EP1417459A2 - Verfahren und vorrichtung zum messen von translationsbewegungen zwischen einer oberfläche und einer messvorrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum messen von translationsbewegungen zwischen einer oberfläche und einer messvorrichtung

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EP1417459A2
EP1417459A2 EP02764547A EP02764547A EP1417459A2 EP 1417459 A2 EP1417459 A2 EP 1417459A2 EP 02764547 A EP02764547 A EP 02764547A EP 02764547 A EP02764547 A EP 02764547A EP 1417459 A2 EP1417459 A2 EP 1417459A2
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EP
European Patent Office
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light
reflected
diffraction grating
detector
propagation component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02764547A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas BRÄUER
Herbert Brunner
Peter Dannberg
Peter Schreiber
Ulrich STEEGMÜLLER
Uwe Zeitner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1417459A2 publication Critical patent/EP1417459A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for high-resolution contactless measurement of one- and / or two-dimensional translation movements between a rough or diffusely scattering surface of an object and a measuring device with detection of the amount and the direction of the translation movement according to patent claims 1 and 6.
  • translational movements between a measuring arrangement and a surface that extends in the x-y plane of an orthogonal reference system are measured by a light source having a coherent one
  • a first detector arrangement receives the light reflected on the diffraction grating with a propagation component in -y - direction, which is superimposed on the light scattered on the surface
  • a second detector arrangement receives the light reflected on the diffraction grating with a propagation component in -iy - Direction that is superimposed on the light scattered on the surface
  • the detector arrangement having a beam splitter and a first and a second detector for detecting a first and a second measurement signal, and a device for generating a phase difference between the beam splitter and the first and second detector is provided between the first and the second measurement signal.
  • the device for generating a phase difference preferably has a first polarization filter with a first polarization vector between the beam splitter and the first or third detector and / or a second polarization filter with a second polarization vector different from the first polarization vector between the beam splitter and the second or fourth detector or alternatively between the beam splitter and the first or third detector a first phase delay layer with a first phase delay preferred axis parallel to the direction of polarization of the reflected light and / or between the beam splitter and the second or fourth detector a second phase delay layer with a second phase delay Preferred axis perpendicular to the direction of polarization of the reflected light.
  • 4A and 4B are schematic representations of a diffraction grating and a circular polarizer of the measuring device of FIG. 3 in section and in plan view;
  • a monochromatic light source 2 such as a laser diode
  • a main propagation component in the positive z direction downward in FIGS. 1 and 2
  • the direction of polarization in the xy plane is parallel to the x axis.
  • This light c is first collimated with a collimation lens 3. 1 and 2, an aspherical plano-convex lens is used as the collimation lens 3, the plane side 3a of which lies on the side facing away from the light source 2.
  • Adjacent to the diffraction grating 4 is a circular polarizer, which is composed of a device 5 for phase delay and a linear polarizer 6.
  • the device 5 for phase delay is a so-called ⁇ / 4 phase plate and the linear polarizer 6 is a polarization filter, the transmission direction of the polarization filter 6 being rotated through 45 ° to the optical axis of the ⁇ / 4 phase plate 5.
  • the light s scattered back and transmitted by the system of circular polarizers 5, 6 and diffraction grating 4 is superimposed on the light r reflected in different diffraction orders at the diffraction grating 4.
  • This interference signal resulting from the superimposition is received by a plurality of detector arrangements 9, a detector arrangement 9 -y , 9 + y , 9_ x being provided for each diffraction order.
  • a fourth detector arrangement 9 + x which would receive the reference beam of the reflected light r + x with a propagation component in the + x direction and the scattered light s and would split the interference beam into a third light beam i 3 and a fourth light beam i 4 for a third and fourth detector 12, 13, respectively not provided in this embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • the electrical measurement signals generated by the detectors 12, 13 are amplified by suitable electronic amplifiers in the evaluation circuit before they are evaluated further.
  • a device for generating a phase difference between the first or third light beam i 1 # i 3 and the second or fourth light beam i 2 , i is arranged in front of each pair of detectors 12, 13 and acts as an analyzer for the incident light.
  • the exact structure of this device 14, 15 for generating the phase difference and its mode of operation are explained in more detail below with reference to FIGS. 5 and 6.
  • Polarization-sensitive applications typically use external, discrete and glass-laminated polarization elements built into the detection beam path based on absorbent film linear polarizers.
  • Conventional, inexpensive film polarizers show a high temperature sensitivity, which on the one hand requires complex protective measures and, moreover, cannot be integrated on the detector chip because of the usual soldering temperatures.
  • stable polarizers based on Polarcor or light-crosslinking polymers are preferably used, with which the polar effect can be achieved directly on the semiconductor chip.
  • the high temperature resistance of these materials also allows the use of standard soldering processes.
  • linear polarizers based on glass polarizers such as Polarcor can be used to generate the phase difference.
  • the one photodiodes 12 are covered with a first linear polarizer 14, the preferred axis 32 of which is at + 45 ° is inclined to the polarization vector 34 of the reference light r.
  • the other photodiodes 13 are provided with a second linear polarizer 15, the preferred axis 33 of which is inclined at -45 ° to the polarization vector 34 of the reference light.
  • the integrated circuit or evaluation circuit provided on the substrate 35 contains various analog and digital assemblies, such as amplification, filter and logic functions, in order to convert digital output signals (voltage-time) from the electrical current-time measurement signals proportional to the movement of the surface. Signals). This includes in particular DC voltage suppression, high and low frequency filters, maximum or zero crossing detection and
  • all of the interfaces of the support structure 22 described above can have special construction features, such as dust barriers, ventilation openings to avoid Fertilization of microclimate, ESD protection devices and anti-rotation protection included.
  • the fixed connection between the support frame 22 and the housing substrate 16 and the layer structure 21 is preferably carried out by means of UV adhesive technology.
  • a binary height profile is formed in the substrate 24 from square surfaces 25, 26 with two height levels, which are arranged like a checkerboard are, as can be seen in the top view of FIG. 4B.
  • the optically effective height difference between the upper surfaces 25 shown dark in FIG. 4B and the lower surfaces 26 shown light in FIG. 4B is preferably ⁇ / 4 of the wavelength of the laser light source 2 used.
  • the orientation of the square surfaces 25, 26 is 45 ° to the x-axis or to the y-axis and the size of the surfaces is determined by the desired deflection angle of the diffraction orders.
  • Such a grating structure generates four equally strong diffraction orders with an angle of approximately 6.9 ° to the reflection Direction of direct reflection (0th diffraction order).
  • the diffraction order with the propagation component in the + x direction is no longer used.
  • the reference beams of the diffraction orders in the - y direction and in the - y direction on the one hand and in the - x direction and in the + x direction on the other hand generate the same measurement signals in the detector arrangements 9, so that a diffraction order of such a pair of reference beams can basically be dispensed with. If both reference beams, such as the diffraction orders in the - y direction and in the + y direction, are evaluated, the measurement accuracy can be further increased by averaging the two measurement signals thus obtained.
  • the surface profile 25, 26 is coated with a partially reflective layer 27, which has a reflectivity of approximately 10%.
  • a thin metal layer for example made of gold or silicon, can be applied to produce the partially reflecting layer 27.
  • a metal layer is part of the transmitted
  • a beam splitter grating 11 On the plane side of the focusing lenses 10, which faces the detectors 12, 13, a beam splitter grating 11 is attached, which causes the focal points of the focusing lenses to be split into two foci, which correspond to the respective pair of detectors 12, 13.
  • the split light beams are additionally provided with a phase difference, as described above.

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Abstract

Zwischen einer Messanordnung (1) und einer Oberfläche (7) werden Translationsbewegungen gemessen, indem eine Lichtquelle (2) einen kohärenten Lichtstrahl (c) mit einer Hauptausbreitungskomponente in z-Richtung auf die sich relativ zu der Messanordnung in der x-y-Ebene bewegende Oberfläche (7) richtet und vor der Oberfläche ein teilreflektierendes Beugungsgitter (4) positioniert wird, das derart ausgebildet ist, dass das daran reflektierte Licht mehrere Beugungsordnungen (r-y, r+y, r-x) Ausbreitungskomponenten in -y - Richtung, in +y - Richtung, in -x - Richtung und in +x - Richtung aufweist, die gleich stark sind, und dass es einen anderen Teil des kohärenten Lichtstrahls (t) durchlässt, um an der Oberfläche (7) gestreut zu werden und sich mit dem am Beugungsgitter reflektierten Licht zu überlagern.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Translationsbewegungen zwischen einer Oberfläche und einer Messvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum hochauflösenden berührungslosen Messen von ein- und/oder zweidimensionalen Translationsbewegungen zwischen einer rauhen bzw. diffus streuenden Oberfläche eines Objekts und einer Messvorrichtung mit Erkennen des Betrages und der Richtung der Translationsbewegung gemäß Patentanspruch 1 bzw. 6.
Für die Messungen von Relativbewegungen zwischen einer Vor- richtung und einem Objekt existieren in der Praxis verschiedene optische Messverfahren und -Systeme. Diese lassen sich grob einteilen in interferometrische Messmethoden, Autokorrelationsmessungen, aser-Doppler-Anemometrie, LaufZeitmessungen von Pulsen und Encoder.
Bei den erstgenannten interferometrischen Messungen werden mittels Strahlteilung zwei räumlich getrennte, kohärente Teilstrahlen, der Mess- und der Referenzstrahl erzeugt, die nach dem Durchlaufen eines vorbestimmten optischen Weges wie- der zusammengeführt werden und sich dabei interferierend überlagern. Aus den durch die Interferenz entstehenden Intensitätsverteilungen können Rückschlüsse auf die optischen und damit auch die geometrischen Wegdifferenzen der beiden Teil- strahlen gezogen werden. Durch die Aufnahme und Auswertung des Interferenzsignals über einen bestimmten Zeitraum kann eine Weg- oder Geschwindigkeitsbestimmung erfolgen. Mit derartigen interferometrischen Messverfahren werden derzeit die höchsten Genauigkeiten erzielt.
Bei den Autokorrelationsmessungen wird die bewegte Oberfläche eines Objekts von einer Lichtquelle beleuchtet und das reflektierte Licht mit einem flächigen, ortsauflösenden Detek- tor aufgenommen. Aus der Auswertung mehrerer hintereinander aufgenommener Bilder des reflektierten Lichts durch eine Autokorrelationsanalyse der Intensitätsmuster ist es möglich, auf die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit rückzu- schließen. Bei einer inkohärenten Lichtquelle ist im allgemeinen eine Textur der bewegten Oberfläche notwendig, um einen ausreichend hohen Kontrast im reflektierten Lichtmuster zu erzielen. Bei kohärenter Bestrahlung beispielsweise mit einer Laserdiode kann man die durch die Reflexion an Oberflä- chenrauhigkeiten entstehenden sogenannten Speckle-Muster zur Auswertung heranziehen.
Für die Laser-Doppler-Anemometrie wird ein Laserstrahl aufgespalten und die beiden Teilstrahlen werden an einer bestimm- ten Position zur Interferenz gebracht. Passiert ein streuendes Objekt, wie zum Beispiel eine rauhe Oberfläche, den Bereich der entstehenden Interferenzstreifen, so wird ein Teil des Lichts auf einen Detektor gestreut. Das am Detektor gemessene Signal variiert mit der Intensität des Interferenzmu- sters an der Position des streuenden Objekts. Die Frequenz der durch ein bewegtes Objekt bewirkten Signalvariation ist damit proportional zur Geschwindigkeit des streuenden Objekts und kann daher zur Wegmessung herangezogen werden.
Eine weitere Möglichkeit zur optischen Bestimmung eines Weges bzw. einer Wegänderung ist die LaufZeitmessung von Lichtpulsen, die an der Oberfläche des bewegten Objekts reflektiert werden. Wird diese LaufZeitmessung über einen bestimmten Zeitraum hinweg wiederholt durchgeführt, so kann man die re- lative Bewegung des Objekts zu bzw. weg von dem Detektor bestimmen.
Unter dem Begriff Encoder versteht man Winkelcodier- oder Längencodiervorrichtungen, bei denen die Abbildung eines be- wegten Streifenmusters auf Detektorelemente zur Bestimmung des Winkels bzw. des Weges verwendet wird. Hierbei wird mit Hilfe einer inkohärenten Lichtquelle ein mit dem bewegten Ob- jekt verbundener Codestreifen oder verbundenes Coderad, welcher bzw. welches schmale Lichtspalte aufweist, beleuchtet. Die Bewegung des Licht-Schatten-Musters erzeugt mit einer geeigneten, meist vielzahligen Photodiodenanordnung ein peri- odisches Strom-Zeit-Profil, welches durch eine Zählelektronik ausgewertet werden kann. Es existieren Encoder auf Reflexions- als auch auf Transmissionsbasis, die für niedrig- bis hochauflösende Anwendungen geeignet sind.
Ein interferometrisches System, mit dem sowohl der Betrag als auch die Richtung einer Translationsbewegung zwischen einer Messvorrichtung und einer Objektoberfläche erfasst werden kann, ist zum Beispiel in der WO-A-99/46602 sowie deren Weiterentwicklung in der WO-A-99/46603 beschrieben.
Bei dem in diesen Druckschriften offenbarten Messsystem wird die Oberfläche eines bewegten Objekts mit einer kohärenten Lichtquelle bestrahlt und zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche in der Nähe der Oberfläche parallel zu dieser ein teilreflektierendes optisches Element, wie insbesondere ein
Gitter positioniert, so dass ein Teil des einfallenden Lichts von dem Gitter zu einem Detektor reflektiert wird (Referenzstrahl) , während der andere Teil des einfallenden Lichts durch das Gitter zur Oberfläche des bewegten Objekts läuft und an dieser reflektiert wird (Messstrahl) , um sich mit dem Referenzstrahl zu überlagern. Aus der Interferenz der beiden Teilstrahlen erfasst der Detektor ein periodisches Messsignal, aus dessen Frequenz sich der Betrag der Relativbewegung zwischen Messvorrichtung und Objekt parallel zu der Ob- jektoberflache ermitteln lässt . Um neben dem Betrag der Relativbewegung auch die Bewegungsrichtung ermitteln zu können, wird zusätzlich zwischen den beiden Teilstrahlen eine Phasenverschiebung erzeugt, aus deren Vorzeichen man auf die Richtung der Relativbewegung schließen kann.
In der WO-A-99/46602 und der WO-A-99/46603 sind verschiedene mehr oder weniger aufwändige Beispiele zur Erzeugung einer solchen Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen beschrieben. In einer speziellen Ausführungsform weist das Detektormodul ein Strahlteilungsgitter und zwei Detektoren zur Erfassung der beiden so erzeugten Teilstrahlen auf. Vor den Detek- toren sind zwei Polarisatoren angeordnet, deren Polarisationsvektoren um 90° zueinander gedreht sind, so dass die von den Detektoren erfassten Messsignale eine Phasendifferenz von -90° oder +90° je nach Richtung der Relativbewegung aufweisen. Zusätzlich ist in der Nähe der Oberfläche des bewegten Objektes, d.h. angrenzend an das teilreflektierende Gitter, ein Zirkularpolarisator vorgesehen, so dass sich schließlich das linear polarisierte Referenzlicht, das am Gitter reflektiert wird, mit dem zirkulär polarisierten Streulicht, das an der Objektoberfläche reflektiert wird, überlagert, bevor es wie oben beschrieben im Detektormodul geteilt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein interferometrisches Messverfahren bzw. eine Messvorrichtung der oben beschriebenen Art weiterzuentwickeln, mit dem bzw. der auf einfache Weise eine hochauflösende Messung sowohl des Betrages als auch der Richtung einer Translationsbewegung zwischen der Messvorrichtung und einer Objektoberfläche in einer kompakten Messanordnung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Un- teransprüche 2 bis 5 bzw. 7 bis 18.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Translationsbewegungen zwischen einer Messanordnung und einer Oberfläche, die sich in der x-y-Ebene eines orthogonalen Bezugssystems er- streckt, gemessen, indem eine Lichtquelle einen kohärenten
Lichtstrahl mit einer Hauptausbreitungskomponente in z-Richtung des orthogonalen Bezugssystems in Richtung auf die sich relativ zu der Messanordnung in y-Richtung bewegende Oberfläche richtet und vor der Oberfläche ein teilreflektierendes Beugungsgitter positioniert wird, das derart ausgebildet ist, dass das daran reflektierte Licht Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung und Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung aufweist, die gleich stark sind, und dass es einen anderen Teil des kohärenten Lichtstrahls durchläset, um an der Oberfläche gestreut zu werden und sich anschließend mit dem am Beugungs- gitter reflektierten Licht zu überlagern. Das an der Oberfläche gestreute Licht wird außerdem zirkulär polarisiert. Eine erste Detektoranordnung empfängt das an dem Beugungsgitter reflektierte Licht mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht überlagert, und/oder eine zweite Detektoranordnung empfängt das an dem Beugungsgitter reflektierte Licht mit einer Ausbreitungskomponente in -i-y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht überlagert, wobei die Detektoranordnung einen Strahlteiler und einen ersten und einen zweiten Detektor zur Erfassung eines ersten bzw. zweiten Messsignals aufweist und zwischen dem Strahlteiler und dem ersten und zweiten Detektor eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal vorgesehen ist. Schließlich werden das erste und das zweite Messsignal einer Auswerteschaltung zugeführt, um die Bewegungsrichtung in y-Richtung aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal und den Betrag der Bewegung in y-Richtung aus der Frequenz der Amplitudenänderung des ersten und des zweiten Messsignals zu ermitteln.
Zur Erfassung der eindimensionalen Translationsbewegung der Oberfläche relativ zu der Messanordnung entlang der y-Richtung wird die Frequenz der Amplitudenänderungen der Interfe- renzsignale, die sich durch die Überlagerung des Referenzstrahls (des am Beugungsgitter reflektierten Lichts) und des Messstrahls (des an der Oberfläche gestreuten Lichts) erge- ben, bestimmt bzw. die Nulldurchgänge oder Maxima der Signalverläufe gezählt. Zur Richtungserkennung nutzt die Erfindung die kohärente Überlagerung von zirkulär polarisiertem Streulicht mit linear polarisiertem Referenzlicht, wobei die in der Detektoranordnung erzeugte Phasenverschiebung nur auf das zirkular polarisierte Streulicht wirkt, das linear polarisierte Referenzlicht hingegen nicht beeinflusst, so dass aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen den zwei Messsignalen auf die Bewegungsrichtung geschlossen werden kann. Bei der Verwendung von zwei Detektoranordnung für die Erfassung der Bewegung der Objektoberfläche in y-Richtung kann die Genauigkeit der Messung erhöht werden.
Um zweidimensionale Translationsbewegungen der Oberfläche zu erfassen ist das teilreflektierende Beugungsgitter derart ausgebildet, dass das daran reflektierte Licht Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung, Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung und Beugungsordnungen mit einer
Ausbreitungskomponente in +X - Richtung aufweist, und die Messvorrichtung weist weiter eine dritte Detektoranordnung zum Empfangen des an dem Beugungsgitter reflektierten Lichts mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht überlagert, und/oder eine vierte Detektoranordnung zum Empfangen des an dem Beugungsgitter reflektierte Lichts mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht überlagert, auf. Die dritte und/oder die vierte Detektoranordnung sind mit einem
Strahlteiler und einem dritten und einem vierten Detektor zur Erfassung eines dritten bzw. vierten Messsignals versehen, wobei zwischen dem Strahlteiler und dem dritten und vierten Detektor eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal vorgesehen ist. Neben der Auswertung des ersten und zweiten Messsignals bezüglich der y-Richtung werden nun auch das dritte und das vierte Messsignal der Auswerteschaltung zugeführt, um die Bewegungsrichtung in x-Richtung aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal und den Betrag der Bewegung in x-Richtung aus der Frequenz der Amplitudenänderung des dritten und des vierten Messsignals zu ermitteln.
Die Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz weist vorzugsweise zwischen dem Strahlteiler und dem ersten bzw. dritten Detektor einen ersten Polarisationsfilter mit einem ersten Polarisationsvektor und/oder zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten bzw. vierten Detektor einen zweiten Polarisationsfilter mit einem von dem ersten Polarisationsvektor unterschiedlichen zweiten Polarisationsvektor oder alternativ zwischen dem Strahlteiler und dem ersten bzw. dritten Detektor eine erste Phasenverzögerungsschicht mit einer ersten Phasenverzögerungs-Vorzugsachse parallel zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts und/oder zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten bzw. vierten Detektor eine zweite Phasenverzögerungsschicht mit einer zweiten Phasenver- zögerungs-Vorzugsachse senkrecht zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts auf.
Um Platz zu sparen, können die ersten und dritten Detektoren und die zweiten und vierten Detektoren jeweils in einer Reihe angeordnet sein und eine gemeinsame Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz aufweisen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Lichtquelle und dem Beugungsgitter eine Kollimationslinse vorgesehen ist, die dem Beugungsgitter zugewandt eine plane Seite aufweist, die um einen Winkel gegen die x-y-Ebene geneigt ist, so dass der kohärente Lichtstrahl um einen Winkel zur z-Richtung geneigt wird. Auf diese Weise wird der geome- trische Abstand zwischen der Lichtquelle und den Detektoren vergrößert und gleichzeitig kann die Gesamtlänge des Messsystems verkürzt werden. Das Beugungsgitter ist vorteilhafterweise ein in x- und y- Richtung periodisches Oberflächenprofil auf einem Substrat, auf dem eine teilreflektierende Schicht, beispielsweise in Form einer dielektrischen Interferenzschicht, vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Oberflächenprofils als ein binäres Höhenprofil mit einer Höhendifferenz zwischen oberen Flächen und unteren Flächen, wobei die oberen und die unteren Flächen im wesentlichen quadratisch ausgebildet sind und die Seiten der quadratischen oberen und unteren Flächen gegenüber der x-Achse bzw. der y-Achse um 45° verdreht sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung im Schnitt der x-z-Ebene zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung im Schnitt der y-z-Ebene zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt;
Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen eines Beugungsgitters und eines Zirkularpolarisators der Messvorrichtung von Fig. 3 im Schnitt bzw. in Draufsicht;
Fig. 5A und 5B schematische Darstellungen von zwei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen von Detektoren und Vorrichtungen zur Erzeugung einer Phasendifferenz der Messvorrichtung von Fig. 3; und Fig. 6 eine schematische Darstellung von Detektoren und Vorrichtungen zur Erzeugung einer Phasendifferenz gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel .
Zunächst werden anhand der Fig. 1 und 2 der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Messanordnung sowie das erfindungsgemäße Messverfahren erläutert. Zum Zwecke der einfacheren Darstellung ist die Messanordnung in ein rechtwinkliges x-y-z-Koordinatensystem gelegt, wobei sich die Oberfläche des Objekts in der x-y-Ebene erstreckt und auch die Relativbewegung zwischen Messanordnung und Oberfläche in der x-y-Ebene erfolgt. Die beiden Fig. 1 und 2 zeigen schematische Schnitt - darstellungen, die senkrecht zueinander stehen, so dass sich in Zusammenschau der beiden Ansichten der räumliche Aufbau der Messanordnung ergibt.
In dem gedachten x-y-z-Koordinatensystem befindet sich eine monochromatische Lichtquelle 2, wie zum Beispiel eine Laserdiode, im Koordinatenursprung und strahlt linear polarisier- tes Licht c mit einer Hauptausbreitungskomponente in positiver z-Richtung (nach unten in Fig. 1 und 2) ab, dessen Polarisationsrichtung in der x-y-Ebene parallel zur x-Achse liegt. Dieses Licht c wird zunächst mit einer Kollimations- linse 3 kollimiert. Als Kollimationslinse 3 ist in dem Aus- führungsbeispiel der Fig. 1 und 2 eine asphärische Plankonvexlinse eingesetzt, deren Planseite 3a auf der der Lichtquelle 2 abgewandten Seite liegt.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Planseite 3a der Kollima- tionslinse 3 um einen Winkel α gegen die x-y-Ebene geneigt, um eine leichte Ablenkung des kollimierten Lichtstrahls c um einen Winkel ß gegenüber der z-Richtung zu realisieren. Diese Ablenkung kann genutzt werden, um den Abstand zwischen der Lichtquelle 2 und den weiter unten erwähnten Detektoranord- nungen 9 in der x-y-Ebene zu vergrößern. Außerdem kann durch diese Maßnahme die Gesamtlänge der Messanordnung 1 in z-Richtung verkürzt werden. Der aus der Planseite 3a der Kollimationslinse 3 austretende parallelisierte Lichtstrahl c trifft nach einer gewissen optischen Wegstrecke auf ein optisches Beugungsgitter 4, das in der Nähe der Objektoberfläche 7 und parallel zu dieser, d.h. parallel zur x-y-Ebene, angeordnet ist. Das Beugungsgitter 4 ist teilreflektierend ausgebildet, so dass ein Teil des auf- treffenden Lichts c reflektiert wird und der reflektierte Anteil r aufgrund der Gitterwirkung des Beugungsgitters 4 in Beugungsordnungen aufgespaltet wird. Die reflektierten Beu- gungsordnungen haben zusätzlich zu der Ausbreitungskomponente in -z - Richtung eine Ausbreitungskomponente in -y - Richtung (nach links in Fig. 2), in +y - Richtung (nach rechts in Fig. 2) , in -x - Richtung (nach links in Fig. 1) und in +x - Richtung (nach rechts in Fig. 1), wobei die letztgenannte in den Figuren nicht dargestellt ist, da sie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur Messung der Translationsbewegung nicht verwendet wird.
Der nichtreflektierte Anteil t des auf das Beugungsgitter 4 fallenden Lichts c wird transmittiert ohne dass eine Gitterwirkung auftreten soll. Das heißt, das transmittierte Licht t wird nicht in verschiedene Beugungsordnungen aufgespalten.
Angrenzend an das Beugungsgitter 4 ist ein Zirkularpolarisa- tor angeordnet, der sich aus einer Vorrichtung 5 zur Phasenverzögerung und aus einem Linearpolarisator 6 zusammensetzt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 5 zur Phasenverzögerung eine sogenannte λ/4 -Phasenplatte und der Linearpolarisator 6 ein Polarisationsfilter, wobei die Durchlassrichtung des Polarisationsfilters 6 um 45° zur optischen Achse der λ/4-Phasenplatte 5 gedreht ist.
Nach Durchlaufen des Zirkularpolarisators 5, 6 trifft das Licht t auf die Oberfläche 7, deren Relativbewegung zur Mes- sanordnung 1 bestimmt werden soll. Das Licht t wird an den
Oberflächenrauhigkeiten gestreut und zurück reflektiert. Ein Teil des zurück gestreuten Lichts s läuft wieder durch den Zirkularpolarisator, wodurch ein zirkularer Polarisationszustand des Streulichts erreicht wird.
Das zurück gestreute und durch das System aus Zirkularpolari- sator 5, 6 und Beugungsgitter 4 transmittierte Licht s wird mit dem am Beugungsgitter 4 in verschiedene Beugungsordnungen reflektierten Licht r überlagert. Dieses durch die Überlagerung entstehende Interferenzsignal wird von mehreren Detektoranordnungen 9 empfangen, wobei für jede Beugungsord- nung eine Detektoranordnung 9-y, 9+y, 9_x vorgesehen ist.
Die Detektoranordnungen 9 weisen jeweils eine Fokussierlinse 10 auf, mit deren Hilfe das Interferenzsignal r+s auf die Detektoren 12, 13 fokussiert wird. Unmittelbar hinter den Fo- kussierlinsen 10 ist jeweils ein Strahlteilergitter 11 vorgesehen, welches den durch die Fokussierlinsen erzeugten fokus- sierten Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen aufspaltet, welche auf insgesamt sechs Detektoren treffen. Genauer gesagt, spaltet das Strahlteilergitter 11 der ersten Detektoranordnung 9. y, die den Interferenzstrahl des reflektierten Lichts r_y mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung und des gestreuten Lichts s empfängt, den Interferenzstrahl in einen ersten Lichtstrahl ii und einen zweiten Lichtstrahl i2 auf, die auf einen ersten bzw. zweiten Detektor 12, 13 treffen; das Strahlteilergitter 11 der zweiten Detektoranordnung 9+y/ die den Interferenzstrahl des reflektierten Lichts r+y mit einer Ausbreitungskomponente in -i-y - Richtung und des gestreuten Lichts s empfängt, spaltet den Interferenzstrahl in einen ersten Lichtstrahl ii und einen zweiten Lichtstrahl i2 auf, die auf einen ersten bzw. zweiten Detektor 12, 13 treffen; und das Strahlteilergitter 11 der dritten Detektoranordnung 9-x, die den Interferenzstrahl des reflektierten Lichts r-x mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung und des gestreuten Lichts s empfängt, spaltet den Interferenzstrahl in einen dritten Lichtstrahl i3 und einen vierten Lichtstrahl i4 auf, die auf einen dritten bzw. vierten Detektor 12, 13 treffen. Eine vierte Detektoranordnung 9+x, die den Interfe- renzstrahl des reflektierten Lichts r+x mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung und des gestreuten Lichts s empfangen und den Interferenzstrahl in einen dritten Lichtstrahl i3 und einen vierten Lichtstrahl i4 für einen dritten bzw. vierten Detektor 12, 13 aufspalten würde, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 nicht vorgesehen. Die von den Detektoren 12, 13 erzeugten elektrischen Messsignale werden vor ihrer weiteren Auswertung in der Auswerteschaltung durch geeignete elektronische Verstärker verstärkt.
Vor jedem Detektorpaar 12, 13 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten bzw. dritten Lichtstrahl i1# i3 und dem zweiten bzw. vierten Lichtstrahl i2, i angeordnet, die als Analysator für das einfallende Licht wirkt. Der genaue Aufbau dieser Vorrichtung 14, 15 zur Erzeugung der Phasendifferenz und deren Wirkungsweise werden weiter unten anhand der Fig. 5 und 6 näher erläutert.
Die oben beschriebene Messanordnung ermöglicht auf besonders einfache Weise und mittels einer kompakten Messvorrichtung die gleichzeitige Erfassung der Bewegung einer Oberfläche relativ zu der Messanordnung in x- und in y-Richtung.
Bei einer Relativbewegung zwischen Messanordnung 1 und Ober- fläche 7 wird durch die Überlagerung des direkt am Beugungsgitter 4 reflektierten Lichts r und des Streulichts s von der Oberfläche 7 von den Detektoren 12, 13 ein elektrisches Messsignal mit wechselnder Amplitude erzeugt. Dabei ist die Frequenz, mit der sich die Signalamplitude ändert, direkt pro- portional zur Geschwindigkeit der Bewegung. Der Abstand der
Maxima bzw. der Nulldurchgänge der Messsignale ist neben der Geschwindigkeit der Bewegung vor allem abhängig von der Gitterperiode des Beugungsgitters 4. Durch Zählen der Maxima oder der Nulldurchgänge kann die Bewegung daher exakt vermes- sen werden, wobei die Messsignale durch einen geeigneten elektronischen Schaltkreis in Zählimpulse umgewandelt werden, bevor sie in der Auswerteschaltung konkret weiterverarbeitet werden.
Die Anordnung des Zirkularpolarisators 5, 6 und der Vorrich- tung 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz ermöglicht die Unterscheidung zwischen Bewegungen in +x - Richtung und - x - Richtung bzw. +y - Richtung und -y - Richtung. Insbesondere wird durch die Überlagerung des Streulichts s von der Oberfläche 7, welches durch die Anordnung des Zirkularpolari- sators 5, 6 in zirkulär polarisiertes Licht transformiert wird, und des direkt am Beugungsgitter 4 reflektierten, linear polarisierten Lichts r zwischen den beiden Wechselsignalen eines Detektorpaares 12, 13, die durch die Aufspaltung am Strahlteilgitter 11 und die anschließende Analyse durch die Vorrichtung 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz erzeugt werden, eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Messsignalen eingeführt. Aus dem Vorzeichen dieser Phasenverschiebung lässt sich unmittelbar die Bewegungsrichtung ableiten.
Während oben anhand der Fig. 1 und 2 eine Messanordnung 1 zur Erfassung einer zweidimensionalen Translationsbewegung in x- Richtung und in y-Richtung beschrieben worden ist, kann die Messanordnung 1 der vorliegenden Erfindung zur Messung von rein eindimensionalen Bewegungen, wie beispielsweise nur in y-Richtung, vereinfacht werden. Hierzu wird das zweidimensio- nale Beugungsgitter 4 des obigen Ausführungsbeispiels durch ein eindimensionales Liniengitter ersetzt. Die zwei genutzten Referenzstrahlen r.y und r+y werden durch die Fokussierlinsen 10 und die Strahlteilergitter 11 der beiden Detektoranordnungen 9-y und 9+y auf die insgesamt vier Detektoren 12, 13 fo- kussiert .
Anhand der Fig. 3 bis 6 werden nachfolgend konkrete bevor- zugte Ausführungsformen einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, welche das oben beschriebene Messverfahren einsetzt. Die Messvorrichtung ist beispielsweise als optoelektronischer Sensor 20 realisiert, wie er schematisch in Fig. 3 veranschaulicht ist. Dabei werden im folgenden für gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern verwendet wie in den Fig. 1 und 2.
Das Gehäusesubstrat 16 des Sensors 20 besteht aus einem Leiterband bzw. einem sogenannten Leadframe 17, der mit einem Kunststoffkörper 18 umspritzt ist. Der Leadframe 17 ist zum Beispiel durch Ätz- oder Stanzverfahren strukturiert und anschließend mit einer geeigneten Oberfläche zur Erfüllung seiner Schnittstellenfunktionen versehen. Geeignete Leadframe- Materialien sind beispielsweise Cu- oder NiFe-Legierungen, und die Endoberfläche wird in der Regel galvanisch aufge- bracht.
Der Leadframe 17 hat insbesondere die folgenden Funktionen. Er stellt elektrische Anschlüsse mit geeigneten Oberflächen (zum Beispiel SnPb, Au, NiPd, PdAu, Ag) zum Löten, Kleben oder Stecken zur Verfügung. Weiter dient er der Befestigung des gesamten optoelektronischen Sensors 20 auf einer Leiterplatte, einem geeigneten Substrat oder einem Steckkontakt. Insbesondere weist der Leadframe 17 Anschlussflächen aus beispielsweise Ag, Pd oder Au für die Laserlichtquelle 2 und die Detektoren 12, 13 auf. Ferner dient er der Wärmeableitung und als optische oder mechanische Referenz für Folgemontagen. Der umspritzte Kunststoff 18 bettet den Leadframe zur mechanischen Stabilisierung ein und dient der Isolierung. Zusätzlich kann der Kunststoffkörper 18 so ausgebildet werden, dass er für das zu montierende Optikmodul geeignete Montageschnittstellen aufweist.
Als kohärente Lichtquelle 2 wird vorzugsweise eine Laserdiode oder ein Kantenemitter mit Strahlumlenkung eingesetzt. Die Laserdiode 2 wird auf das Gehäusesubstrat 16 geklebt und mit einem Anschlussdraht aus Aluminium oder Gold elektrisch mit dem Leadframe 17 verbunden. In einer bevorzugten Ausführungs- form der Erfindung wird als Lichtquelle 2 ein Single-Mode- VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) verwendet, der durch Protonenimplantations-Technologie hergestellt wird und mit einer Wellenlänge von λ = 850 nm linear polarisiertes Licht abstrahlt. Die Polarisationsrichtung des abgestrahlten Lichts ist gemäß den Definitionen der Fig. 1 und 2 unter 0° zur x-Achse orientiert. Der volle Abstrahlwinkel des VCSEL beträgt üblicherweise etwa 10° und seine optische Leistung beträgt im Single-Mode-Bereich etwa 1 mW. Die Verwendung ei- nes VCSEL hat den Vorteil, dass keine Umlenkungs- und Zirku- larisierungsoptiken erforderlich sind und dass Standardverfahren wie bei der Montage von LED's angewendet werden können.
Zur Erfassung der Interferenzsignale werden vorzugsweise Photodioden als Detektoren 12, 13 benutzt. Die entstehenden Photoströme können in der Auswerteschaltung grundsätzlich analog oder digital weiterverarbeitet werden. Die Photodioden 12, 13 werden ebenfalls auf das Gehäusesubstrat 16 geklebt und mit einem Anschlussdraht elektrisch mit dem Leadframe 17 verbunden.
Über den Photodioden 12, 13 sind die Vorrichtungen 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz angebracht, um das Vorzeichen der Bewegungsrichtung ermitteln zu können.
Polarisationsempfindliche Anwendungen verwenden üblicherweise in den Detektionsstrahlengang eingebaute externe, diskrete und in Glas einlaminierte Polarisationselemente auf der Basis von absorbierenden Film-Linearpolarisatoren. Herkömmliche kostengünstige Filmpolarisatoren zeigen aber eine hohe Temperaturempfindlichkeit, welche zum einen aufwändige Schutzmaßnahmen erfordert und außerdem wegen der üblichen Löttemperaturen nicht auf dem Detektorchip integriert werden können. Für die erfindungsgemäße Messvorrichtung werden deshalb vorzugsweise stabile Polarisatoren auf der Basis von Polarcor oder von lichtvernetzenden Polymeren verwendet, mit denen die polari- sierende Wirkung direkt auf dem Halbleiterchip erreicht werden kann. Die hohe Temperaturbeständigkeit dieser Materialien erlaubt außerdem die Nutzung von Standard-Lötverfahren.
Es werden nun anhand von Fig. 5 der Aufbau und die Funktionsweise der Vorrichtung 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz näher erläutert .
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (siehe Fig. 5A) sind auf den Photodioden 12, 13 eine gemeinsame cholesteri- sche Schicht 30 sowie zwei separate Phasenverzögerungsschichten 31, deren Vorzugsachsen auf den beiden Photodioden 12 und 13 rechtwinklig zueinander stehen, vorgesehen. Die von der Fokussierlinse 10 und dem Strahlteilergitter 11 auf die bei- den Photodioden 12 und 13 fokussierten Lichtanteile des zirkulär polarisierten Streulichts s sowie des linear polarisierten Referenzlichts r treffen zunächst auf die beiden Phasenverzögerungsschichten 31. Die Orientierung der Phasenver- zögerungs-Vorzugsachse ist für eine Photodiode 12 parallel und für die andere Photodiode 13 senkrecht zur Polarisations- richtung des Referenzlichts r orientiert. Der Polarisationszustand des linear polarisierten Referenzlichts r wird durch die Phasenverzögerungsschichten 31 nicht beeinflusst, während das zirkulär polarisierte Streulicht s in linear polarisier- tes Licht umgewandelt wird, dessen Polarisationsvektor bei der einen Photodiode um +45° und bei der anderen Photodiode um -45° zum Polarisationsvektor des Referenzlichts verdreht sind. Die cholesterische Schicht 30 wirkt als Zirkularpolarisator, die aus dem linear polariserten Referenzlicht und dem linear polarisierten Streulicht zirkulär polarisiertes Licht generiert .
Alternativ können zur Erzeugung der Phasendifferenz auch Li- nearpolarisatoren auf der Basis von Glaspolarisatoren wie zum Beispiel Polarcor eingesetzt werden. Wie in Fig. 5B dargestellt, sind die einen Photodioden 12 mit einem ersten Linearpolarisator 14 bedeckt, dessen Vorzugsachse 32 unter +45° zum Polarisationsvektor 34 des Referenzlichts r geneigt ist. Die anderen Photodioden 13 sind mit einem zweiten Linearpolarisator 15 versehen, dessen Vorzugsachse 33 unter -45° zum Polarisationsvektor 34 des Referenzlichts geneigt ist.
Die anhand der Fig. 5A und 5B beschriebenen Ausführungsbei- spiele der Polarisationskomponenten bewirken jeweils eine Phasendifferenz der in den Photodioden 12 und 13 erzeugten elektrischen Messsignale zueinander, die je nach der Bewe- gungsrichtung der Oberfläche 7 relativ zur Messanordnung +90° oder -90° beträgt. Aus dem Vorzeichen der so erzeugten Phasenverschiebung kann daher direkt auf die Bewegungsrichtung geschlossen werden.
Ferner besteht auch die Möglichkeit, nur eine der Photodioden 12 oder 13 mit einer Polarisationskomponente auszustatten und die andere Photodiode unbedeckt zu lassen. Die Phasenverschiebung zwischen den in den Photodioden 12, 13 erzeugten Messsignalen beträgt in diesem Fall nur +45° oder -45°. Diese Ausführungsform ist aufgrund des geringeren Montageaufwandes und der geringeren Materialmengen an Polarisationskomponenten zwar kostengünstiger, aber andererseits muss die Auswerteschaltung in der Lage sein, auch bei kleineren Phasenverschiebungen eine hinreichende Unterscheidung des Vorzeichens sicherstellen zu können.
Wie in Fig. 5B und in Fig. 6 dargestellt, sind für jede Fo- kussierlinse 10 zwei Photodioden 12, 13 als Detektoren vorgesehen, die in der x-y-Ebene bei der z-Koordinate z=0 in zwei Reihen zu je drei Photodioden auf einem gemeinsamen Substrat
35 angeordnet sind. Diese Anordnung wird durch die weiter unten im Detail erläuterten Off-Axis-Fokussierlinsen 10 ermöglicht, welche die Lichtstrahlen auf diese zwei Reihen fokus- sieren. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber beispielsweise einer dreieckförmigen Anordnung, in der auch die Fokussier- linsen angeordnet sind, liegt in der homogenen Ausbildung der Photodiodenfläche 12, 13 auf einem integrierten Schaltkreis und der Möglichkeit der gemeinsamen Überdeckung der Photo- diodenreihen mit den Polarisationskomponenten 14, 15. Die Photodioden selbst sind vorzugsweise sechseckig ausgeführt, um unter Berücksichtigung der Toleranzforderungen Chipfläche einsparen zu können, und besitzen einen Durchmesser von etwa 500 μm.
Der auf dem Substrat 35 vorgesehene integrierte Schaltkreis bzw. die Auswerteschaltung enthält verschiedene analoge und digitale Baugruppen, wie Verstärkungs- , Filter- und logische Funktionen, um aus den der Bewegung der Oberfläche proportionalen elektrischen Strom-Zeit-Messsignalen digitale Ausgangssignale (Spannungs-Zeit-Signale) zu erzeugen. Hierzu sind insbesondere Gleichspannungs-Unterdrückung, Hoch- und Nied- rigfrequenzfilter, Maxima- oder Nulldurchgangserkennung und
Zähloperationen erforderlich. Außerdem kann auch die Treiberstufe für die Laserlichtquelle 2 auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet sein.
Je nach Anwendung können die Ausgangssignale des integrierten
Schaltkreises entweder Quadratursignale für die Bewegung in x- und in y-Richtung oder auch digitale Ausgangssignale sein, die parallel oder seriell über ein Bus-System zur Verfügung gestellt werden. Im Falle eines Quadraturausgangs wird zum Beispiel die Bewegung in x-Richtung durch zwei Ausgangssignale repräsentiert, die eine Phasenverschiebung von ±90° aufweisen. Ein eindimensionales Messsystem wird somit zwei Ausgangskanäle und ein zweidimensionales Messsystem wird vier Ausgangskanäle aufweisen. Unter Anwendung der Quadratur der Ausgangskanäle kann eine Auswerteschaltung die vierfache Auflösung der eigentlichen Auflösung der Messanordnung erreichen.
Wieder zurück zu Fig. 3, ist mit dem Gehäusesubstrat 16 ein Optikmodul 19 verbunden. Das Optikmodul 19 weist insbesondere die Kollimationslinse 3 für das kohärente Licht c, die Fokus- sierlinsen 10, die Strahlteilergitter 11 und einen Schicht- aufbau 21, der im wesentlichen das Beugungsgitter 4 und den Zirkularpolarisator 5, 6 enthält, auf. Das Optikmodul 19 kann zum Beispiel durch Spritzgießen aus PC, PMMA, COC oder COP hergestellt werden und dabei auch mit einem Durchbruch (nicht dargestellt) für Belüftungszwecke versehen werden. Die Kolli- mations- und Fokussierkomponenten 3, 10, 11 können dabei zusammen mit notwendigen Verbindungsstrukturen für den Schicht- aufbau 21 (sog. "Sandwich") und das Gehäusesubstrat 16 als ein einzelnes Bauteil hergestellt werden. Dabei ist insbeson- dere darauf zu achten, dass das verwendete Material und die
Prozessführung beim Spritzguss so gewählt werden, dass in den optisch wirksamen Teilen möglichst wenig Spannungsdoppelbrechung auftritt.
Das Optikmodul 19 kann die Montageschnittstellen zum Gehäusesubstrat 16 bereits enthalten, indem zusätzlich zur Formgebung der optischen Elemente auch die Formgebung eines optome- chanischen Stützgerüsts 22 in einer Spritzform durchgeführt wird. Alternativ kann das Optikmodul 19 auch in ein separat gefertigtes optomechanisches Stützgerüst 22 eingefügt werden. Im letztgenannten Fall kann das optomechanische Stützgerüst 22 lichtdicht und schwach reflektierend ausgebildet werden, wodurch der Störlichtanteil durch externe Lichteinstrahlung und interne Reflexionen verringert wird. Das optomechanische Stützgerüst 22 weist Schnittstellen (nicht dargestellt) zum Gehäusesubstrat 16, zum Optikmodul 19 (falls separat hergestellt) , zum Sandwich 21 und zum optionalen externen Einbauort in der Anwendung auf. Weiter kann das Stützgerüst 22 mit einer Nut oder einem Durchbruch zum Zwecke der Belüftung ver- sehen sein.
Das Optikmodul kann auch aus zwei separaten Teilen bestehen. Beispielsweise können Strahlteiler 11 und Abbildungsoptik 3 und 10, oder Strahlteiler 11 und eine Kombination aus Beu- gungsgitter 4 und Abbildungsoptik als unabhängige Teile gefertigt und anschließend zusammengefügt werden. Als Schnittstelle zwischen Stützgerüst 22 und Gehäusesubstrat 16 kann zum Beispiel eine umlaufende Nut im Kunststoffmantel 18 des Gehäusesubstrats 16, die mit einem geeigneten Klebemittel gefüllt wird, und eine entsprechende Anschlussgeome- trie am Stützgerüst 22 vorgesehen sein. An bestimmten Stellen ist die Nut unterbrochen und als Belüftungsdurchbruch mit Staubbarriere ausgebildet, wobei das Stützgerüst an diesen Stellen mit entsprechenden Gegenstücken versehen ist. Alternativ kann das Gehäusesubstrat 16 auch Zentrierhilfen und Durchbrüche zur Rückseite hin aufweisen, in die entsprechende Stifte des optomechanischen Stützgerüsts 22 eingefügt werden und optional an der Rückseite des Gehäusesubstrats 16 vernietet oder dergleichen fixiert werden können.
Zur Verbindung mit dem Schichtaufbau 21 besitzt das Stützgerüst 22 beispielsweise eine umlaufende Ausnehmung oder Vertiefung 23, in die der Schichtaufbau 22 eingelegt werden kann. In der Ausnehmung 23 sind zusätzliche Vertiefungen oder dergleichen zur Aufnahme eines Klebemittels ausgebildet. Fer- ner kann auch diese Schnittstelle an bestimmten Stellen Belüftungen mit Staubbarriere aufweisen.
Mit der Schnittstelle zwischen Stützgerüst 22 und Einbauort schließlich kann eine genaue Justierung am Einbauort und da- mit zur zu vermessenden Oberfläche 7 erreicht werden. Das optomechanische Stützgerüst 22 weist hierzu zum Beispiel Vorsprünge und Abflachungen auf, die Teil einer Schnappverbindung mit entsprechenden Gegenelementen am Einbauort sind. Zusätzlich kann eine umlaufende Nut mit einem Gegenstück am Einbauort als ESD-Schutz vorgesehen sein, so dass der Luftweg für einen möglichen Überschlag deutlich vergrößert wird, ohne den optoelektronischen Sensor 20 selbst in entsprechender Weise zu vergrößern.
Wie bereits zum Teil erwähnt können alle oben beschriebenen Schnittstellen des Stützgerüsts 22 spezielle Konstruktionsmerkmale, wie Staubbarrieren, Lüftungsöffnungen zur Vermei- düng von Mikroklima, ESD-Schutzvorrichtungen und Verdrehsicherungen enthalten. Die feste Verbindung zwischen dem Stützgerüst 22 und dem Gehäusesubstrat 16 sowie dem Schichtaufbau 21 erfolgt vorzugsweise mittels UV-Klebetechnologie.
Die in dem Optikmodul 19 integrierte Kollimationslinse 3 ist vorzugsweise eine asphärische Plankonvexlinse, wobei die dem Schichtaufbau 21 zugewandte Planseite 3a der Plankonvexlinse 3 zur Erzielung einer zusätzlichen Strahlablenkung um einen Winkel α gegen die x-y-Ebene geneigt sein kann, wie bereits oben erläutert. Die Strahlung des VCSEL 2 wird durch die asphärische Plankonvexlinse (z.B. Krümmungsradius R = 1,71 mm und konische Konstante c = -2,48) kollimiert, deren Krümmungsscheitel im Abstand von 3 mm von der Laserdiode 2 posi- tioniert ist. Die Planseite 3a der Kollimationslinse 3 ist um einen Winkel α = 3,3° um die x-Achsenrichtung gedreht und ihr Mittelpunkt befindet sich in einem Abstand von 4,4 mm vom VCSEL. Das Material der Kollimationslinse 3 ist beispielsweise Polycarbonat mit einem Brechungsindex von 1,57 und die Apertur der Kollimationslinse ist quadratisch mit einer Ausdehnung von 0 , 8 mm x 0,8 mm.
Der bereits erwähnte Schichtaufbau 21 des Optikmoduls 19 besteht aus mehreren Schichten und weist im wesentlichen das teilreflektierende optische Beugungsgitter 4, den Zirkularpolarisator 5, 6 sowie eine mechanisch dauerhafte Beschichtung zum Schutz des Optikmoduls 19 gegen mechanische Beschädigungen auf. Der gesamte Schichtaufbau 21 wird zum Beispiel großflächig mittels DVD/CD-Spritzguss/Spritzpräge-Technologie oder durch Roller-Embossing hergestellt und anschließend in kleinere Teile zerteilt, welche in das optomechanische Stützgerüst 22 eingefügt werden.
Der Schichtaufbau 21 hat zum einen die Aufgabe, die für die interferometrische Messung erforderlichen Referenzstrahlen r durch Reflexion zu erzeugen, und er muss andererseits den Polarisationszustand des von der Oberfläche 7 zurück gestreuten Lichts s gezielt beeinflussen um die Bestimmung der Bewegungsrichtung zu ermöglichen. Der Aufbau des Schichtaufbaus 21 ist in vergrößerter Darstellung schematisch in Fig. 4A und 4B gezeigt .
Das teilreflektierende Beugungsgitter 4 des Schichtaufbaus 21 besteht im wesentlichen aus einem in x-Richtung und in y- Richtung periodischen Oberflächenprofil auf einem Substrat 24, auf dem eine teilreflektierende Schicht 27 vorgesehen ist, um ein Teil des einfallenden Lichts c zu reflektieren und in mehrere Beugungsordnungen aufzuspalten. Da die Gitterwirkung des Beugungsgitters 4 für das transmittierte Licht t aufgehoben werden soll, wird das teilreflektierend beschichtete Oberflächenprofil mit einem Material 28 eingeebnet, des- sen optischer Brechungsindex an den des Gittermaterials ange- passt ist. Dieses Material 28 dient gleichzeitig als Klebemittel zum angrenzenden Zirkularpolarisator 5, 6. Die Periode kann in x- und y-Richtung unterschiedlich sein.
Das Substrat 24 des Beugungsgitters 4 ist in einem Abstand von etwa 11 mm von der Laserdiode 2 positioniert und hat eine Schichtdicke von etwa 0,6 mm. Das Oberflächenprofil des Beugungsgitters 4 ist so ausgebildet, dass das daran reflektierte Licht r bevorzugt in die oben beschriebenen Beugungs- Ordnungen abgelenkt wird, die als Referenzstrahlen für die interferometrische Messung dienen, während Licht in anderen Beugungsordnungen aus energetischen Gründen und zur Unterdrückung von störendem Streulicht vermieden werden soll. Die erzeugten Beugungsordnungen haben zusätzlich zu ihrer Aus- breitungskomponente in -z - Richtung jeweils eine Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, in +y - Richtung, in -x - Richtung und in +x - Richtung.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in dem Substrat 24 zur Erzielung dieser Beugungsordnungen ein binäres Höhenprofil aus quadratischen Flächen 25, 26 mit zwei Höhenstufen ausgebildet, die schachbrettartig angeordnet sind, wie in der Draufsicht von Fig. 4B zu erkennen ist. Die optisch wirksame Höhendifferenz zwischen den oberen, in Fig. 4B dunkel dargestellten Flächen 25 und den unteren, in Fig. 4B hell dargestellten Flächen 26 beträgt dabei vorzugsweise λ/4 der verwendeten Wellenlänge der Laserlichtquelle 2. Die Ausrichtung der quadratischen Flächen 25, 26 ist 45° zur x-Achse bzw. zur y-Achse geneigt und die Größe der Flächen wird bestimmt durch den gewünschten Ablenkwinkel der Beugungsordnungen .
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Gitterperiode 10 μm und die Gittertiefe beträgt bei einem Brechungsindex n = 1,5 des Substratmaterials vorzugsweise h = 130 nm. Eine solche Gitterstruktur erzeugt bei der Reflexion vier gleich starke Beugungsordnungen mit einem Winkel von etwa 6,9° zur Richtung der direkten Reflexion (0. Beugungsordnung) . Von den vier genannten Beugungsordnungen werden im vorliegenden Fall nur die mit Ausbreitungskomponenten in -y - Richtung, in +y - Richtung und in -x - Richtung genutzt; die Beugungsordnung mit Ausbreitungskomponente in +x - Richtung wird nicht weiter verwendet. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Referenzstrahlen der Beugungsordnungen in - y - Richtung und in -i-y - Richtung einerseits und in -x - Richtung und in +x - Richtung andererseits in den Detektor- anordnungen 9 die gleichen Messsignale erzeugen, so dass grundsätzlich auf eine Beugungsordnung eines solchen Paares von Referenzstrahlen verzichtet werden kann. Werden beide Referenzstrahlen, wie zum Beispiel der Beugungsordnungen in - y - Richtung und in +y - Richtung ausgewertet, so kann die Messgenauigkeit durch Mitteln der beiden so erhaltenen Messsignale weiter erhöht werden.
Im Hinblick auf eine Massenfertigung eines solchen Oberflächenprofils stehen als Herstellverfahren beispielsweise die Abformung von einer Originalstruktur mittels des sogenannten Injection-Molding oder des sogenannten Roller-Embossing zur Verfügung. Die dazu benötigte Originalstruktur kann bei- spielsweise mittels galvanischer Abformung von einem lithographisch realisierten Oberflächenprofil oder mittels Präzisionsfräsen eines Metallstempels hergestellt werden.
Das Oberflächenprofil 25, 26 ist mit einer teilreflektierenden Schicht 27 überzogen, die eine Reflektivität von etwa 10% besitzt. Zur Erzeugung der teilreflektierenden Schicht 27 kann im einfachsten Fall eine dünne Metallschicht, beispielsweise aus Gold oder Silizium, aufgebracht werden. Da eine solche Metallschicht jedoch einen Teil des transmittierten
Lichts absorbiert, wird die teilreflektierende Schicht 27 bevorzugt mit einer dielektrischen Interferenzschicht realisiert .
Anschließend wird das Oberflächenprofil mit der teilreflektierenden Schicht 27 mit einem Material 28 eingeebnet, das den gleichen Brechungsindex wie das Substrat 24 aufweist . Auf diese Weise erfährt der transmittierte Teil des Lichts keine Gitterwirkung durch das Beugungsgitter 4.
Der Schichtaufbau 21 hat neben der Erzeugung der Referenz- strahlen durch Reflexion am Beugungsgitter 4 auch die Aufgabe, das von der Oberfläche zurückgestreute Licht zirkulär zu polarisieren, um später eine Richtungserkennung der Bewe- gung der Oberfläche zu ermöglichen. Zu diesem Zweck weist der Schichtaufbau 21 angrenzend an das Beugungsgitter 4 einen Zirkularpolarisator auf. Der Zirkularpolarisator besteht aus einer λ/4 -Phasenverzögerungsschicht 5 und einer Linearpolari- satorschicht 6. Die Vorzugsachsen beider Schichten 5, 6 sind um 45° zueinander verdreht. Die Orientierung des Zirkularpolarisators zur Polarisationsachse des transmittierten Lichts ist aber beliebig, sofern die λ/4 -Phasenverzögerungsschicht 5 auf die Wellenlänge λ der Laserlichtquelle 2 abgestimmt ist. Die Gesamtdicke des Zirkularpolarisators 5, 6 beträgt etwa 0,5 - 1,0 mm. Der durch das Beugungsgitter 4 transmittierte Anteil t des kollimierten Lichtstrahls c durchläuft die λ/4 -Platte 5 und den Linearpolaristor 6, bevor er nach weiteren etwa 1,5 mm auf die bewegte Oberfläche 7 trifft. Von dieser Oberfläche 7 wird das Licht diffus zurückgestreut. Ein Teil des zurückgestreuten Lichts s durchläuft zunächst wieder den Linearpolarisator 6, der wieder einen linearen Polarisationszustand herstellt, sofern die Streuung unter nicht-polarisationser- haltenden Bedingungen abläuft, und anschließend wieder die λ/4 -Platte 5, deren optische Achse um 45° gegen die Durchlassrichtung des Linearpolarisators 6 gedreht ist. Dadurch wird das linear polarisierte Licht in zirkulär polarisiertes Streulicht s umgewandelt, welches dann das teilreflektierende Beugungsgitter 4 ohne Beugungseffekte durchläuft und sich mit dem am Beugungsgitter 4 reflektierten Licht r interferierend überlagert .
Als Materialien für den Zirkularpolarisator 5, 6 werden vorzugsweise Phasenverzögerungs- und Linearpolarisatorfolien auf der Basis mechanisch gestreckter organischer Polymere eingesetzt. Alternativ können auch cholesterische Polymerschichten oder Polarcorschichten verwendet werden.
Zum Schutz des Schichtaufbaus 21 vor mechanischen Beschädi- gungen ist an der der Oberfläche 7 zugewandten Seite eine Beschichtung 29 aus einem transparenten, mechanisch unempfindlichen Material vorgesehen.
Wieder zurück zu Fig. 3 wird nun die Fokussierlinse 10 mit Strahlteilergitter 11 des Optikmoduls 19 näher erläutert. Die Fokussierlinsen 10 sind unmittelbar neben der Kollimationslinse 3 angeordnet und bevorzugt als sphärische Off-Axis- Plankonvexlinsen ausgeführt. Die Aperturzentren dieser Fokussierlinsen 10 sind so entlang der x-Achse bzw. der y-Achse gegenüber der Kollimationslinse 3 verschoben, dass die Referenzstrahlen r und das parallel zu diesen laufende Streulicht s vollständig auf diese Linsen treffen. Eine bevorzugte An- Ordnung der drei Fokussierlinsen 10 ist in der folgenden Tabelle angegeben:
Bei den Fokussierlinsen 10 handelt es sich vorzugsweise um Plankonvexlinsen mit einem Brechungsindex von n = 1,57, deren gekrümmte Oberfläche dem Beugungsgitter 4 zugewandt ist. Die der Lichtquelle 2 zugewandte plane Oberfläche der Fokussierlinsen 10 hat einen Abstand von etwa 3 mm zur x-y-Ebene, in welcher die Lichtquelle 2 liegt.
Auf der Planseite der Fokussierlinsen 10, welche den Detektoren 12, 13 zugewandt ist, ist jeweils ein Strahlteilergitter 11 angebracht, das eine Aufspaltung der Brennpunkte der Fokussierlinsen in jeweils zwei Foki bewirkt, die dem jeweiligen Detektorpaar 12, 13 entsprechen.
Das Strahlteilergitter 11 kann zum Beispiel als binäres Höhenprofil mit einer Profiltiefe von vorzugsweise λ/(2(n-l)) ausgebildet sind, wobei λ die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle 2 und n die Brechzahl des Gittermaterials ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein lineares, binäres Gitter verwendet, bei dem die Gitterlinien in y-Richtung verlaufen. Die Gitterperiode beträgt etwa 6,25 μm und die Pro- filtiefe beträgt etwa h = 0,74 μm bei einem Brechungsindex n = 1,57 des verwendeten Gittermaterials. Mit Hilfe dieses Strahlteilergitters 11 werden die von den Fokussierlinsen 10 erzeugten Foki in x-Richtung in zwei separate Foki aufgespalten, die dann auf die entsprechenden Detektorpaare 12, 13 treffen.
Die aufgespaltenen Lichtstrahlen werden, bevor sie auf die Detektoren 12, 13 treffen, wie oben beschrieben zusätzlich mit einer Phasendifferenz versehen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Messen von Translationsbewegungen zwischen einer Messanordnung und einer Oberfläche, die sich in der x-y-Ebene erstreckt, mit den Verfahrensschritten:
Richten eines kohärenten Lichtstrahls (c) mit einer Haupt - ausbreitungskomponente in z-Richtung auf die sich relativ zu der Messanordnung (1) in der x-y-Ebene bewegende Oberfläche (7) ; Anordnen eines teilreflektierenden Beugungsgitters (4) vor der Oberfläche (7) , an dem ein Teil des kohärenten Lichtstrahls (c) derart reflektiert wird, dass das reflektierte Licht (r) Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung (r.y) und Beugungsordnungen mit ei- ner Ausbreitungskomponente in -i-y - Richtung (r+y) aufweist, die gleich stark sind, und das einen anderen Teil (t) des kohärenten Lichtstrahls (c) durchläset, so dass es an der Oberfläche (7) gestreut wird und sich das so gestreute Licht (s) mit dem am Beugungsgitter (4) reflek- tierten Licht (r.y, r+y) überlagert;
Zirkularpolarisieren des an der Oberfläche (7) gestreuten Lichts (s) ;
Empfangen des an dem Beugungsgitter reflektierten Lichts (r.y) mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, in einer ersten Detektoranordnung (9.y) und/oder des an dem Beugungsgitter reflektierten Lichts
(r+y) mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, in einer zweiten Detektoranordnung (9+y) ;
Teilen des von der Detektoranordnung (9-y, 9+y) empfangenen Lichts (r.y, r+y, s) in einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl (ii, i2) und Erfassen eines ersten und eines zweiten Messsignals entsprechend dem ersten bzw. zweiten Lichtstrahl (ii, i2) , wobei der erste und der zweite
Lichtstrahl vor ihrer Erfassung zueinander phasenverschoben werden; und Auswerten des ersten und des zweiten Messsignals, um aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal die Bewegungsrichtung in y-Richtung und aus der Frequenz der Amplitudenänderung des ersten und des zweiten Messsignals den Betrag der Bewegung in y-Richtung zu ermitteln.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (c) an dem Beugungsgitter (4) derart reflektiert wird, dass das reflektierte Licht (r) Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y -
Richtung (r_y) , Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung (r+y) , Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung (r.x) und Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung (r+x) aufweist, die gleich stark sind; dass das an dem Beugungsgitter reflektierte Licht (r.x) mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche reflektierten Licht (s) überlagert, in einer dritten Detektoranordnung (9.x) und/oder das an dem Beugungsgitter reflektierte Licht mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche reflektierten Licht (s) überlagert, in einer vierten Detektoranordnung empfangen wird; dass das von der Detektoranordnung (9.x) empfangenen Lichts (r-x, s) in einen dritten und einen vierten Lichtstrahl (i3, i4) geteilt wird und ein drittes und ein vier- tes Messsignal entsprechend dem dritten bzw. vierten Lichtstrahl erfasst werden, wobei der dritte und der vierte Lichtstrahl vor ihrer Erfassung zueinander phasenverschoben werden; und dass das dritte und das vierte Messsignal ausgewertet wer- den, um aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal die Bewegungsrichtung in x-Richtung und aus der Frequenz der Amplitudenän- derung des dritten und des vierten Messsignals den Betrag der Bewegung in x-Richtung zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass von den Detektoranordnungen (9.y, 9+y, 9.x) jeweils das an dem Beugungsgitter (4) reflektierte Licht (r.y, r+y, r.x) der +1. und/oder -1. und/oder höheren Beugungsordnung empfangen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die Oberfläche (7) bzw. das Beugungsgitter (4) gerichtete Lichtstrahl (c) um einen Winkel (ß) zur z- Richtung geneigt ist .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Beugungsgitter (4) transmittierte Licht (t) und das an der Oberfläche (7) gestreute Licht (s) keine Gitterwirkung durch das Beugungsgitter erfahren.
6. Vorrichtung zum Messen von Translationsbewegungen zwischen einer Messanordnung und einer Oberfläche, die sich in der x-y-Ebene erstreckt, mit einer Lichtquelle (2) zum Aussenden eines kohärenten Lichtstrahls (c) mit einer Hauptausbreitungskomponente in z-Richtung in Richtung auf die sich relativ zu der Messanordnung (1) in der x-y-Ebene bewegende Oberfläche (7) ; einem teilreflektierenden Beugungsgitter (4), das vor der Oberfläche (7) positioniert und derart ausgebildet ist, dass das daran reflektierte Licht (r) Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung (r.y) und Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung (r+y) aufweist, die gleich stark sind, und dass es einen anderen Teil (t) des kohärenten Lichtstrahls (c) durchlässt, um an der Oberfläche (7) gestreut (s) zu werden und sich mit dem am Beugungsgitter reflektierten Licht (r.y, r+y) zu überlagern; einem Zirkularpolarisator (5, 6) für das an der Oberfläche (7) gestreute Licht (s) ; einer ersten Detektoranordnung (9.y) zum Empfangen des an dem Beugungsgitter (4) reflektierte Lichts (r.y) mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, und/oder einer zweiten Detektoranordnung (9+y) zum Empfan- gen des an dem Beugungsgitter (4) reflektierte Lichts
(r+y) mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, wobei die Detektoranordnung (9-y, 9+y) einen Strahlteiler (11) und einen ersten und einen zweiten De- tektor (12, 13) zur Erfassung eines ersten bzw. zweiten
Messsignals aufweist, wobei zwischen dem Strahlteiler (11) und dem ersten und zweiten Detektor (12, 13) eine Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal vorgesehen ist; und einer Auswerteschaltung, der das erste und das zweite
Messsignal zugeführt werden, zur Ermittlung der Bewegungs- richtung in y-Richtung aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal und des Betrages der Bewegung in y-Richtung aus der Frequenz der Amplitudenänderung des ersten und des zweiten Messsignals .
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das teilreflektierende Beugungsgitter (4) derart ausgebildet ist, dass das daran reflektierte Licht (r) Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y -
Richtung (r.y) , Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung (r+y) , Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -x -
Richtung (r.x) und Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +X - Richtung aufweist; dass die Vorrichtung weiter eine dritte Detektoranordnung (9-x) zum Empfangen des an dem Beugungsgitter (4) reflektierte Lichts (r.x) mit einer Ausbreitungskomponente in - x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, und/oder einer vierten
Detektoranordnung zum Empfangen des an dem Beugungsgitter reflektierte Lichts mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, aufweist, wobei die dritte und/oder die vierte Detektoranordnung (9.x) einen Strahlteiler (11) und einen dritten und einen vierten Detektor (12, 13) zur Erfassung eines dritten bzw. vierten Messsignals aufweist, wobei zwischen dem Strahlteiler (11) und dem dritten und vierten Detektor (12, 13) eine Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal vorgesehen ist; und dass der Auswerteschaltung das dritte und das vierte Messsignal zugeführt werden, um die Bewegungsrichtung in x- Richtung aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal und den Betrag der Bewegung in x-Richtung aus der Frequenz der Amplitudenänderung des dritten und des vierten Messsignals zu ermitteln.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem Strahlteiler (11) und dem ersten bzw. dritten Detektor (13) einen ersten Polarisationsfilter (14) mit einem ersten Polarisationsvektor und/oder zwischen dem Strahlteiler (11) und dem zweiten bzw. vierten Detektor (13) einen zweiten Polarisationsfilter (15) mit einem von dem ersten Polarisationsvektor unterschied- liehen zweiten Polarisationsvektor aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem Strahlteiler (11) und dem ersten bzw. dritten Detektor (13) eine erste Phasenverzögerungs- schicht mit einer ersten Phasenverzögerungs-Vorzugsachse parallel zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts (r) und/oder zwischen dem Strahlteiler (11) und dem zweiten bzw. vierten Detektor (13) eine zweite Phasenver- zögerungsschicht mit einer zweiten Phasenverzögerungs-Vorzugsachse senkrecht zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts (r) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und dritten Detektoren (12) und die zweiten und vierten Detektoren (13) jeweils in einer Reihe angeordnet sind und eine gemeinsame Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (2) und dem Beugungsgitter (4) eine Kollimationslinse (3) vorgesehen ist, die dem Beugungsgitter zugewandt eine plane Seite (3a) aufweist, die um einen Winkel (α) gegen die x-y-Ebene geneigt ist, so dass der kohärente Lichtstrahl (c) um einen Winkel (ß) zur z-Richtung geneigt wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zirkularpolarisator (5, 6) eine Phasenverzögerungsvorrichtung (5) und einen Linearpolarisator (6) aufweist .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter auf der der Oberfläche (7) zugewandten Seite eine lichtdurchlässige, mechanisch unempfindliche Beschichtung (29) zum Schutz der Vorrichtung aufweist .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (4) ein in x- und y-Richtung periodisches Oberflächenprofil (25, 26) auf einem Substrat (24) aufweist, auf dem eine teilreflektierende Schicht (27) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die teilreflektierende Schicht (27) eine dielektrische Interferenzschicht ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil (25, 26) ein binäres Höhenprofil mit einer Höhendifferenz zwischen oberen Flächen (25) und unteren Flächen (26) ist, wobei die oberen und die unteren Flächen im wesentlichen quadratisch ausgebildet sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten der quadratischen oberen und unteren Flä- chen (25, 26) gegenüber der x-Achse bzw. der y-Achse um
45° verdreht sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil (25, 26) des Beugungsgitters (4) mittels eines Materials (28) eingeebnet ist, dessen optischer Brechungsindex dem des Substrats (24) entspricht .
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