Welle dieser linear polarisierten Lichts wird durch einen Strahlenteiler HM3 in zwei Wellen oder Lichtstrahlen geteilt, wie die Fig. 4 zeigt, und die geteilten Lichtstrahlen werden durch Polarisa tionsplatten PP1 und PP2 geführt und fallen dann auf Detektoren PD1 bzw. PD2. Wenn ein Unterschied von 45° zwischen den Übertragungsachsen der beiden Pola risationsplatten PP1 sowie PP2 vorgesehen wird und wenn beispielsweise der Detektor PD1, der hinter der ersten Polarisationsplatte PP1 angeordnet ist, eine ma ximale Lichtmenge bei Θ = 0 erfaßt, dann wird die Licht menge am Detektor PD2, der hinter der zweiten Polari sationsplatte PP2 angeordnet ist, ein Maximum, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

π/4 = (4πx)/p

das heißt,

x = p/16 = (p/4)(1/4)

Somit hat das Signal vom Detektor PD2 einen Pha senunterschied von 90° im Vergleich mit dem Signal vom Detektor PD1, das mit Hilfe der ersten Polarisa tionsplatte erzeugt wird. Demzufolge ist es möglich, die Meßrichtung zu unterscheiden.

Im folgenden wird auf die Art und Weise, wie Impuls signale mit einer höheren Reproduzierbarkeit (Wieder holungsgenauigkeit) erlangt werden, eingegangen.

Wie später noch erläutert werden wird, ist die Genau igkeit (Auflösung) des Entfernungsmeßgeräts in der Ausführungsform von Fig. 1 beispielsweise in einer Größenordnung von 0,01-0,002 µm. Um den Vorteil der hohen Genauigkeit dieses selbstfokussierenden Ent fernungsmeßsystems zu nutzen, ist es notwendig, daß Impulssignale mit einer hohen Wiederholungsgenauig keit im Entfernungsmeßsystem der Interferenz-Bauart erzeugt werden. Insbesondere wird die Wiederholungs genauigkeit, die nicht größer als 0,002 µm ist, und das ist die durch die Selbstfokussierung auflösbare Genauig keit, gefordert.

In einem System, in dem die Impulsanzahl pro einer Teilung eines Gitters durch elektrische Verarbeitung erhöht wird, wie vorher beschrieben wurde, sind die eine Verschlechterung in der Genauigkeit hervorrufen den Faktoren die Änderung in der Lichtmenge, die Än derung in der Beugungsleistung usw. Wenn beispiels weise eine Änderung in einem Gleichstrompegel oder in 2 der Amplitude in den Signalen R und S, die in den Teilen (a) und (b) von Fig. 3 gezeigt sind, auftritt, dann ändert sich die Schnittposition V_SR oder V_SS mit einem Ergebnis in der Verschlechterung der Wiederholungsgenauigkeit.

Im Hinblick hierauf sehen die Erfinder die Verwen dung von Signalen vor, die einen Phasenunterschied von 180° haben, das heißt solche Signale, die umgekehrte Phasen aufweisen.

Da jegliche Änderung im Gleichstrompegel oder jeg liche Änderung in der Amplitude üblicherweise den bei den Signalen einer Phase von "0°" und einer Phase von "180°" gemeinsam ist, kann eine solche Änderung ge löscht werden, indem der Unterschied zwischen diesen Signalen, die einen Phasenunterschied von 180° haben, ermittelt wird, wie der Fig. 6 zu entnehmen ist.

In Fig. 6 zeigt der obere Teil ein Interferenz-Lichtin tensitätssignal an einer vorbestimmten Polarisations ebene, der mittlere Teil ein Interferenz-Lichtintensitäts signal mit einem Phasenunterschied von 180° zu dem im oberen Teil gezeigten Signal, während im unteren Teil Impulssignale dargestellt sind, die jeweils pro einer hal ben Wellenlänge, die von den oberen beiden Signalen zu erhalten ist, erzeugt werden. Durch eine strichpunktier te Linie sind im oberen und mittleren Teil der Fig. 6 Gleichstrompegel dieser Signale angegeben. Wenn, wie gezeigt ist, der Gleichstrompegel sich ändert, so ist diese Änderung im Gleichstrompegel im einen der beiden Si gnale die gleiche wie diejenige im anderen Signal. Des halb wird ein Differenzsignal der beiden Signale durch eine solche Änderung nicht beeinflußt. Da der Unter schied zwischen den beiden Signalen, deren Phasen mit Bezug zueinander umgekehrt sind, Null wird für jede halbe Wellenlänge, sind durch Erzeugen eines Impulssi gnals, dessen Differenzsignal jedesmal Null wird, die im unteren Teil der Fig. 6 gezeigten Signale zu erhalten.

Wenn Signale der Phasen "0°" und "180°" verwendet werden, wird ein Impulssignal für jede halbe Wellenlän ge erzeugt. In diesem Fall werden Impulssignale mit Abständen von 0,2 µm hervorgerufen.

Die Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Anordnung zur Verwirklichung des oben beschriebenen Verfahrens. Aus der Fig. 7 wird deutlich, daß ein möglicher Weg derjenige ist, zusätzlich zu den zwei Polarisationsplatten PP1 und PP2, die Azimutwinkel von 0° bzw. 45° haben, eine dritte Polarisationsplatte PP3 vorzusehen, die ei nen Azimutwinkel von 90° hat und an einem optischen Zweigweg angeordnet sein kann. In Fig. 7 sind Halb spiegel HM3 sowie HM4 und Detektoren (Lichtfühler) PD1, PD2 sowie PD3 dargestellt.

Wie die bereits besprochene Fig. 2 zeigt, tritt das von der Lichtquelle LD ausgesandte und durch das Kollima torobjektiv CL kollimierte Licht durch den Strahlentei ler HM1 und in die Objektivlinse LN des selbstfokus sierenden Entfernungsmeßsystems ein.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 8 wird die Arbeitswei se des selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems er läutert.

Gemäß Fig. 8 fällt das Licht von der Lichtquelle LD auf die Objektivlinse LN an einer Stelle, die von der optischen Hauptachse verschoben ist. Wenn das Ziel oder der Meßpunkt der Objektivlinse LN, d. h. die Spie gelfläche des an der bewegbaren Bühne SR von Fig. 2 befestigten Planspiegels PM, an einer fokussierten Stel le (a) sich befindet, geht das Licht von der Lichtquelle LD längs eines Weges, der in Fig. 8 mit einer ausgezoge nen Linie dargestellt ist, und bildet eine Abbildung eines auf die Spiegelfläche projizierten Lichtflecks am Zen trum (a) auf der Fläche des Fühler PS, der an einer optisch konjugierten Stelle (Abbildungsposition) der fo kussierten Position (a) mit Bezug zur Objektivlinse LN angeordnet ist. Wenn das Ziel PM in einer defokussier ten Position der Objektivlinse LN ist, wie bei (b) oder (c) angegeben ist, dann geht das Licht von der Lichtquelle längs eines Weges, der durch eine strichpunktierte oder eine gestrichelte Linie in Fig. 8 angegeben ist, und bildet ein defokussiertes Bild am Fühler PS an einer Position (b) oder (c), die zum Zentrum (a) des Fühlers PS eine Abstand hat.

Die Fig. 9 zeigt Lichtflecke und Lichtmengenvertei lungen auf der Fläche des Fühlers PS, die den Positionen (a)-(c) des Planspiegels PM entsprechen. Der Unter schied zwischen der Größe des Fühlersignals in einer Zone A an der Fläche des Fühlers PS und der Größe des Signals in einer anderen Zone B zeigt ein sog. "S-förmi ges Kurvenbild". Die Fig. 10 zeigt die Beziehung eines Differentialsignals ΔI, das sich auf die Fühlersignalgrö ßen (I_A und I_B) bezieht und durch einen (nicht gezeigten) Differentialverstärker zu erhalten ist, mit Bezug zum Defokussierwert (der Position des Ziels), wobei ΔI= I_A - I_B ist. Das selbstfokussierende Meßsystem in der Ausführungsform von Fig. 2 verwendet diesen Be reich der S-förmigen Kennkurve, in der die Defokus siergröße und das Differentialsignal ΔI in einer im we sentlichen linearen Beziehung sind.

Es wird im folgenden auf den Flußplan von Fig. 11 und die in den Fig. 12 sowie 13 dargestellten Ausgangs wellenformen eingegangen und im Zusammenhang da mit die Arbeitsweise des Entfernungsmeßsystems, das in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, näher erläutert. Das Entfer nungsmeßsystem von Fig. 1 ist so ausgestaltet, daß der Betrieb als Ganzes durch den Einfluß einer Zentral-Ver arbeitungseinheit (CPU) gesteuert wird.

Bei dem Auslösen des Betriebs, z. B. bei Beginn einer Energiezufuhr, wird die bewegbare Bühne SR zu ihrem Ausgangspunkt zurückgeführt. Wenn die Bühne SR den Ausgangspunkt erreicht, wird das Zählwerk zurückge setzt, wodurch das System für eine Zufuhr eines Befehls signals für den Betrieb der bewegbaren Bühne bereit wird.

Wird in diesem Zustand das Antriebs-Befehlssignal zugeführt, so wird zuerst der Vorgang der Selbstfokus sierung bewirkt. Im einzelnen wird hierbei auf der Grundlage eines Ausgangs des selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems die selbstfokussierende Bühne AFS mittels de piezoelektrischen Feinantriebsmecha nismus (piezoelektrischer Stellantrieb) betrieben, so daß die Objektivlinse LN korrekt auf den Planspiegel PM fokussiert wird. Ist der fokussierte Zustand hergestellt, so wird die selbstfokussierende Bühne AFS an dieser Stelle mit der bewegbaren Bühne SR verriegelt, worauf die bewegbare Bühne SR durch den Motor MT betrie ben wird.

Bei diesem Entfernungsmeßsystem wird, wenn sich die bewegbare Bühne SR bewegt, wie beschrieben wur de, ein Impulssignal von einem (nicht dargestellten) elektrischen Schaltkreis des Gitterinterferenz-Entfer nungsmeßsystems pro ¹/₁₆ der Teilung p des Beugungs gitters GS, das mit Bezug zur Richtplatte SP (s. z. B. Fig. 2) fest ist, auszugeben. Das Zählwerk arbeitet, um die Anzahl der Impulse zu integrieren.

Wenn die CPU einen Stop-Befehl während der Bewe gung der Bühne SR empfängt, so setzt sie über den Motortreiber MTD den Motor MT still, um die beweg bare Bühne SR anzuhalten, und Liest die integrierte, vom Zählwerk erhaltene Impulsanzahl. Dann wird durch ei nen (nicht gezeigten) Treiber der piezoelektrische Stell antrieb FD betätigt, um die selbstfokussierende Bühne AFS, die das selbstfokussierende System und das opti sche Gitterinterferenzsystem trägt, zu bewegen und festzustellen, welche Position die bewegbare Bühne zwischen den erhaltenen Impulssignalen des Gitterin terferenzsystems erreicht hat. Das bedeutet, daß dann, wenn die Bühne SR an einem Punkt S angehalten wor den ist und die gezählte Impulszahl zu dieser Zeit N beträgt, die selbstfokussierende Einrichtung dazu ver wendet wird, mit hoher Präzision zu bestimmen, welche Position der Haltepunkt S zwischen dem Impuls N und dem Impuls (N + 1) einnimmt.

Zuerst wird die integrierte, vom Zählwerk zur Zeit des Haltens der Bühne SR gezählte Impulszahl gespei chert und dann wird der piezoelektrische Stellantrieb FD betrieben, um die selbstfokussierende Bühne AFS, d. h. das optische Entfernungsmeßsystem MH, um einen winzigen Wert (ein Wert, der geringfügig größer ist als der Impulsabstand Δx) und in einer zur vorhergehenden Bewegungsrichtung entgegengesetzten Richtung zu be wegen. Als Ergebnis dessen wird der Defokussierwert des selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems, das als Ziel den mit Bezug zur bewegbaren Bühne SR fest angebrachten Planspiegel PM hat, verändert, so daß das Differential-Ausgangssignal ΔI, d. h. das Differenzsignal I_A - I_B des selbstfokussierenden Fühlers PS, sich ändert, wie in Fig. 13 dargestellt ist. Hierbei wird die Vorschub größe durch den piezoelektrischen Antrieb vorzugswei se innerhalb eines Bereichs festgesetzt, in dem die Defo kussiergröße und das Differenzsignal eine lineare Bezie hung zeigen. Das ist insofern erwünscht, als die Bezie hung zwischen dem Differenzsignal und dem Defokus sierwert vorher ermittelt wird, so daß der Defokussier wert definitiv bestimmt werden kann, wenn das Diffe renzsignal einmal zugeführt wird. Durch Bewegen der Bühne um einen winzigen Größenwert mit Hilfe des piezoelektrischen Antriebs zu einer solchen Position, die dem Impuls N entspricht, ist es möglich, ein Diffe renzsignal an der diesem Impuls N entsprechenden Stel le zu erhalten. Das auf diese Weise erhaltene Differenz signal kann in einen Defokussierwert δ umgewandelt werden, und folglich kann die Position des Punktes S, an dem die bewegbare Bühne SR angehalten wird, durch einen Wert wiedergegeben werden, welcher durch Ad dition von δ zur Stelle der Erzeugung des Impulses N, d. h. N . Δx, zu erhalten ist, wobei Δx der Impulsabstand der Impulsfolge des Gitterinterferenz-Entfernungsmeß systems ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Feinbewe gungsbühne AFS, die das optische System trägt, an der Stelle (Fokusposition), an der das Selbstfokussiersignal Null ist, stationär gehalten wird, bis die bewegbare Büh ne SR angehalten ist.

Wenn bei diesem Entfernungsmeßsystem die Gitter teilung des Beugungsgitters GS gleich 1,6 µm ist, dann wird das Intervall der Impulssignale des Gitterinterfe renz-Entfernungsmeßsystems gleich 0,1 µm. Durch Festsetzen des Werts des piezoelektrischen Antriebs innerhalb des Bereichs von etwa 0,2 µm ist folglich das oben beschriebene Verfahren in die Praxis umsetzbar. Deshalb ist, während ein großer Hubweg des Gitterin terferenz-Entfernungsmeßsystems behalten wird, die Entfernungsmessung mit der Genauigkeit der Selbstfo kussierung zu erlangen. Als Ergebnis dessen kann die Positionierung beispielsweise einer bewegbaren Bühne mit hoher Präzision ausgeführt werden.

Beispielsweise die Präzision der selbstfokussierenden Entfernungsmessung in der Größenordnung von 0,01-0,002 µm sein, wenn eine selbstfokussierende Ob jektivlinse von "x 100" (NA ≒ 0,9) zur Anwendung kommt und ein ladungsgekoppelter Fühler, ein Stel lungsfühler oder eine andere Einrichtung als der selbst fokussierende Fühler PS verwendet wird. In diesem Fall hat der lineare Beziehungsbereich des selbstfokussie renden Signals eine Ausdehnung in der Größenordnung von 1 µm.

Bei dem Entfernungsmeßsystem in der Ausführungs form nach der Fig. 1 braucht das optische, selbstfokus sierende System nicht immer so angeordnet zu werden, daß die Position des Planspiegels PM und des selbstfo kussierenden Fühlers PS in einer abbildenden (konju gierten) Beziehung in Lage kommt. Es ist lediglich not wendig, daß das Differentialsignal des selbstfokussie renden Fühlers oder das Lichtfleck-Positionssignal, d. h. der Defokuswert mit Bezug zur Bewegungsrichtung, ei ne lineare oder nahezu lineare Charakteristik zeigen. Wenn lineare Charakteristika nicht vorhanden sind, kann die Beziehung zwischen der Bewegungsgröße (Defokusgröße) und dem Signal vorbereitend in einen ROM eingespeichert werden, so daß der Wert der win zigen Bewegung durch Lesen des Werts der Bewegung, der dem ermittelten Signal entspricht, erfaßt werden kann.

Wie oben beschrieben wurde, wird bei dem Entfer nungsmeßsystem der Ausführungsform von Fig. 1 eine Entfernungsmeßeinrichtung, die einen großen Hub hat, in Kombination mit einem optischen System, wobei ein Signalausgang eine im wesentlichen lineare Beziehung mit Bezug zur Bewegungsgröße hat, verwendet, wo durch der Zwischenraum zwischen Signalen (Auflö sung) der Entfernungsmeßeinrichtung, die einen großen Hub hat, ergänzt oder komplementiert werden kann. Als Ergebnis dessen kann die Präzision der Entfer nungsmeßeinrichtung, die einen großen Hubweg auf weist, in bemerkenswerter Weise verbessert werden.

Das führt zu einem Vorteil, indem das Problem ver mieden wird, daß Fehler leicht durch irgendeine Ände rung in der Lichtmenge oder in der Beugungsleistung hervorgerufen werden, was ein Problem in dem Fall ist, wenn ein durch die optischen Bedingungen, wie die Ord nung des Beugungslichts, den Polarisationszustand oder dgl. bestimmtes Signal elektrisch geteilt und verarbeitet wird, um die Auflösung zu vergrößern.

Das Entfernungsmeßsystem in der Ausführungsform von Fig. 1 kann in den folgenden Punkten abgewandelt werden.

Wenn beispielsweise das Ermitteln des Defokuswerts δ bevorsteht, dann kann die selbstfokussierende Bühne AFS in Aufeinanderfolge um winzige Werte zu der Po sition, die dem Impuls N entspricht, und zu der Position, die dem Impuls (N + 1) entspricht, bewegt werden. Die Differenzsignale a und b an diesen Positionen können ermittelt werden. Durch Substitution der Teilung p der Impulse in die Gleichung "δ = (a/[b - a])xp" kann der De fokussierwert δ berechnet werden. Solange die Signal ausgänge zwischen den zwei Impulsen linear sind, kann der Defokussierwert δ korrekt ermittelt werden, selbst wenn die Ausgänge des selbstfokussierenden Fühlers variieren. Die Entfernungsmeßeinrichtung mit großem Hubweg ist nicht auf das Entfernungsmeßgerät der Git terinterferenz-Bauart begrenzt.

Es können ein interferometrisches Laser-Entfer nungsmeßgerät oder andersartige Geräte zur Anwen dung kommen.

Das an der Feinbewegungsbühne angebrachte opti sche System kann lediglich eine Objektivlinse des selbst fokussierenden Systems und die optischen Elemente des Entfernungsmeßgeräts der Gitterinterferenz-Bauart umfassen. Es ist nicht notwendig, daß alle Bauteile des selbstfokussierenden Systems auf der Feinbewegungs bühne angeordnet werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein Beispiel für die Anwendung der Messung mit Bezug auf eine einach sige Bewegung, es ist jedoch auch anwendbar auf die Messung mit Bezug auf eine zweiachsig oder andersarti ge Bewegung, indem eine Verbundkonstruktion ver wendet wird.

Das selbstfokussierende System der Fig. 2 ist von der TTL-Bauart, d. h. der Bauart "durch das Objektiv". Je doch kann es auch durch ein selbstfokussierendes Sy stem gebildet werden, das in einem optischen Tastkopf für eine digitale Audio-Disc oder eine Video-Disc ver wendbar ist, oder es kann ein selbstfokussierendes Sy stem, das in einer photographischen Kamera zur An wendung kommt, sein.

Der Entfernungsmeßkopf MH kann an der Bühne SR fest sein, während das Beugungsgitter GS mit Bezug zur Richtplatte SP bewegbar gemacht werden kann. Dar über hinaus kann das selbstfokussierende System vom Entfernungsmeßkopf MH getrennt und an einem sol chen Ort angeordnet sein, an dem das selbstfokussieren de System die Bewegungsstrecke des Beugungsgitters mit Bezug zur Richtplatte SP messen kann. Nach der Begrenzung der Bühne SR kann das Beugungsgitter GS bewegt und der Bewegungswert, der, bis der Impuls erfaßt wird, durchlaufen ist, durch das selbstfokussieren de System erfaßt werden.

Wie oben gesagt wurde, ist es nicht immer notwendig, daß das selbstfokussierende System in einer abbilden den Beziehung ist. Erforderlich ist lediglich, daß der Fühlersignalausgang annähernd linear ist. In einem Sy stem, in dem sich der Lichtfleck linear an der Fühlerflä che bewegt, mögen der Punkt an der Planspiegelfläche, die in Fig. 2 gezeigt ist, und an der Fühlerfläche nicht in einer konjugierten Beziehung sein.

Die Fig. 14 zeigt ein Beispiel, wobei ein Entfernungs meßsystem in einer Ausführungsform gemäß der Erfin dung als eine Entfernungsmeßeinheit ausgebildet ist.

Bei dieser Entfernungsmeßeinheit ist eine selbstfo kussierende Einrichtung, die eine Lichtquelle LD, eine Kollimatorobjektiv CL, einen Polarisationsstrahlentei ler HM1, ein λ/4-Plättchen QW, Kondensorlinsen GL1 sowie GL2 und einen optischen Stellungermittlungs fühler PS, der eine ladungsgekoppelte Vorrichtung oder dgl. ist, umfaßt, auf einem bewegbaren Tisch- oder Bühnenteil ST angeordnet. Die Bewegung dieses be wegbaren Bühnenteils ST wird in Form eines Impulsfol gesignals durch ein lineares Gitter GS, welches am be wegbaren Bühnenteil ST befestigt ist, und einen Lese kopf MH, der an einem stationären Tisch- oder Bühn enteil SS vorgesehen ist, ermittelt.

Das Bühnenteil ST wird durch einen Stellantrieb AT bewegt. Das zu prüfende Objekt MO hat eine Meßbe zugsebene OS, die von einer Spiegelfläche gebildet wird, welche eine hohe Oberflächegüte aufweist.

Eines der bedeutsamsten Merkmale dieses Beispiels ist, daß in einer Ermittlungs- und Verarbeitungsschal tung ED jedesmal, wenn eine Fokusermittlungsschal tung FF ein Impulssignal von einem elektrischen Im pulsreihen-Entfernungsmeßsystem PC empfängt, der selbstfokussierende Ausgangswert zu dieser Zeit erneu ert und gespeichert wird.

Die Fig. 15 zeigt einen Flußplan für diese Arbeitswei se, während die Fig. 16 den Impulsabstand und eine selbstfokussierende elektrische Spannung darstellt.

Wenn das Anhalten des Objekts MO diskriminiert wird, arbeitet der Stellantrieb AT der Entfernungsmeß einheit, um das selbstfokussierende System in den kor rekten Brennpunkt relativ zur Bezugsebene OS zu brin gen. Eine solche Bewegung wird gemessen, indem Än derungen in der Menge des Interferenzlichts unter Ver wendung der Skala GS und des Lesekopfs MH ermittelt und in Form von Impulssignalen die Änderungen in der Lichtmenge unter Verwendung des elektrischen Impuls reihenentfernungsmeßsystems PC gezählt werden. Die Auflösung ist in diesem Fall gleich dem Impulsabstand Δx (Fig. 16).

Bei jedem Empfang eines Impulssignals durch die CPU wird die Fokussierungspannung V_AF zu dieser Zeit erneuert und gespeichert. Wenn das selbstfokussierende System ein Fokussignal, d. h. V_AF = 0 V, liefert, hält der Stellantrieb AT an.

Dann werden in der CPU die Anzahl j der Impulse, die gezählt worden sind, und die Fokussierspannung Vj, die zuletzt durch das Fokusermittlungssystem FF ge speichert worden ist, verwendet, um den Abstand x durch die folgende Gleichung zu berechnen:

x = j . Δx + Vj . ξ

worin ist:
x die Bewegungsstrecke, die dem Impulsabstand ent spricht und beispielsweise eine 0,4-µm-Teilung ist, und
ξ ein Ausgangs-Entfernungskoeffizient, der vorher mit Bezug auf die Empfindlichkeit des selbstfokussieren den Systems kalibriert worden ist.

Die Fig. 17 zeigt ein Beispiel, wobei zwei Entfer nungsmeßeinheiten der vorstehend beschriebenen Bau art in eine zweiachsige Bewegungsvorrichtung einge baut sind. Bei diesem Beispiel werden diese Entfer nungsmeßeinheiten für ein Positionieren mit hoher Prä zision eines selbstausrichtenden Kopfes eines Belich tungsgeräts für die Herstellung von Halbleitervorrich tungen verwendet.

Die Fig. 18 zeigt ein Beispiel, wobei das Interferenz- Entfernungsmeßsystem der Beugungsgitter-Bauart des Entfernungsmeßgeräts in der Ausführungsform von Fig. 1 durch ein interferometrisches Entfernungsmeßsy stem ersetzt ist.

In Fig. 18 sind gleiche Bezugszeichen für Teile, die denjenigen der Fig. 1 entsprechen, verwendet. Bei der Ausführungsform von Fig. 18 bilden ein Laserkopf LZ, eine Interferenzeinheit IU und ein Winkelspiegelprisma CP (Corner-Cube-Prisma) ein interferometrisches La ser-Meßsystem. Die Interferenzeinheit IU ist an einer Richtplatte SP befestigt, während das Winkelspiegel prisma CP an einer Feinbewegungsbühne AFS fest an gebracht ist.

Die Fig. 19 zeigt Einzelheiten des optischen Entfer nungsmeßsystems, das auf der Feinbewegungsbühne AFS (Fig. 18) angeordnet ist. Einige der Bauteile der Ausführungsform von Fig. 2, die das optische Entfer nungsmeßsystem der Beugungsgitter-Interferenz-Bau art bilden, nämlich der Strahlenteiler HM2, die Phasen platten FP1 sowie FP2, die Winkelspiegelprismen CC1 sowie CC2, der Strahlenteiler BS und die Photodetek toren PD1 sowie PD2 wurden entfernt und an deren Stelle ist das Winkelspiegelprisma CP für eine Reflexion eines Laserstrahls auf die Laser-Interferenzeinheit am Tisch RT, welcher an der Feinbewegungsbühne AFS gehalten ist, angebracht.

Auch bei dem Entfernungsmeßgerät dieser Ausfüh rungsform wird die Entfernungsmessung im wesentli chen in der gleichen Folge (s. Fig. 11) und Arbeitsweise wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 durchgeführt. Im einzelnen werden eine Schnell- oder Grobbewe gungsbühne SR und die Feinbewegungsbühne AFS be wegt, und jedesmal, wenn sich die Feinbewegungsbühne AFS oder das einer Messung unterliegende Objekt, wie eine (nicht gezeigte) optische Sonde, ein Fühler oder dgl., das an der Bühne AFS befestigt ist, eine Bewegung über eine vorbestimmte Längeneinheit Δx ausführt, wird ein Impulssignal vom interferometrischen Lasersy stem ausgegeben. Dann wird unter Verwendung eines analogen Entfernungsmeßausgangs von dem selbstfo kussierenden Entfernungsmeßsystem der Zwischen raum zwischen diesen Impulsen komplementiert. Durch diesen Vorgang ist es möglich, eine praktikable Entfer nungsmessung mit hoher Auflösung (hoher Genauig keit) auszuführen, während die Präzision des interfero metrischen Laser-Entfernungsmeßsystems mit Bezug zu einer großhubigen Messung erhalten wird.

Die Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Ein Bezugsglied SM hat ein Beugungsgitter, das dem Beugungsgitter GS der Ausführungsform von Fig. 2 entspricht. Dieses Bezugsglied SM ist an einem der bei den Objekte, die mit Bezug zueinander bewegbar sind, befestigt. Die anderen optischen Bauteile neben dem Bezugsglied SM, die in Fig. 20 gezeigt sind, bilden ein optisches Kopf-Entfernungsmeßsystem MH und sind fest an dem anderen der beiden Objekte angeordnet. Auf dem Bezugsglied SM ist, wie in Fig. 21 gezeigt ist, ein Beugungsgitter GS für eine interferometrische Ent fernungsmessung vorgesehen. Darüber hinaus sind Git ter mit einem Bereich maximaler Intensität (Maximalin tensitätsgitter bzw. Blazegitter) BG1 und BG2 für eine selbstfokussie rende Entfernungsmessung, die parallel zum Gitter GS angeordnet sind, sowie eine ebene Fläche FT, die als eine Reflexionsfläche wirkt und die Funktion einer selbstfokussierenden Entfernungsmessung-Bezugsflä che erfüllt, vorhanden. Die beiden Maximalintensitäts gitter BG1 und BG2 sind so angeordnet, daß sie in der Richtung der Relativbewegung (Pfeilrichtung A) zwi schen dem Bezugsglied SM und dem optischen Kopf- Entfernungsmeßsystem MH um einen Wert zueinander verschoben sind, der der Hälfte der Gitterteilung p_B entspricht.

Gemäß Fig. 20 sind eine Lichtquelle LD1, ein Halb spiegel GM2, Phasenplatten FP1 und FP2, Spiegel CP1 und CP2, ein Strahlenteiler BS und Photodetekto ren PD1 sowie PD2 vorgesehen, die alle miteinander zusammenwirken, um ein optisches, inferometrisches Entfernungsmeßsystem zu bilden. Dieses optische, in terferometrische Entfernungsmeßsystem und das inter ferometrische Gitter-Entfernungsmeßsystem GS, das am Bezugsglied SM ausgebildet ist, entsprechen dem eine Impulsfolge erzeugenden optischen System und dem Fühler, die beispielsweise unter Bezugsnahme auf die Fig. 2 beschrieben worden sind.

Des weiteren sind eine Lichtquelle LD2, ein Kollima torobjektiv CL, Halbspiegel HM11 sowie HM12, von denen jeder einen lediglich an der Hälfte seiner Diago nalfläche ausgebildeten Halbspiegel aufweist, Objektiv linsen LN1 sowie LN2 und optische Stellungsfühler PS1 sowie PS2 vorgesehen, die alle dahingehend wir ken, zwei Sätze von optischen, selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystemen zu bilden. Jedes dieser Syste me hat einen Aufbau, der optisch demjenigen des mit Bezug auf die Ausführungsform von Fig. 2 beschriebe nen optischen Systems gleichwertig ist. Jedes optische, selbstfokussierende Entfernungsmeßsystem ist, wie in Fig. 22 gezeigt ist, so angeordnet, daß das Licht in der Nachbarschaft der Oberfläche von einem der zugeord neten, am Bezugsglied SF ausgebildeten Maximalinten sitätsgitter BG1 und BG2 fokussiert wird.

Ferner sind eine Lichtquelle LD3, die einen Halblei terlaser oder dgl. umfaßt, und ein Lichtfleck-Lageer mittlungsfühler PS3 vorhanden, die dazu verwendet werden, jegliche Änderung im Spalt zwischen dem Be zugsglied SM und der Ermittlungsfläche des optischen Kopf-Entfernungsmeßsystems MH zu erfassen. Die Lichtquelle LD3 und der Fühler PS3 sind so angeord net, daß ein Licht von der Lichtquelle LD3 auf einen Reflexionsflächenbereich FT am Bezugsglied SM proji ziert wird, während das vom Berich FT reflektierte Licht durch den Lageermittlungsfühler PS3 erfaßt wird. Auf dieser Grundlage wird ein jegliche Änderung im Spalt zwischen dem Bezugsglied SM und dem optischen Kopf-Entfernungsmeßsystem MH kennzeichnendes Si gnal erhalten. Das Signal wird so verwendet, daß, wenn ein Fehler im selbstfokussierenden Entfernungsmeßsi gnal auf Grund der Änderung im Spalt hervorgerufen wird, ein solcher Fehler im selbstfokussierenden Entfer nungsmeßsignal aus diesem Signal ermittelt wird, so daß der Fehler durch Subtraktion der Fehlerkomponente vom Selbstfokussiersignal korrigiert werden kann.

Die Fig. 23 zeigt eine Beziehung zwischen Impulsfol gesignalen, die vom interferometrischen Gitter-Entfer nungsmeßsystem von Fig. 20 ausgegeben werden, und der Querschnittsgestalt eines jeden der Maximalintensi tätsgitter BG1 sowie BG2, die am Bezugsglied SM ausgebildet sind, d. h. Ausgänge des selbstfokussieren den Entfernungsmeßsystems. Es sei angenommen, daß jedes der Maximalintensitätsgitter BG1 sowie BG2 ei ne Teilung p_B hat und der Höhenunterschied (Oberflä chenstufe) des Gitters durch H bezeichnet ist. Die Tei lung p_B wird geradzahlige Male größer gemacht, z. B. 10mal größer, als der Impulsabstand Δx der Impulsfolge des interferometrischen Gitter-Entfernungsmeßsy stems.

Bei einer Entfernungsmessung mit dieser Vorrichtung werden akkumulierte Zahlenwert ... n - 1, n, n + 1, ... für die Impulsfolge des interferometrischen Gitter-Ent fernungsmeßsystems gezählt. Die selbstfokussierenden Entfernungsmeßsysteme zur maßlichen Ermittlung der Oberflächenpositionen der Maximalintensitätsgitter BG1 und BG2 werden alternierend verwendet. Bei spielsweise wird unmittelbar vor einer Oberflächenstufe (einem Sattel) des Gitters BG1 das für die Entfernungs messung zu verwendeten Signal auf das von dem selbst fokussierenden Entfernungsmeßsystem auf der Seite des Gitters BG2 erzeugte Signal umgeschaltet, und zu sätzlich wird unmittelbar vor einer Oberflächenstufe des Gitters BG2 das für die Messung zu verwendende Signal auf das vom selbstfokussierenden Entfernungs meßsystem auf der Seite des Gitters BG1 erzeugte Si gnal umgeschaltet. Das bedeutet, daß in einem Fall, wo bei die Relativbewegung des Bezugsglieds zum Entfer nungsmeßkopf MH eine solche Bewegung des Bezugs glieds SM ist, die in der negativen X Achsenrichtung in Fig. 23 verläuft, das Umschalten von der BG2-Seite auf die BG1-Seite zum Zeitpunkt des Impulses (n - 1) er folgt, während das Schalten von der BG1-Seite auf die BG2-Seite zum Zeitpunkt des Impulses (n + 4) ausge führt wird, wie in Fig. 23 gezeigt ist. Verläuft die Relativ bewegung des Bezugsglieds SM in der positiven X-Ach senrichtung, so wird das Umschalten umgekehrt durch geführt. Die Richtung der Relativbewegung des Bezugs glieds SM zum optischen Kopf-Entfernungsmeßsystem MH kann auf der Grundlage der Selbstfokussier-Entfer nungsmeßsignale, die den Gittern BG1 bzw. BG2 ent sprechen, diskriminiert werden. Demzufolge kann das Umschalten korrekt auf der Grundlage der durch diese Diskriminierung erhaltenen Information ausgeführt werden.

Das Ausgangssignal (Selbstfokussiersignal) eines selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems, das in der Nachbarschaft der Oberfläche eines Maximalinten sitätsgitters fokussiert ist, wird sich mit einer Änderung in der Defokusgröße des optischen, selbstfokussieren den Entfernungsmeßsystems, die hervorgerufen wird, wenn das Bezugsglied SM eine Relativbewegung aus führt, ändern. Demzufolge kann die Bewegung des Be zugsglieds SM in der X-Achsenrichtung in Form der Information, die sich auf die Richtung der Höhe (Ober flächenhöhe) der Oberfläche des Maximalintensitätsgit ters bezieht, erfaßt werden. Um einen solchen Bereich, in dem das selbstfokussierende Entfernungsmeßsignal eine lineare Charakteristik mit Bezug zur Defokusgröße (s. Fig. 10) zeigt, zu nutzen, ist es notwendig, daß die Höhe H des Maximalintensitätsgitters im Vergleich zu der Höhe, durch die die Linearität des Selbstfokussiersi gnals gewährleistet wird, klein gemacht wird. Durch Wählen der Höhe derart, daß am Zentrum (Punkt C) des Maximalintensitätsgitters mit Bezug zu dessen Längs richtung das Differential-Ausgangssignal ΔI (s. Fig. 9 und 10) an der Fühlerfläche des selbstfokussierenden Systems Null wird, d. h., daß der fokussierte Zustand vorliegt, ist beispielsweise ein auf den Oberflächen-Hö henunterschied δ bezogenes Signal an der Stelle eines Punktes K in Fig. 23 zu erhalten. Die Länge in der X-Achsenrichtung vom Punkt C zum Punkt K wird durch

bestimmt. Deshalb kann, wenn der N-te Impuls dem Punkt C entspricht, die Position des Punktes K gegeben werden durch:

Ferner kann, wie in Fig. 24 gezeigt ist, bei jeder Er zeugung eines Impulssignals vom interferometrischen Entfernungsmeßsystem die Fokusermittlungsspannung V_AF zu dieser Zeit gespeichert werden, und ein Komple mentieren kann auf der Grundlage der Differenzspan nung mit Bezug auf die gespeicherte Spannung V_AF aus geführt werden, bis das nächste Impulssignal erzeugt wird.

Wenn ein Licht für die selbstfokussierende Entfer nungsmessung auf das Maximalintensitätsgitter proji ziert wird, ist es erwünscht, daß eine vom einfallenden und vom reflektierten Licht bestimmte Ebene einen Winkel mit Bezug zur Richtung der Relativbewegung des Bezugsglieds SM hat, der nahe bei einem rechten Winkel liegt.

Ein bei der in Rede stehenden Ausführungsform ver wendbares Maximalintensitätsgitter kann in Überein stimmung mit irgendeinem bekannten Verfahren, z. B. in einem Naßätzverfahren, bei dem die Beziehung zwi schen der Kristallorientierung eines Siliziumwafers und der Ätzgeschwindigkeit benutzt wird, in einem mecha nischen Bearbeitungsverfahren, in einem die Lithogra phie und ein Trockenätzen verwendenden Herstellungs verfahren usw., gefertigt werden.

Die Spezifikation für ein bestimmtes Beispiel ist fol gende:

Die Teilung p des interferometrischen Entfernungsmeß gitters war 1,6 µm und der Impulsabstand der Impulsfol ge des interferometrischen Gitter-Entfernungssystems 0,4 µm. Objektivlinsen "x 100" (NA ≒ 0,9) wurden für die Linsen LN1 und LN2 des selbstfokussierenden Entfer nungsmeßsystems verwendet. Jedes verwendete Maxi malintensitätsgitter hatte eine Teilung p_B = 3 µm, einen Oberflächen-Höhenunterschied H = 1 µm und einen Neigungswinkel Θ = 18° mit Bezug zur ebenen Fläche FT. Es hat sich erwiesen, daß der Bereich, innerhalb welchem das Selbstfokussiersignal eine lineare Charak teristik zeigte, geringfügig kleiner als 1 µm und der ma ximale Differentialausgang (I_A - I_B)_max etwa 2 V war, während das Rauschen (N) 5 mV betrug. Die als der Differential-Ausgangswert ΔI(S) zu erlangende Selbst fokussierpräzision, wobei S/N = 1 ist, war 0,0025 µm. Die Meßpräzision der Relativbewegung zwischen dem Bezugsgitter SM und dem optischen Kopf-Entfernungs meßsystem MH war 0,007 µm.

Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der vorliegenden Ausführungsform das großhubige Entfernungsmeßge rät nicht auf ein interferometrisches Gittermeßgerät be grenzt ist. Irgendeine andere Art eines Meßgeräts, wie ein interferometrisches Laser-Entfernungsmeßgerät, bei dem Meßimpulssignale zu erlangen sind, kann zur Anwendung kommen.

Jedes selbstfokussierende, bei der Ausführungsform von Fig. 20 verwendete Entfernungsmeßsystem ist von der fokussierenden TTL-Bauart (der Bauart "durch das Objektiv"), jedoch kann irgendeine andere Bauart eines selbstfokussierenden Systems, wie beispielsweise ein als ein optischer Tastkopf zur Verwendung mit einer digita len Audio-Disc oder einer Video-Disc, ein in einer pho tographischen Kamera verwendbares selbstfokussie rendes System, zur Anwendung kommen.

Auch kann entweder das Bezugsglied SM oder das optische Kopf-Entfernungsmeßsystem MH bewegbar gemacht werden, und selbstverständlich können auch beide bewegbar sein.

Wenngleich bei der beschriebenen Ausführungsform zwei Maximalintensitätsgitter verwendet werden, so ist es möglich, ein einziges Maximalintensitätsgitter in Ver bindung mit zwei selbstfokussierenden Fühler- oder Sondensystemen PR1 und PR2 zu verwendet, wie in Fig. 25 gezeigt ist. In einem solchen Fall ist es vorzuzie hen, daß die zwei Fühler so eingestellt werden, daß zwei durch die Fühler bestimmte Meßpunkte um eine Strec ke beabstandet sind, die annähernd gleich einer Hälfte der Teilung des Maximalintensitätsgitters oder ein un gerades Vielfaches der halben Teilung ist.

Bei der Entfernungsmeßvorrichtung in der Ausfüh rungsform von Fig. 20 wird der Zwischenraum zwischen Impulsen von der Entfernungsmeßvorrichtung, die im stande ist, Impulssignale mit einer bestimmten Länge oder Strecke zu erzeugen, wie es der Fall bei einer interferometrischen Gitter- oder einer interferometri schen Laser-Entfernungsmeßvorrichtung ist, auf der Grundlage des gemessenen Werts komplementiert, der durch eine hochpräzise, eine hohe Auflösung aufweisen de und kleinhubige selbstfokussierende Entfernungs meßeinrichtung zu erhalten ist, welche auf die Oberflä chenausbildung eines Maximalintensitätsgitters fokus siert ist. Deshalb kann der Zwischenraum zwischen Im pulsen zusätzlich aufgelöst werden, so daß eine Mes sung mit hoher Präzision und hoher Auflösung durch führbar gemacht wird, während eine hohe Genauigkeit der Impulserzeugungsposition der Entfernungsmeßvor richtung beibehalten wird.

Ferner hat die selbstfokussierende Meßeinrichtung einen sehr geringen Hub, wie in der Größenordnung von beispielsweise 1 µm, weshalb aus diesem Grund bei der Ausführungsform von Fig. 1 die den Entfernungs meßkopf tragende Bühne als eine zweifache Konstruk tion ausgebildet wird, welche eine bewegbare Bühne SR und eine Feinbewegungsbühne AFS umfaßt. Bei der in Rede stehenden Ausführungsform wird jedoch ein be sonderes Bauteil, wie ein Maximalintensitätsgitter, bei dem geneigte Flächen wiederholt mit winzigen Unter schieden in der Oberflächenhöhe ausgebildet sind, ver wendet, und durch Verwendung eines solchen Bauteils wird eine dem geringen Hub in der Bewegungsrichtung des zu prüfenden Objekts entsprechende Verlagerung in eine Verlagerung in der Richtung, die die Bewegungs richtung schneidet, umgewandelt, worauf nach dieser Umwandlung die Messung erfolgt. Deshalb ist es durch Festsetzen der Differenz in der Oberflächenhöhe des Bauteils, wie einem Maximalintensitätsgitter, so daß die Differenz innerhalb des Hubes der selbstfokussierenden Entfernungsmeßeinrichtung liegt, möglich, eine winzige Verlagerung innerhalb des kleinen Hubes der selbstfo kussierenden Entfernungsmeßeinrichtung, welche ein Teil der Bewegung über eine große Strecke ist, zu mes sen, ohne daß es notwendig ist, die selbstfokussierende Einrichtung zu bewegen.

Darüber hinaus werden, wie vorher beschrieben wur de, zwei Maximalintensitätsgitterglieder so angeordnet, daß die Positionen ihrer abgestuften Oberflächen in der Bewegungsrichtung relativ zueinander verschoben sind. Alternativ wird ein einziges Maximalintensitätsgitter verwendet, wobei die Punkte, die als die Ziele für die selbstfokussierende Entfernungsmessung genommen werden, um einen Betrag verschoben werden, der etwa einer halben Teilung des Gitters entspricht. In jedem Fall wird vor und nach einer Oberflächenstufe (einem Sattel) des Maximalintensitätsgitterteils das Meßsub jekt oder die Position umgeschaltet, um zu verhindern, daß ein Selbstfokussier-Entfernungsmeßsignal von ei nem solchen Teil des Maximalintensitätsgitters, das eine unzuverlässige Oberflächengestalt hat, benutzt wird. Mit dieser Anordnung ist eine weitere Verbesserung in der Meßpräzision zu erreichen.

Die Fig. 26 zeigt ein Beispiel für eine Beugungsgitter- Interferenz-Entfernungsmeßvorrichtung, die ohne die Verwendung eines Corner-Cube-Gliedes als die Impuls signal-Erzeugungseinrichtung aufgebaut ist. Gemäß Fig. 26 ist ein relativ bewegbares Beugungsgitter GS fest an einem von zwei Objekten, die relativ zueinander bewegbar sind, angeordnet, während ein Entfernungs meßkopfteil MH fest am anderen der beiden Objekte angebracht ist.

Ein von einer Lichtquelle LD, z. B. einem Halbleiterla ser, des Entfernungsmeß-Hauptteils MH ausgesandter Lichtstrahl wird in eine ebene Welle durch ein Kollima torobjekt CL umgewandelt und dann in zwei Strahlen durch einen Halbspiegel HM20 geteilt. Die beiden zer legten Lichtstrahlen LO1 und LO2 werden jeweils durch Spiegel MR1 und MR2 reflektiert und zum Ein fallen auf λ/4-Plättchen QW1 und QW2 gebracht. Hier auf werden sie durch stationäre Gitter GF1 und GF2 jeweils gebeugt. Beugungslichtstrahlen LN1 und LN2 der positiven und negativen Ordnung N werden auf das relativ bewegbare Gitter GS projiziert, an dem sie wie derum reflektierend gebeugt werden. Das auf diese Weise erhaltene Licht wird durch Halbspiegel HM21-HM23 getrennt, und nach einer Umwandlung in elektrische Signale mit Hilfe der Kombination von Polarisationsplatten PP1-PP4 und Fühlern (Photode tektoren) PD1-PD4 werden sie abgeleitet. Die λ/4-Plättchen QW1 und QW2, die in den Wegen der Lichtstrahlen LO1 und LO2 angeordnet sind, werden vorher so festgelegt, daß ihre starken Achsen jeweils unter Winkeln von +45° und -45° mit Bezug zu einer linear polarisierten Lichtkomponente des Laserstrahls geneigt sind. Ferner werden die Winkelstellungen der Polarisationsplatten PP1-PP4 so festgesetzt, daß ihre Polarisationsausrichtungen gleich 0°, 45°, 90° und 135° jeweils werden.

Bei dieser Anordnung wird die Menge eines jeden Lichts, das auf einen entsprechenden der Fühler PD1-PD4 auftrifft, mit der Bewegung des relativ be wegbaren Gitters GS geändert, wie in Fig. 27 gezeigt ist, und diese Änderungen werden als Lichtmengen-Erfas sungsausgänge ermittelt, d. h., von den Fühlern PD1-PD4 gehen Ausgangssignale aus, deren Phasen in Aufeinanderfolge um einen Phasenunterschied von 90° verschoben sind.

Die Fig. 28 zeigt den Zustand der Beugungslichtstrah len, wenn in dem Entfernungsmeßsystem der Ausfüh rungsform von Fig. 26 die Ausgangswellenlänge der Lichtquelle LD einer Verschiebung unterliegt.

In Fig. 28 sind die Strahlengänge, wenn die Justierung im wesentlichen perfekt ist, durch ausgezogene Linien dargestellt, während die Strahlengänge, wenn die Wel lenlänge verschoben ist, durch gestrichelte Linien dar gestellt sind. Somit geben die Lichtströme, die mit L11 und L12 in dieser Figur bezeichnet sind, die Beugungs lichtstrahlen an, die erzeugt werden, wenn die Wellen länge verschoben worden ist. Die Ausgänge der Fühler PD1-PD4, wenn eine solche Wellenlängenverschie bung auftritt, sind diejenigen, die in Fig. 29 dargestellt sind. Unabhängig von der Größe der Bewegung des relativ bewegbaren Gitters GS wird in jeden der Aus gänge der Fühler eine sog. Vorspannungskomponente einbezogen. Der Grund hierfür liegt darin, daß ein Lichtstrombereich, in dem ein Interferenzstreifen nicht gebildet wird, anders als der Interferenzbereich, wie in Fig. 28 schraffiert dargestellt ist, ansteigt und daß die Ausdehnung des Lichtstrombereichs, in dem kein Inter ferenzstreifen gebildet wird, sich mit der Größe in der Verschiebung der Wellenlänge ändert. Demzufolge tre ten diejenigen Änderungen auf, die in den Signal-Wel lenformen der Ausgänge der lichtelektrischen Fühler PD1-PD4 in Fig. 29 gezeigt sind. In einem Fall, da die Verarbeitung auf der Grundlage von vier Ermittlungssi gnalen, die aufeinanderfolgende Phasenunterschiede von 90° haben, vor sich geht, kann jedoch die Teilung mit Bezug auf die Periode der Signale mit einer guten Genauigkeit ausgeführt werden, selbst wenn die Wel lenlänge einer Verschiebung unterliegt.

Im einzelnen werden die vier Signale in zwei Sätzen gruppiert, von denen jeder zwei Signale mit einem Pha senunterschied von 180° aufweist. Wenn die zwei Diffe renzsignale, von denen jedes die zwei Signale eines zu geordneten Satzes betrifft, betrachtet werden, so haben die beiden Differenzsignale einen Phasenunterschied von 90°. Somit können unter Verwendung dieser zwei Differenzsignale Impulssignale in einer gleichartigen Weise erhalten werden, wie es unter Bezugnahme auf die vorherigen Ausführungsformen beschrieben wor den ist. Diese beiden Differenzsignale werden durch ir gendeine Änderung im Gleichstrompegel nicht beein flußt, und jedes hat eine Amplitude, die zweimal größer ist als diejenige des ursprünglichen Signals. Demzufolge kann die Messung mit einer guten Präzision ausgeführt werden.

Kommen lediglich zwei Fühler zur Anwendung und ist es erwünscht, Impulse derselben Teilung zu erhalten wie im Fall der Verwendung von vier Fühlern, indem zwei Arten von Signalen mit Phasen von 0° und 90° elektrisch verarbeitet werden, dann wird die Genauig keit in der elektrischen Teilung der Signale als Ergebnis irgendeiner Verschiebung der Wellenlänge verschlech tert. Das ist das gleiche, wie es zu den Fig. 3-6 be schrieben wurde.

Wenn Licht auf ein Gitter bei einer Anordnung proji ziert wird, wie sie in den JP-Patent-OS Nr. 58-191 906 und Nr. 58-191 907 beschrieben sind, dann ändert sich dessen Beugungsrichtung, d. h. der Winkel, mit einer Änderung in der Wellenlänge des Lichts. Um derartigen charakteristischen Eigenschaften zu entsprechen, wer den Winkelspiegel (Corner-Cube) verwendet. Der Win kelspiegel ist ein derart ausgebildetes Prisma, daß ein Winkel von 90° zwischen mehrfachen Flächen bestimmt wird, so daß das reflektierte Licht in der gleichen Rich tung wie das einfallende Licht zurückgeht. Für einen Winkelspiegel ist eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erforderlich, so daß er teuer ist. Ferner hat er eine große Abmessung.

Bei der Vorrichtung von Fig. 26 sind zusätzlich zum bewegbaren Gitter GS Beugungsgittereinrichtungen (stationäre Gitter GF1 und GF2) auch auf der Seite des Entfernungsmeßkopfteils MH vorgesehen, so daß die Beugungslichtstrahlen der positiven und negativen Ord nung n von den stationären Gittern wieder durch das bewegbare Gitter gebeugt werden, wobei die zuletzt gebeugten Lichtstrahlen desselben Weges zum Fühler gehen. Demzufolge kann ohne die Verwendung von ir gendeinem oben beschriebenen Winkelspiegel Interfe renzlicht, dessen Helligkeit sich mit der Bewegung des bewegbaren Gitters ändert, erhalten werden, wenn die Wellenlänge einer Änderung unterliegt. Das bedeutet, daß das beschriebene Gitterinterferenz-Entfernungs meßgerät eine gute Stabilität gegenüber der Änderung in der Wellenlänge ohne die Verwendung von irgendei nem Winkelspiegel hat. Deshalb können die Kosten wie auch die Größenabmessungen der Vorrichtung vermin dert werden. Ferner erleichtert die beschriebene Kon struktion die Zusammenfassung oder Integration der Bauteile zu einer kompakten Vorrichtung, worauf noch eingegangen werden wird.

Wenn eine Gitterinterferometer-Entfernungsmeß vorrichtung durch eine Lichtquelle, einen Halbspiegel, Winkelspiegel, Polarisationsplatten, Fühler usw., die dreidimensional zusammengesetzt sind, gebildet wird, dann besteht eine Möglichkeit einer Verschlechterung der Genauigkeit in der Entfernungsmessung auf Grund der Einbeziehung eines Fehlers in das Interferenzsignal als Folge einer mechanischen Änderung zwischen den optischen Bauteilen, einer Temperaturänderung oder einer unregelmäßigen Luftströmung. Die getrennte An ordnung der Lichtquelle, des Ermittlungssystems usw. führt auch zu einer Vergrößerung im Volumen, was Raum beansprucht. Es ist schwierig, die Konstruktion kompakt auszubilden. Darüber hinaus wird wegen der räumlichen Entfernung vom Ermittlungssystem zur Verarbeitungsschaltung leicht ein Rauschen in das Si gnal gemischt, was eine Verschlechterung in der Meß genauigkeit hervorruft.

Die Fig. 30 zeigt ein Beispiel, wobei die wesentlichen Teile eines Beugungsgitter-Entfernungsmeßgeräts als ein "integrierter Kreis" ausgebildet sind. Bei diesem Bei spiel sind ein Teil, der einem optischen System des Ent fernungsmeßkopfteils MH des Entfernungsmeßgeräts von Fig. 26 entspricht, und ein elektrisches Signalverar beitungssystem, das dazu dient, Impulse in Übereinstim mung mit der Helligkeit/Dunkelheit des Interferenz lichts zu erzeugen, an einer Basisplatte aus GaAs ausge bildet.

Wie die Fig. 30 zeigt, ist eine dielektrische Wellenlei terschicht WG an dem GaAs-Basisteil SB ausgestaltet, wobei die Lichtwelle sich längs eines vorgebenen opti schen Weges fortpflanzt.

Die Lichtquelle LD kann an der GaAs-Basisplatte SB beispielsweise unter Anwendung eines molekularen Strahl-Epitaxieverfahrens ausgebildet werden. Ein Ob jektiv- und Strahlenteilerteil LS, das in der Wellenleiter schicht WG ausgebildet ist, dient dazu, ein divergieren des Licht von der Lichtquelle LD in ein paralleles Licht umzusetzen und dann dieses längs zweier Richtungen zu teilen. Gitterkoppler GC1 und GC2 wirken jeweils dahingehend, die durch den Dünnschichtwellenleiter WG fortgepflanzte Lichtwelle unter einem bestimmten Winkel nach außen zum äußeren Raum hin auszusen den.

Das Bezugsbeugungsgitter GS entspricht dem be wegbaren Gitter GS des Entfernungsmeßgeräts der Ausführungsform von Fig. 26 und wirkt dahingehend, die Lichtwellen von den Gitterkopplern GC1 und GC2 zur selben Richtung hin zu beugen. Ein Photodetektor PD ist dazu vorgesehen, die Interferenzlichtintensität des Beugungslicht vom Bezugsbeugungsgitter GS zu ermitteln.

Im folgenden wird die Arbeitsweise beschrieben.

Die Lichtwelle von der Lichtquelle LD wird durch den Wellenleiter WG fortgepflanzt, und mit Hilfe des Objektiv- und Strahlenteilerteils LS wird es in zwei par allele 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 re flektierten Lichtstrahlen fallen auf die Gitterkoppler GC1 und GC2. Jeder dieser Gitterkoppler wirkt dahin gehend, die Lichtwelle, die durch den Wellenleiter WG fortgepflanzt worden ist, von der Oberfläche der Basis platte zur Außenseite hin unter einem vorbestimmten Winkel und durch die Wellenleiteroberfläche auszusen den. Dieser Winkel ist auf die Teilung oder den regelmä ßigen Abstand des Bezugsgitters GS und die Wellenlän ge des Lichts bezogen. Wenn ein Bezugsgitter mit einer Teilung p = 1,6 µm verwendet wird und wenn die Wel lenlänge 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 Interferenzintensität 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 Intensi tätsverteilung des hierbei erzeugten Beugungslichts kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt wer den:

I = I₀ + I₁ cos[2π . X/{p/(m - n)}]

worin ist:
X der Wert der relativen Änderung zwischen der Basisplatte und dem Bezugsgitter,
p die Teilung oder der regelmäßige Abstand des Bezugsbeugungsgitters,
m die Beugungsordnung des Lichts vom Gitter koppler GC1 durch das Beugungsgitter,
n die Beugungsordnung des Lichts vom Gitter koppler 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 Be zugsgitter GS sich um eine Teilung von 0,1 µm bewegt, ein Sinuswellensignal mit einer Periode erzeugt wird. Der Detektor PD zählt die Perioden dieser Sinuswellen signale, so daß die Größe der Bewegung des Bezugsgit ters GS gemessen werden kann.

Das Entfernungsmeßgerät der Gitterinterferenz- Bauart der vorliegenden Erfindung hat eine Lichtquelle, optische Glieder und einen Ermittlungssystem-Verar beitungskreis, die integriert auf derselben Basisplatte zusammengefaßt sind. Demzufolge kann die Größe ver mindert 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 not wendig, zwei Signale zu erhalten, deren Phasen relativ um einen einem Viertel der Periode entsprechenden Wert verschoben sind.

Ein spezielles Beispiel ist in Fig. 31 dargestellt, wobei das Bezugsgitter GS durch zwei Gitterreihen GL1 und GL2 gebildet ist, deren Phasen relativ mit Bezug zur Bewegungsrichtung des Bezugsgitters GS um einen Wert, der 1/4x(m - n) der Gitterteilung entspricht, ver schoben sind. Zusätzlich sind an der Basisplatte SB zwei lichtelektrische Fühler PD1 und PD2 ausgebildet, die den beiden Gitterreihen 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 1/4 der Periode verschoben sind, wie in Fig. 32 gezeigt ist, zu erhalten.

Die Fig. 33 zeigt ein Beispiel, wobei ein Entfernungs meßgerät der Gitterinterferenz-Bauart als eine optische Überlagerungs-(Heterodyn-)Meßvorrichtung vorgese hen ist.

Bei diesem Beispiel ist eine Frequenzverschiebeein richtung FS, die beispielsweise eine akustische Oberflä chenwellenvorrichtung umfaßt, in der Mitte des Strah lenganges 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 eine Oszillators OSC entspricht, ver schoben. Lichtwellen der Frequenz f₀ und der Frequenz f₀ + Δf werden auf Gitterkoppler GC1 und GC2 proji ziert 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[2πΔft - 2πX/{p/(m - n)}]

Hieraus ist zu sehen, daß durch Ermitteln einer Pha sendifferenz mit Bezug zu einem Ausgangssignal vom Oszillator OSC unter Verwendung eines Phasenermitt lungskreises PSD die Größe der Bewegung des Bezugs gitters GS und dessen Bewegungsrichtung 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 Git ters (s. beispielsweise Fig. 31) für die Unterscheidung der Bewegungsrichtung 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 Ausfüh rungsformen von Fig. 30 und 33, die als integrierte Krei se 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 ei nes Bezugsgitters) und eines elektrischen Signalverar beitungssystems auf einem einzigen Basisteil in einer Entfernungsmeßvorrichtung der Gitterinterferenz-Bau art 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 gewährlei stet wird.

Üblicherweise enthält ein optische System in einem Entfernungsmeßgerät der Gitterinterferenz-Bauart Spiegel oder Winkelspiegel (Corner-Cubes). Insbeson dere werden Spiegel oder dgl. in einem optischen Sy stem zur Projektion von Licht auf ein Gitter verwendet. Das führt jedoch zu einer Schwierigkeit in der Justie rung der Anordnung oder Baugruppe und in einer kom pakten Ausbildung der Vorrichtung.

Die Fig. 34 zeigt ein Beispiel, wobei ein Doppelbre chungsprisma, wie ein Wollaston-Prisma, verwendet wird, um Licht auf ein relativ sich bewegendes Gitter zu projizieren, so daß ein optisches System, um das Licht auf das Gitter zu richten, in seinem Aufbau vereinfacht wird.

Gemäß Fig. 34 wird ein von einer Lichtquelle LD, z. B. einem Halbleiterlaser oder dgl., ausgesandtes Licht in eine ebene Welle mit Hilfe eines Kollimatorobjektivs CL umgewandelt, worauf die auf diese Weise gebildete ebene Welle rechtwinklig auf ein Wollaston-Prisma WP einfällt. Das Wollaston-Prisma wird durch Verkitten von zwei Gliedern, z. B. Kalzitgliedern, aus einem dop peltbrechenden Material, die wie ein Prisma ausgestal tet sind, gebildet. Das auf das Wollaston-Prisma einfal lende Licht wird in zwei polarisierte, zueinander recht winklige Lichtkomponenten zerlegt, die beide abgelei tet werden können, wie die Fig. 35 zeigt. Das auf das Wolaston-Prisma WP zu projizierende Licht kann ein linear polarisiertes Licht, das eine um 45° mit Bezug zu einem p-polarisierten Licht LOp und einem s-polarisier ten Licht LOs geneigte Polarisationsrichtung hat, oder alternativ ein zirkular polarisiertes Licht, das durch Ein fügen eines λ/4-Plättchens zwischen das Kollimatorob jektiv CL und das Wollaston-Prisma WP erzeugt wird, sein.

In Fig. 35 sind die vom Wollaston-Prisma WP austre tenden Lichtstrahlen solche, daß ihre p-polarisierten Lichtkomponenten und s-polarisierten Lichtkomponen ten den gleichen Einfallswinkel mit Bezug zum Gitter GS haben, wobei jedoch die Einfallswinkel dieser pola risierten Lichtkomponenten entgegengesetzte Vorzei chen haben. Wenn diese Lichtstrahlen durch ein λ/4-Plättchen QW treten, werden das p- und das s-pola risierte Licht in zirkular polarisiertes Licht mit entge gengesetzten Drehrichtungen umgewandelt. Diese zir kular polarisierten Lichtstrahlen können räumlich mit einander interferieren. Das interferierende Licht wird durch einen Strahlenteiler BS in zwei Strahlen geteilt, die auf zwei Photodetektoren PD1 bzw. PD2, vor de nen jeweils Polarisationsplatten PP1 und PP2 angeord net sind, gerichtet werden. Durch diesen Vorgang wer den Signalausgänge, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, erhalten, und durch die Ausführung der elektrischen Verarbeitung, die mit Bezug auf die Vorrichtung von Fig. 1 beschrieben wurde, werden Signale des Entfer nungsmeßgeräts der Gitterinterferenz-Bauart erlangt. Die Polarisationsachsen der Polarisationsplatten PP1 und PP2 sind um 45° mit Bezug zueinander verschoben.

Bei der Vorrichtung von Fig. 34 können als das Dop pelbrechnungsprisma ein Rochon-Prisma, ein Glan- Thompson-Prisma oder dgl. verwendet werden. Wenn diese Prismen zur Anwendung kommen, so weicht je doch die Beziehung zwischen dem verwendeten Prisma und dem darauf einfallenden Licht von der Beziehung (rechtwinkliger Einfall), die bei Verwendung eines Wol laston-Prismas festgesetzt wird, ab.

Die Fig. 36 zeigt ein Beispiel einer Entfernungsmeß vorrichtung der Gitterinterferenz-Bauart, wobei Win kelspiegel (Corner-Cubes) verwendet werden, um die Strahlengänge abzulenken oder zu brechen, so daß je des Beugungslicht zweimal hin- und hergeht, wodurch die Zahl der Lichtteilungen durch ein Entfernungsmeß- Bezugsgitter GS auf 8 erhöht wird mit dem Ergebnis einer gesteigerten Auflösung.

Bei einem Entfernungsmeßgerät der in den eingangs erwähnten JP-Patent-OS Nr. 58-191 906 und Nr. 58-191 907 beispielsweise offenbarten Bauart ändert sich die Lichtmenge an einem Lichtfühler mit Interval len, die 1/4 der Teilung eines verwendeten Gitters ent sprechen, wie durch die Signale R und S, die in den Teilen (a) und (b) von Fig. 3 gezeigt sind, dargestellt ist. Bei dem in diesen JP-Patentanmeldungen offenbarten Entfernungsmeßgerät der Gitterinterferenz-Bauart wird die Periode eines solchen Lichtmengen-Erfas sungsignals (R oder S) elektrisch geteilt, um die Anzahl der Impulssignale pro einer Teilung des Gitters zu erhö hen und dadurch die Auflösung zu verbessern. Wenn die Teilung durch eine elektrische Verarbeitung erfolgt, so besteht jedoch die Möglichkeit, daß sich der Impulsab stand mit der Änderung in der Amplitude eines Signals oder im Gleichstrompegel ändert. Wenn das eintritt, wird die Genauigkeit verschlechtert.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform ist im Vergleich dazu das optische System des Meßgeräts so angeordnet, daß die Anzahl der Lichtbeugungen am Entfernungsmeß-Bezugsgitter GS erhöht wird, was zum Ergebnis hat, daß die Lichtmenge an einem Lichtfühler sich um viele Male (z. B. achtmal) während einer Zeitpe riode ändert, in welcher das Bezugsgitter GS sich um einen einer Teilung von diesem entsprechenden Wert bewegt. Bei dieser Anordnung ändert sich die Lichtmen ge am Lichtfühler in sehr kurzen Intervalle 03532 00070 552 001000280000000200012000285910342100040 0002003816248 00004 03413n, wie bei spielsweise einem Achtel der Teilung des Bezugsgitters. Dadurch wird durch die optische Anordnung selbst die Anzahl der Teilungen mit Bezug auf das Gitter (Gitter teilung) erhöht.

In Fig. 36 wird das von einer Lichtquelle LD, die beispielsweise einen Halbleiterlaser umfaßt, des opti schen Entfernungsmeßsystems der Gitterinterferenz- Bauart ausgehende Licht in ein ebenwelliges Licht LO durch ein Kollimatorobjektiv CL umgewandelt und fällt dann auf einen Punkt P1 am Entfernungsmeß-Bezugs gitter GS, das in einer relativ bewegbaren Beziehung zum optischen Entfernungsmeßsystem steht. Das auf das Bezugsgitter GS einfallende Licht wird durch dieses gebeugt. Beugungslichtstrahlen L11 und L12 von posi tiver und negativer Ordnung n, die dadurch erzeugt werden, treten jeweils in die Winkelspiegel CC1 und CC2 ein, durch die sie reflektiert werden, und jedes reflektierte Licht pflanzt sich in einer zu seinem ankom menden Weg parallelen und umgekehrten Richtung fort. Die von den Winkelspiegeln CC1 und CC2 reflek tierten Lichtstrahlen fallen wieder auf das Bezugsgitter GS an den jeweiligen Punkten P2 sowie P3 und werden erneut durch das Gitter GS gebeugt. Diese gebeugten Lichtstrahlen L21 und L22 treten durch Phasenplatten FP1 und FP2, so daß der Polarisationszustand eines jeden Lichts geändert wird. Nach der Reflexion durch die Winkelspiegel CC3 und CC4 gelangen die Licht strahlen L21 und L22 zurück zum Gitter GS an den Punkten P4 sowie P5 und werden erneut durch das Gitter GS gebeugt. Diese gebeugten Lichtstrahlen L31 und L32 werden wiederum durch die Winkelspiegel CC1 bzw. CC2 gebeugt, kehren zurück zum Gitter GS und fallen am selben Punkt P6 ein, an dem sie wiederum gebeugt werden (vierte Beugung). Diese vierten Beu gungslichtstrahlen L41 und L42 interferieren miteinan der. Das interferierende Licht gelangt über einen Spie gel MR zu einem Strahlenteiler HM, wo eine Trennung in zwei Lichtstrahlen erfolgt, die durch Polarisations platten PP1 bzw. PP2 zu Fühlern PD1 bzw. PD2 ge richtet werden.

Die Phasenplatten FP1 und FP2 können beispiels weise λ/4-Plättchen umfassen und sind so festgesetzt, daß ihre starken Achsen mit Winkeln von +45° und -45° mit Bezug zu den linear polarisierten Komponen ten der Laserstrahlen L21 und L22 geneigt sind. Auch können die Polarisationsplatten PP1 und PP2 so fest gelegt werden, daß sie jeweils Winkel mit 0° und 45° haben. Mit der oben beschriebenen Anordnung sind sol che Signale mit Intensitäten, welche sich mit einem Pha senunterschied von 90° unterscheiden, an den beiden Fühlern PD1 und PD2 zu erhalten. Ferner werden, wenn die Teilung des Entfernungsmeß-Bezugsgitters 2,4 µm beträgt und wenn die Beugungsordnung an je dem der verschiedenen Punkte und bei jeden Zeiten "±1. Ordnung" ist, an den Fühlern PD1 und PD2 solche Signale erzeugt, die einen 0,3-µm-Abstand haben, der 1/8 der Teilung des Gitters beträgt. Durch Teilen des auf diese Weise bestimmten Impulsintervalls in Überein stimmung mit dem elektrischen Teilungsverfahren, das beispielsweise unter Bezugsnahme auf die Fig. 2 und 4 beschrieben wurde, sind Impulssignale in einer Anzahl, die zweimal größer ist als die oben beschriebene Im pulsanzahl, zu erhalten, d. h., es können 32 Impulse pro einer Teilung mit einem Abstand von 0,075 µm erhalten werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen einer Änderung in der Relativlage eines ersten und zweiten relativ zueinander bewegbaren Gegenstandes mit einer ersten Erfassungseinrichtung mit einer relativ groben Auflösung zum Erfassen einer Änderung in der Relativlage zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand in der Längeneinheit einer vorgegebenen Teilung und einer zweiten Erfassungseinrichtung mit einer relativ feinen Auflösung, die in der Lage ist, eine Änderung der Relativlage zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand über eine Entfernung zu erfassen, die kleiner ist als die vorgegebene Teilung, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Erfassungseinrichtung (LD, PS) eine nach dem Triangulationsprinzip arbeitende optische Erfassungseinrichtung ist, die am ersten oder zweiten Gegenstand (SR, SP) angeordnet ist und eine Lichtprojektions einrichtung (LD) zur Projektion eines Lichtstrahls auf einen der beiden Gegenstände sowie eine positionsempfindliche Lichtempfangseinrichtung (PS) zum Empfang des von dem einen Gegenstand reflektierten Lichtstrahls zur Bestimmung der Relativlage zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand (SR, SP) aus der Lage des Einfallspunktes des Lichtstrahls auf der positionsempfindlichen Lichtempfangseinrichtung (PS) aufweist, wobei der Einfallspunkt des reflektierten Lichtstrahls sich mit der relativen Lage der optischen Erfassungseinrichtung und dem einen, durch den Lichtstrahl von der Lichtprojektionseinrichtung (LD) angestrahlten Gegenstand ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der Gegenstände eine Mehrzahl von geneigten Flächen ausgebildet sind, die in Reihe mit einer vorbestimmten Teilung längs der Relativbewegungsrichtung angeordnet sind und von denen jede mit Bezug zur Rela tivbewegungsrichtung geneigt ist und die Entfernungsmessung senkrecht zur Richtung der Relativbewegung der zwei Gegen stände zueinander erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Flächen ein Gitter (GS) bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei Reihen von geneigten Flächen parallel zu einander um eine halbe Länge einer Fläche versetzt angeordnet sind und längs der Relativbewegungseinrichtung ausgebildet sind, daß die geneigten Flächen in den zwei Reihen Maßstäbe mit Teilungen (P_B) aufweisen, die relativ zueinander an nähernd um die Hälfte einer Teilung verschoben sind, daß die Meßeinrichtung jeweils Meßpunkte mit Bezug zu den zwei Reihen aufweist und daß die Meßeinrichtung die Relativbewegungs strecke (A) durch abwechselnde Verwendung der Meßergebnisse mit Bezug zu den beiden Meßpunkten ermittelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zwei Meßpunkte auf weist, die längs der Relativbewegungsrichtung um einen Wert verschoben sind, der annähernd gleich einem ungeraden Viel fachen einer Hälfte einer Teilung (P) ist, und daß die Er mittlungseinrichtung die Relativbewegungsstrecke durch ab wechselnde Verwendung der Meßergebnisse mit Bezug zu den bei den Meßpunkten erfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein optisches System (MH) enthält, wobei neben den Reihen der geneigten Flächen eine Bezugsfläche (FT) verläuft, in der sich der Fokus des optischen Systems befindet und in bezug auf diese Fläche die Abstandswerte zu den geneigten Flächen gemessen werden, und daß die Meßeinrichtung ein dem Fokussierzustand des optischen Systems mit Bezug zur geneigten Fläche entsprechendes Signal erzeugt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekenn zeichnet durch eine Impulssignal-Ausgabeeinrichtung, die jedesmal bei einer Relativbewegung der zwei Gegenstände (SR, SP) über eine vorbestimmte Teilung ein Impulssignal ausgibt, wobei sich der Meßwert aus den Impulsen des inkrementalen Längenmeßsystems und dem aus dem Höhenmeßwert abgeleiteten Interpolationswert zusammensetzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssignal-Ausgabeeinrichtung ein Entfernungs meßgerät der Gitter-Interferenz-Bauart (GS, HM) umfaßt.

9. Vorrichtung zum Erfassen einer Änderung in der Relativ lage eines ersten und zweiten relativ zueinander bewegbaren Gegenstands mit einer ersten Erfassungseinrichtung mit einer relativ groben Auflösung zum Erfassen einer Änderung in der Relativlage zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand in der Längeneinheit einer vorgegebenen Teilung und einer zweiten Erfassungseinrichtung mit einer relativ feinen Auflösung, die in der Lage ist, eine Änderung der Relativlage zwischen dem ersten und, zweiten Gegenstand über eine Entfernung zu erfas sen, die kleiner ist als die vorgegebene Teilung, gekennzeichnet
durch eine erste Meßeinrichtung, die (i) eine am ersten Gegenstand (SR) vorgesehene und mit Bezug zum ersten Gegen stand bewegbare Bewegungseinrichtung (AFS), (ii) eine am zweiten Gegenstand (SP) oder der Bewegungseinrichtung vorge sehene Lichtquelle (LD), die ein Licht (L11, L12) zur Bewegungseinrichtung oder zum zweiten Gegenstand hin pro jiziert, und (iii) Photodetektoreinrichtungen (PD1, PD2), die am zweiten Gegenstand (SP) oder der Bewegungseinrichtung (AFS) vorgesehen sind, um das von der Bewegungseinrichtung oder vom zweiten Gegenstand zurückkehrende Licht zu erfassen, umfaßt, wobei die erste Meßeinrichtung ein Impulssignal (R, S) auf der Grundlage einer Änderung in einer Interferenz lichtintensität, die mit der Relativverlagerung zwischen dem zweiten Gegenstand und der Bewegungseinrichtung im ankom menden Licht hervorgerufen wird, jedesmal erzeugt, wenn der zweite Gegenstand (SP) und die Bewegungseinrichtung (AFS) sich relativ über eine vorbestimmte Teilung verlagern, durch eine zweite Meßeinrichtung, die Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Pegelsignals aufweist, das in Übereinstimmung mit der Größe der Relativverlagerung zwischen der Bewegungseinrichtung (AFS) und dem ersten Gegenstand (SR) sowie innerhalb eines Bereichs der vorbestimmten Teilung veränderlich ist,
durch eine Steuereinrichtung (FD), die betätigbar ist, um die Bewegungseinrichtung (AFS) nach der Relativbewegung zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand relativ zu bewegen, und durch eine Ermittlungseinrichtung (CPU), die die Reltivbewe gungsstrecke des ersten (SR) und zweiten Gegenstands (SP) auf der Grundlage des auf die Relativbewegung des ersten sowie zweiten Gegenstands sich beziehenden Impulssignals und des elektrischen Pegelsignals, das das Bewegungsstrecke ent spricht, die die Bewegungseinrichtung (AFS) nach der Rela tivbewegung des ersten und zweiten Gegenstands, bis die erste Meßeinrichtung ein zweites Impulssignal erzeugt, durchlaufen hat, ermittelt, wobei die Messung der Bewegungsstrecke in Bewegungsrichtung erfolgt und die Bewegungseinrichtung (AFS) vor Beginn der Messung so eingestellt wird, daß der Fokus einer von der Bewegungseinrichtung (AFS) ausgehende Abstandsmeßstrahls genau und dem Planspiegel (PM) liegt, der an dem ersten Gegenstand (SR) angeordnet ist, wobei, nachdem die Relativbewegung zwischen SP und SR grob durch die Impulssignale (R + S, R - S) der Detektoren (PD1 und PD2) festgelegt ist, die Bewegungseinrichtung (AFS) solange entgegen der ursprünglichen Meßrichtung zurückge fahren wird, bis die erste Erfassungseinrichtung erneut einen Impuls abgibt, wobei die Endstellung des Gegenstands durch Addition der von der zweiten Erfassungseinrichtung ermittel ten Defokussierung und den von der ersten Erfassungseinrich tung ermittelten Inkrementen erhalten wird.

10. Vorrichtung nach Ansprach 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßeinrichtung eine Lichtquelle (LD), ein Beleuchtungssystem (CL, HM1, HM2), ein optisches Ermitt lungssystem und einen Photodetektor (PD1, PD2), die am zweiten Gegenstand (SP) vorgesehen sind, und ein Beugungsgit ter (GS), das an der Bewegungseinrichtung (AFS) vorgesehen ist, umfaßt, daß Licht von der Lichtquelle mittels des Beleuchtungssystems auf das Beugungsgitter zur Erzeugung von Beugungslicht gerichtet wird, daß das vom Beugungsgitter erzeugte Beugungslicht vom Photodetektor durch das optische Ermittlungssystem erfaßt wird, wobei ein Impulssignal erzeugt wird, und daß die erste Meßeinrichtung das auf diese Weise erhaltene Impulssignal ausgibt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die erste Meßeinrichtung ein interferometri sches Laser-Entfernungsmeßgerät (LZ, IU, CP) umfaßt.

12. Vorrichtung zum Erfassen einer Änderung in der Relativ lage eines ersten und zweiten relativ zueinander bewegbaren Gegensandes mit einer ersten Erfassungseinrichtung mit einer relativ groben Auflösung zum Erfassen einer Änderung in der Relativlage zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand in der Längeneinheit einer vorgegebenen Teilung und einer zweiten Erfassungseinrichtung mit einer relativ feinen Auflösung, die in der Lage ist, eine Änderung der Relativlage zwischen dem ersten und zweiten Gegenstand über eine Entfernung zu erfas sen, die kleiner ist als die vorgegebene Teilung, gekennzeichnet
durch eine erste Meßeinrichtung, die (i) eine am ersten Gegenstand (ST) vorgesehene und mit Bezug zum ersten Gegen stand bewegbare Bewegungseinrichtung (AT), (ii) eine am er sten Gegenstand oder der Bewegungseinrichtung vorgesehene Lichtquelle (LD), die ein Licht zur Bewegungseinrichtung oder zum ersten Gegenstand hin projiziert, und (iii) Photodetek toreinrichtungen, die am ersten Gegenstand oder an der Bewegungseinrichtung vorgesehen sind, um das von der Bewegungseinrichtung oder vom ersten Gegenstand zurückkeh rende Licht zu erfassen, umfaßt, wobei die erste Meßeinrich tung ein Impulssignal auf der Grundlage einer Änderung in einer Interferenzlichtintensität, die mit der Relativver lagerung zwischen dem ersten Gegenstand und der Bewegungsein richtung im ankommenden Licht hervorgerufen wird, jedesmal erzeugt, wenn der erste Gegenstand (SR) und die Bewegungsein richtung (AF) sich relativ über eine vorbestimmte Teilung verlagern,
durch eine zweite Meßeinrichtung, die Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Pegelsignals aufweist, das in Übereinstimmung mit der Größe der Relativverlagerung zwischen der Bewegungseinrichtung (AF) und dem zweiten Gegenstand (SP) sowie innerhalb eines Bereichs der vorbestimmten Teilung veränderlich ist,
durch eine Steuereinrichtung (FF), die betätigbar ist, um die Bewegungseinrichtung (AF) nach der Verlagerung zwischen dem ersten sowie zweiten Gegenstand relativ zu bewegen, und durch eine Ermittlungseinrichtung (CPU), die die Relativbewe gungsstrecke des ersten sowie zweiten Gegenstands (SR, SP) auf der Grundlage des auf die Relativbewegung der Bewegungs einrichtung sich beziehenden Impulssignals und des elektri schen Pegelsignals, das von der zweiten Meßeinrichtung zur Zeit, da die erste Meßeinrichtung ein vorbestimmtes Im pulssignal erzeugt, ausgegeben wird, ermittelt.