DE10139796A1

DE10139796A1 - Method and device for measuring translational movements between a surface and a measuring device

Info

Publication number: DE10139796A1
Application number: DE2001139796
Authority: DE
Inventors: Ulrich Steegmueller; Herbert Brunner; Peter Schreiber; Uwe D Zeitner; Peter Dannberg; Andreas Braeuer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Ams Osram International GmbH
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2003-03-13
Also published as: EP1417459A2; WO2003021237A2; WO2003021237A3; AU2002328784A1

Abstract

Translational movements of a measuring system (1) and a surface (7) are measured by directing, from a light source (2), a coherent light beam (c), having a main component of propagation in the z direction, to the surface (7) moving relative to the measuring system in the x-y plane and positioning a partially reflective diffraction grid (4) in front of the surface. Said diffraction grid is designed in such a manner that the light reflected by it is characterized by a plurality of diffraction orders (r-y, r+y, r-x), propagation components in the -y direction, in the +y direction, in the -x direction and in the +x direction that are equally strong, and that it allows another part of the coherent light beam (t) to pass and to be scattered on the surface (7) and to superimpose the light reflected on the diffraction grid. The light scattered on the surface undergoes circular polarization. A plurality of detector arrangements (9-y, 9+y, 9-x) receive the light that is reflected by the diffraction grid and superimposed with the light (s) scattered on the surface. The detector arrangements comprise a beam splitter (11) and two detectors (12, 13) each for detecting a first and a second measured signal. Between the beam splitters (11) and the detectors (12, 13), a device (14, 15) for producing a phase difference between the first and the second measured signal is provided. The first and the second measured signal are supplied to an evaluation circuit in order to determine the direction of movement in the y direction and in the x direction from the sign of the phase difference between the first and the second measured signal and the amount of movement in the y direction and in the x direction from the frequency of the variation of amplitude of the first and the second measured signal.

Description

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. The present invention relates to a method and a Device for high-resolution non-contact measurement of one- and / or two-dimensional translation movements between a rough or diffusely scattering surface of a Object and a measuring device with detection of the amount and the direction of the translational movement Claim 1 or 6.

Für die Messungen von Relativbewegungen zwischen einer Vorrichtung und einem Objekt existieren in der Praxis verschiedene optische Messverfahren und -systeme. Diese lassen sich grob einteilen in interferometrische Messmethoden, Autokorrelationsmessungen, Laser-Doppler-Anemometrie, Laufzeitmessungen von Pulsen und Encoder. For the measurement of relative movements between one Device and an object exist in practice various optical measuring methods and systems. These can be roughly divide into interferometric measurement methods, Autocorrelation measurements, laser Doppler anemometry, Runtime measurements of pulses and encoders.

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 wieder 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 Teilstrahlen 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. In the former interferometric measurements using beam splitting two spatially separated, coherent Partial beams, the measuring beam and the reference beam that generated after passing through a predetermined optical path be brought back together and interfere overlap. From those resulting from the interference Intensity distributions can draw conclusions about the optical and hence the geometric path differences between the two Partial rays are drawn. By recording and evaluating of the interference signal over a certain period of time a path or speed is determined. With Such interferometric measuring methods are currently the achieved highest accuracies.

Bei den Autokorrelationsmessungen wird die bewegte Oberfläche eines Objekts von einer Lichtquelle beleuchtet und das reflektierte Licht mit einem flächigen, ortsauflösenden Detektor 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 rückzuschließen. 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 Oberflächenrauhigkeiten entstehenden sogenannten Speckle-Muster zur Auswertung heranziehen. The moving surface is used for the autocorrelation measurements of an object illuminated by a light source and that reflected light with a flat, spatially resolving Detector added. From evaluating several in a row taken pictures of the reflected light by a Autocorrelation analysis of the intensity patterns it is possible on the direction of movement and the speed draw conclusions. In the case of an incoherent light source, the general a texture of the moving surface necessary to a sufficiently high contrast in the reflected light pattern to achieve. For example, with coherent radiation A laser diode can be used for reflection So-called speckle patterns are created for surface roughness Use evaluation.

Für die Laser-Doppler-Anemometrie wird ein Laserstrahl aufgespalten und die beiden Teilstrahlen werden an einer bestimmten 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 Interferenzmusters 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. A laser beam is used for laser Doppler anemometry split and the two partial beams are on one certain position brought to interference. Happens one scattering object, such as a rough surface, the Area of the resulting interference fringes, so becomes a part of light scattered on a detector. That at the detector measured signal varies with the intensity of the Interference pattern at the position of the scattering object. The frequency is the signal variation caused by a moving object thus proportional to the speed of the scattering object and can therefore be used for distance measurement.

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 relative Bewegung des Objekts zu bzw. weg von dem Detektor bestimmen. Another way to optically determine a path or a path change is the runtime measurement of Light pulses reflecting on the surface of the moving object become. This runtime measurement is over a certain Repeatedly carried out over a period of time, so you can relative movement of the object towards or away from the detector determine.

Unter dem Begriff Encoder versteht man Winkelcodier- oder Längencodiervorrichtungen, bei denen die Abbildung eines bewegten Streifenmusters auf Detektorelemente zur Bestimmung des Winkels bzw. des Weges verwendet wird. Hierbei wird mit Hilfe einer inkohärenten Lichtquelle ein mit dem bewegten Objekt 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 periodisches 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. The term encoder is used to encode or Length coding devices in which the mapping of a moving stripe pattern on detector elements for determination the angle or the path is used. Here is with Using an incoherent light source with the moving one Object connected code strip or connected code wheel, which has narrow slits of light illuminates. The movement of the light-shadow pattern creates with a a suitable, mostly multiple photodiode array periodic current-time profile, which is determined by electronic counter can be evaluated. Encoders exist Reflection as well as transmission based, for low to high-resolution applications are suitable.

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. An interferometric system with which both the amount and also the direction of a translational movement between one Measuring device and an object surface are detected can, for example, in WO-A-99/46602 and their Further development described in WO-A-99/46603.

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 Objektoberfläche 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. With the measuring system disclosed in these documents the surface of a moving object with a coherent Illuminated light source and between the light source and the Surface near the surface parallel to this one partially reflecting optical element, such as in particular a Grid positioned so that part of the incident light is reflected from the grating to a detector (Reference beam) while the other part of the incident light runs through the grid to the surface of the moving object and is reflected on this (measuring beam) in order to deal with the Overlay reference beam. From the interference of the two The detector detects partial beams periodically Measurement signal, from the frequency of which the amount of Relative movement between measuring device and object parallel to the Object surface can be determined. In addition to the amount of Relative movement to be able to determine the direction of movement, there is also a between the two partial beams Phase shift is generated, from whose sign one points to the Direction of the relative movement can close.

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 Detektoren 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 zirkular polarisierten Streulicht, das an der Objektoberfläche reflektiert wird, überlagert, bevor es wie oben beschrieben im Detektormodul geteilt wird. WO-A-99/46602 and WO-A-99/46603 are different more or less elaborate examples for generating a such a phase shift of the two partial beams described. In a special embodiment, this Detector module a beam splitting grating and two detectors Detection of the two partial beams generated in this way. Before Detectors are arranged two polarizers, the Polarization vectors are rotated by 90 ° to one another, so that the of measurement signals detected by the detectors have a phase difference of -90 ° or + 90 ° depending on the direction of the relative movement exhibit. In addition, is near the surface of the moving Object, d. H. adjacent to the partially reflecting grating, a circular polarizer is provided so that eventually the linearly polarized reference light, that on the grating is reflected with the circularly polarized scattered light the object surface is reflected, overlaid before it is shared in the detector module as described above.

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. Based on this state of the art, it is a task of the present invention, an interferometric Measuring method or a measuring device of the type described above to develop further with the one in a simple way high resolution measurement of both the amount and the Direction of a translational movement between the measuring device and an object surface in a compact measuring arrangement is made possible.

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 Unteransprüche 2 bis 5 bzw. 7 bis 18. This task is accomplished by a method with the characteristics of Claim 1 or by a device with the Features of claim 6 solved. Advantageous configurations and further developments of the invention are the subject of Subclaims 2 to 5 and 7 to 18.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Translationsbewegungen zwischen einer Messanordnung und einer Oberfläche, die sich in der x-y-Ebene eines orthogonalen Bezugssystems erstreckt, 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 durchlässt, um an der Oberfläche gestreut zu werden und sich anschließend mit dem am Beugungsgitter reflektierten Licht zu überlagern. Das an der Oberfläche gestreute Licht wird außerdem zirkular 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 +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. According to the present invention Translational movements between a measuring arrangement and a surface, the in the x-y plane of an orthogonal reference system extends, measured by a light source a coherent Light beam with a main propagation component in z-direction of the orthogonal reference system in the direction of the moving in the y direction relative to the measuring arrangement Surface aligns and in front of the surface a partially reflective Diffraction grating is positioned, which is designed such that the light reflected from it diffraction orders with a Propagation component in the -y direction and diffraction orders with a propagation component in the + y direction, that are equally strong and that there is another part of the coherent light beam passes through to the surface to be scattered and then deal with the Diffraction gratings overlay reflected light. That at the Surface scattered light is also circularly polarized. A the first detector arrangement receives this at the diffraction grating reflected light with a propagation component in -y- Direction that is scattered with that on the surface Light superimposed, and / or a second detector arrangement also receives the light reflected on the diffraction grating a propagation component in the + y direction, which is related to superimposed on the light scattered on the surface, the Detector arrangement a beam splitter and a first and a second detector for detecting a first or second measurement signal and between the beam splitter and a device for the first and second detectors Generation of a phase difference between the first and the second measurement signal is provided. After all, that will be first and the second measurement signal of an evaluation circuit fed to the direction of movement in the y direction from the Sign of the phase difference between the first and the second measurement signal and the amount of movement in the y direction from the frequency of the amplitude change of the first and the to determine the second measurement signal.

Zur Erfassung der eindimensionalen Translationsbewegung der Oberfläche relativ zu der Messanordnung entlang der y-Richtung wird die Frequenz der Amplitudenänderungen der Interferenzsignale, die sich durch die Überlagerung des Referenzstrahls (des am Beugungsgitter reflektierten Lichts) und des Messstrahls (des an der Oberfläche gestreuten Lichts) ergeben, bestimmt bzw. die Nulldurchgänge oder Maxima der Signalverläufe gezählt. Zur Richtungserkennung nutzt die Erfindung die kohärente Überlagerung von zirkular 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. To capture the one-dimensional translation movement of the Surface relative to the measurement arrangement along the y-direction becomes the frequency of the amplitude changes of the Interference signals, which are characterized by the superimposition of the Reference beam (of the light reflected at the diffraction grating) and the Measuring beam (of the light scattered on the surface) result, determines or the zero crossings or maxima of Counted waveforms. The invention uses the direction detection the coherent overlay of circularly polarized Scattered light with linearly polarized reference light, the in the phase shift generated by the detector arrangement only to that circularly polarized scattered light acts linear polarized reference light, however, is not affected, so that the sign of the phase difference between the two Measurement signals on the direction of movement can be concluded. When using two detector arrays for the The movement of the object surface in the y-direction can be recorded Accuracy of the measurement can be increased.

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. To two-dimensional translational movements of the surface the partially reflecting diffraction grating is to be detected in this way trained that the light reflected from it Diffraction orders with a propagation component in the -y direction, Diffraction orders with a dispersion component in + y- Direction, diffraction orders with a dispersion component in -x direction and diffraction orders with one Has propagation component in the + x direction, and the Measuring device also has a third detector arrangement for receiving the light reflected on the diffraction grating with a propagation component in the -x direction that is overlaid with the light scattered on the surface, and / or a fourth detector arrangement for receiving the light reflected from the diffraction grating with a Propagation component in the + x direction, which corresponds to the light scattered over the surface. The third and / or the fourth detector arrangement are equipped with a Beam splitter and a third and a fourth detector for Provide detection of a third or fourth measurement signal, being between the beam splitter and the third and fourth Detector a device for generating a phase difference between the third and the fourth measurement signal is. In addition to the evaluation of the first and second measurement signals with regard to the y-direction, the third and the fourth measurement signal of the evaluation circuit supplied to the Direction of movement in the x direction from the sign of the Phase difference between the third and fourth measurement signals and the amount of movement in the x direction from the frequency of the Change in amplitude of the third and fourth measurement signal determine.

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 Phasenverzögerungs-Vorzugsachse senkrecht zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts auf. The device for generating a phase difference has preferably between the beam splitter and the first or third detector a first polarization filter with a first polarization vector and / or between the beam splitter and the second or fourth detector a second Polarization filter with one of the first polarization vector different second polarization vector 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 Direction of polarization of the reflected light and / or between the Beam splitter and the second and fourth detector one second phase delay layer with a second Phase delay preferred axis perpendicular to the direction of polarization of the reflected light.

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. To save space, the first and third detectors and the second and fourth detectors each in a row be arranged and a common device for generation have a phase difference.

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 geometrische Abstand zwischen der Lichtquelle und den Detektoren vergrößert und gleichzeitig kann die Gesamtlänge des Messsystems verkürzt werden. In a preferred embodiment, between the Light source and the diffraction grating a collimation lens is provided which faces the diffraction grating a plane Side that is at an angle to the x-y plane is inclined so that the coherent beam of light is angled is inclined to the z direction. In this way the geometric distance between the light source and the detectors enlarged and at the same time the total length of the Measuring system can be shortened.

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. The diffraction grating is advantageously an x- and y- Direction of periodic surface profile on a substrate, on which a partially reflective layer, for example in Form of a dielectric interference layer is provided. The formation of the Surface profile as a binary height profile with a height difference between upper surfaces and lower surfaces, the upper ones and the lower surfaces are substantially square are formed and the sides of the square top and bottom Surfaces in relation to the x-axis or the y-axis by 45 ° are twisted.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: In the following, the invention is more preferred based on Embodiments with reference to the accompanying drawings explained in more detail. In it show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung im Schnitt der x-z-Ebene zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Messverfahrens; Fig. 1 is a schematic illustration of a measurement arrangement in the section of the xz-plane for explaining the measuring method of the invention;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung im Schnitt der y-z-Ebene zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Messverfahrens; Figure 2 is a schematic illustration of a measurement arrangement in the section of the yz plane for explaining the measuring method of the invention.

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt; Fig. 3 is a schematic representation of a measuring apparatus according to the present invention in section;

Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen eines Beugungsgitters und eines Zirkularpolarisators der Messvorrichtung von Fig. 3 im Schnitt bzw. in Draufsicht; FIGS. 4A and 4B are schematic illustrations of a diffraction grating and a circular polarizer of the measuring device of Figure 3 in section and in plan view.

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. 5A and 5B are schematic representations of two different embodiments of detectors and means for generating a phase difference of the measuring device of FIG. 3; and

Fig. 6 eine schematische Darstellung von Detektoren und Vorrichtungen zur Erzeugung einer Phasendifferenz gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Fig. 6 is a schematic representation of detectors and means for producing a phase difference according to another embodiment.

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 Schnittdarstellungen, die senkrecht zueinander stehen, so dass sich in Zusammenschau der beiden Ansichten der räumliche Aufbau der Messanordnung ergibt. First, the basic structure of the measuring arrangement according to the invention and the measuring method according to the invention are explained with reference to FIGS. 1 and 2. For the purpose of simpler representation, the measuring arrangement is placed in a right-angled xyz coordinate system, the surface of the object extending in the xy plane and the relative movement between the measuring arrangement and the surface also taking place in the xy plane. The two FIGS. 1 and 2 show schematic sectional representations which are perpendicular to one another, so that when the two views are viewed together, the spatial structure of the measuring arrangement is obtained.

In dem gedachten x-y-z-Koordinatensystem befindet sich eine monochromatische Lichtquelle 2, wie zum Beispiel eine Laserdiode, im Koordinatenursprung und strahlt linear polarisiertes 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 Kollimationslinse 3 kollimiert. Als Kollimationslinse 3 ist in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 eine asphärische Plankonvexlinse eingesetzt, deren Planseite 3a auf der der Lichtquelle 2 abgewandten Seite liegt. In the imaginary xyz coordinate system, a monochromatic light source 2 , such as a laser diode, is located in the coordinate origin and emits linearly polarized light c with a main propagation component in the positive z direction (downward in FIGS. 1 and 2), the direction of polarization of which in the xy plane is parallel to the x axis. This light c is first collimated with a collimation lens 3 . As a collimating lens 3 in the embodiment of Fig. 1 and 2, an aspherical plano-convex lens is used, the side-plan 3 is a on the side facing away from the light source 2.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Planseite 3a der Kollimationslinse 3 um einen Winkel α gegen die x-y-Ebene geneigt, um eine leichte Ablenkung des kollimierten Lichtstrahls c um einen Winkel β gegenüber der z-Richtung zu realisieren. Diese Ablenkung kann genutzt werden, um den Abstand zwischen der Lichtquelle 2 und den weiter unten erwähnten Detektoranordnungen 9 in der x-y-Ebene zu vergrößern. Außerdem kann durch diese Maßnahme die Gesamtlänge der Messanordnung 1 in z-Richtung verkürzt werden. As shown in Fig. 1, the face side 3 a of the collimating lens 3 is at an angle α against the xy plane inclined to a slight deflection of the collimated light beam c through an angle β to implement z-direction with respect to the. This deflection can be used to increase the distance between the light source 2 and the detector arrangements 9 mentioned below in the xy plane. In addition, the overall length of the measuring arrangement 1 in the z direction can be shortened by this measure.

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 auftreffenden Lichts c reflektiert wird und der reflektierte Anteil r aufgrund der Gitterwirkung des Beugungsgitters 4 in Beugungsordnungen aufgespaltet wird. Die reflektierten Beugungsordnungen 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. The out of plane side 3 a of the collimating lens 3 exiting parallelized light beam c is true after a certain optical path length of an optical diffraction grating 4, that is, disposed in the vicinity of the object surface 7 and parallel thereto, that is parallel to the xy plane. The diffraction grating 4 is partially reflective, so that part of the incident light c is reflected and the reflected portion r is split up into diffraction orders due to the grating effect of the diffraction grating 4 . In addition to the propagation component in the -z direction, the reflected diffraction orders have a propagation component in the -y direction (to the left in FIG. 2), in the + y direction (to the right in FIG. 2), and in the -x direction (to the left in Fig. 1) and in the + x direction (to the right in FIG. 1), the latter is not shown in the figures, since it is not used in the illustrated embodiment, for measuring the translational movement.

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. The non-reflected portion t of the light c falling on the diffraction grating 4 is transmitted without a grating effect being intended to occur. That is, the transmitted light t is not split into different diffraction orders.

Angrenzend an das Beugungsgitter 4 ist ein Zirkularpolarisator 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. 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 . In a preferred embodiment, the device 5 to the phase delay, a so-called λ / 4 phase plate and the linear polarizer 6 is a polarizing filter, wherein the forward direction of the polarization filter 6 is rotated 45 ° to the optical axis of the λ / 4 phase plate. 5

Nach Durchlaufen des Zirkularpolarisators 5, 6 trifft das Licht t auf die Oberfläche 7, deren Relativbewegung zur Messanordnung 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. After passing through the circular polarizer 5 , 6 , the light t hits the surface 7 , the movement of which relative to the measuring arrangement 1 is to be determined. The light t is scattered on the surface roughness and reflected back. A part of the backscattered light s passes through the circular polarizer again, whereby a circular polarization state of the scattered light is achieved.

Das zurück gestreute und durch das System aus Zirkularpolarisator 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 Beugungsordnung eine Detektoranordnung 9 _-y, 9 _+y, 9 _-x vorgesehen ist. The backscattered light s transmitted by the system of circular polarizer 5 , 6 and diffraction grating 4 is overlaid with 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 , one detector arrangement 9 _-y , 9 _{+ y} , 9 _{-x being} provided for each diffraction order.

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 Fokussierlinsen 10 ist jeweils ein Strahlteilergitter 11 vorgesehen, welches den durch die Fokussierlinsen erzeugten fokussierten 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 11 und einen zweiten Lichtstrahl 12 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 +y-Richtung und des gestreuten Lichts s empfängt, spaltet den Interferenzstrahl in einen ersten Lichtstrahl i₁ und einen zweiten Lichtstrahl 12 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 Interferenzstrahl des reflektierten Lichts r + x mit einer Ausbreitungskomponente in +x-Richtung und des gestreuten Lichts s empfangen und den Interferenzstrahl in einen dritten Lichtstrahl 13 und einen vierten Lichtstrahl 14 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. The detector arrangements 9 each have a focusing lens 10 , with the aid of which the interference signal r + s is focused on the detectors 12 , 13 . Immediately behind the focusing lenses 10 , a beam splitter grating 11 is provided, which splits the focused light beam generated by the focusing lenses into two light beams which hit a total of six detectors. More specifically, the beam splitter grating 11 of the first detector _arrangement 9 _-y , which receives the interference beam of the reflected light r _-y with a propagation component in the -y direction and the scattered light s, splits the interference beam into a first light beam 11 and a second light beam 12 which meet first and second detectors 12 , 13 ; the beam splitter grating 11 of the second detector arrangement 9 _{+ y} , which receives the interference beam of the reflected light r + Y with a propagation component in the + y direction and of the scattered light s, splits the interference beam into a first light beam i ₁ and a second light beam 12 , which hit first and second detectors 12 , 13 ; and the beam splitter grating 11 of the third detector arrangement 9 _-x , which receives the interference beam of the reflected light r _-x with a propagation component in the -x direction and of the scattered light s, splits the interference beam into a third light beam i ₃ and a fourth light beam i ₄ which meet a third or fourth detector 12 , 13 . A fourth detector arrangement 9 _{+ x} , which receives the interference beam of the reflected light r + x with a propagation component in the + x direction and of the scattered light s and the interference beam into a third light beam 13 and a fourth light beam 14 for a third and fourth detector 12 , 13 would split, is 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.

Vor jedem Detektorpaar 12, 13 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten bzw. dritten Lichtstrahl 11, 13 und dem zweiten bzw. vierten Lichtstrahl 12, 14 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. A device for generating a phase difference between the first or third light beam 11 , 13 and the second or fourth light beam 12 , 14 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.

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. The measuring arrangement described above enables in particular simple way and by means of a compact measuring device the simultaneous detection of the movement of a surface relative to the measuring arrangement in the x and y directions.

Bei einer Relativbewegung zwischen Messanordnung 1 und Oberfläche 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 proportional 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 vermessen werden, wobei die Messsignale durch einen geeigneten elektronischen Schaltkreis in Zählimpulse umgewandelt werden, bevor sie in der Auswerteschaltung konkret weiterverarbeitet werden. During a relative movement between the measuring device 1 and the surface 7 of the reflected directly on the diffraction grating 4 light is r by the superimposition and the scattered light generated s from the surface 7 of the detectors 12, 13 an electrical measurement signal of varying amplitude. The frequency with which the signal amplitude changes is directly proportional to the speed of the movement. In addition to the speed of the movement, the distance between the maxima or the zero crossings of the measurement signals is primarily dependent on the grating period of the diffraction grating 4 . The movement can therefore be measured precisely by counting the maxima or the zero crossings, the measurement signals being converted into counting pulses by a suitable electronic circuit before they are specifically processed further in the evaluation circuit.

Die Anordnung des Zirkularpolarisators 5, 6 und der Vorrichtung 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 Zirkularpolarisators 5, 6 in zirkular 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. The arrangement of the circular polarizer 5 , 6 and the device 14 , 15 for generating a phase difference enables a distinction to be made between movements in the + x direction and -x direction or + y direction and -y direction. In particular, the superimposition of the scattered light s from the surface 7 , which is transformed into circularly polarized light by the arrangement of the circular polarizer 5 , 6 , and the linearly polarized light r reflected directly on the diffraction grating 4 between the two alternating signals of a pair of detectors 12 , 13 , which are generated by the splitting on the partial beam grating 11 and the subsequent analysis by the device 14 , 15 for generating a phase difference, introduced a phase shift between the two measurement signals. The direction of movement can be derived directly from the sign of this phase shift.

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 zweidimensionale 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 fokussiert. While a measuring arrangement 1 for detecting a two-dimensional translation movement in the x-direction and in the y-direction has been described above with reference to FIGS. 1 and 2, the measuring arrangement 1 of the present invention can be used for measuring purely one-dimensional movements, for example only in y- Direction, to be simplified. For this purpose, the two-dimensional diffraction grating 4 of the above exemplary embodiment is replaced by a one-dimensional line grating. The two reference _beams r _-y and r _{+ y} used are focused by the focusing lenses 10 and the beam splitter grids 11 of the two detector _arrangements 9 _-y and 9 _{+ y} onto the total of four detectors 12 , 13 .

Anhand der Fig. 3 bis 6 werden nachfolgend konkrete bevorzugte Ausführungsformen einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, welche das oben beschriebene Messverfahren einsetzt. Concrete below, preferred embodiments of a measuring device will be described according to the present invention with reference to FIGS. 3 to 6, employing the measurement method described above.

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. The measuring device is implemented, for example, as an optoelectronic sensor 20 , as is illustrated schematically in FIG. 3. The same reference numerals are used in the following for the same components as in FIGS . 1 and 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 aufgebracht. The housing substrate 16 of the sensor 20 consists of a conductor strip or a so-called lead frame 17 , which is encapsulated with a plastic body 18 . The leadframe 17 is structured, for example, by etching or stamping processes and then provided with a suitable surface to fulfill its interface functions. Suitable leadframe materials are, for example, Cu or NiFe alloys, and the end surface is usually applied galvanically.

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. The lead frame 17 has the following functions in particular. It provides electrical connections with suitable surfaces (e.g. SnPb, Au, NiPd, PdAu, Ag) for soldering, gluing or plugging. It is also used to attach the entire optoelectronic sensor 20 to a printed circuit board, a suitable substrate or a plug contact. In particular, the leadframe 17 has connection areas made of, for example, Ag, Pd or Au for the laser light source 2 and the detectors 12 , 13 . It is also used for heat dissipation and as an optical or mechanical reference for subsequent assembly. The overmolded plastic 18 embeds the leadframe for mechanical stabilization and is used for insulation. In addition, the plastic body 18 can be designed such that it has mounting interfaces suitable for the optical module to be mounted.

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 Ausführungsform 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 eines VCSEL hat den Vorteil, dass keine Umlenkungs- und Zirkularisierungsoptiken erforderlich sind und dass Standardverfahren wie bei der Montage von LEDs angewendet werden können. A laser diode or an edge emitter with beam deflection is preferably used as the coherent light source 2 . The laser diode 2 is glued to the housing substrate 16 and electrically connected to the leadframe 17 with a connecting wire made of aluminum or gold. In a preferred embodiment of the invention, a single-mode VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) is used as light source 2 , which is produced by proton implantation technology and emits linearly polarized light with a wavelength of λ = 850 nm. The direction of polarization of the emitted light is oriented according to the definitions of FIGS. 1 and 2 at 0 ° to the x-axis. The full beam angle of the VCSEL is usually around 10 ° and its optical power in the single-mode range is around 1 mW. The use of a VCSEL has the advantage that no redirection and circularization optics are required and that standard methods such as for the assembly of LEDs can be used.

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. To detect the interference signals, photodiodes are preferably used as detectors 12 , 13 . The resulting photocurrents can basically be further processed in analog or digital form in the evaluation circuit. The photodiodes 12 , 13 are also glued to the housing substrate 16 and electrically connected to the leadframe 17 with a connecting wire.

Über den Photodioden 12, 13 sind die Vorrichtungen 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz angebracht, um das Vorzeichen der Bewegungsrichtung ermitteln zu können. The devices 14 , 15 for generating a phase difference are attached above the photodiodes 12 , 13 in order to be able to determine the sign of the direction of movement.

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 polarisierende Wirkung direkt auf dem Halbleiterchip erreicht werden kann. Die hohe Temperaturbeständigkeit dieser Materialien erlaubt außerdem die Nutzung von Standard-Lötverfahren. Polarization sensitive applications typically use external, discrete built into the detection beam path and polarization elements laminated in glass on the base of absorbent film linear polarizers. conventional Inexpensive film polarizers, however, show a high one Temperature sensitivity, which on the one hand is complex Protective measures required and also because of the usual soldering temperatures cannot be integrated on the detector chip. For the Measuring device according to the invention are therefore preferred stable polarizers based on Polarcor or used light-crosslinking polymers with which the polarizing effect achieved directly on the semiconductor chip can be. The high temperature resistance of these materials also allows the use of standard soldering methods.

Es werden nun anhand von Fig. 5 der Aufbau und die Funktionsweise der Vorrichtung 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz näher erläutert. The structure and the mode of operation of the device 14 , 15 for generating a phase difference will now be explained in more detail with reference to FIG. 5.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (siehe Fig. 5A) sind auf den Photodioden 12, 13 eine gemeinsame cholesterische 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 beiden Photodioden 12 und 13 fokussierten Lichtanteile des zirkular polarisierten Streulichts s sowie des linear polarisierten Referenzlichts r treffen zunächst auf die beiden Phasenverzögerungsschichten 31. Die Orientierung der Phasenverzögerungs-Vorzugsachse ist für eine Photodiode 12 parallel und für die andere Photodiode 13 senkrecht zur Polarisationsrichtung des Referenzlichts r orientiert. Der Polarisationszustand des linear polarisierten Referenzlichts r wird durch die Phasenverzögerungsschichten 31 nicht beeinflusst, während das zirkular polarisierte Streulicht s in linear polarisiertes 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 polarisierten Referenzlicht und dem linear polarisierten Streulicht zirkular polarisiertes Licht generiert. In one embodiment of the invention (see Fig. 5A) are formed on the photodiodes 12, 13 a common cholesteric layer 30 as well as two separate phase retardation films 31 whose easy axes are at right angles to the two photodiodes 12 and 13 to each other, is provided. The light components of the circularly polarized scattered light s and of the linearly polarized reference light r which are focused by the focusing lens 10 and the beam splitter grating 11 onto the two photodiodes 12 and 13 first strike the two phase delay layers 31 . The orientation of the preferred phase delay axis is oriented parallel to one photodiode 12 and perpendicular to the polarization direction of the reference light r for the other photodiode 13 . The polarization state of the linearly polarized reference light r is not influenced by the phase delay layers 31 , while the circularly polarized scattered light s is converted into linearly polarized light, the polarization vector of which is + 45 ° in one photodiode and -45 ° in the other photodiode to the polarization vector of Reference lights are twisted. The cholesteric layer 30 acts as a circular polarizer, which generates circularly polarized light from the linearly polarized reference light and the linearly polarized scattered light.

Alternativ können zur Erzeugung der Phasendifferenz auch Linearpolarisatoren 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. Alternatively, linear polarizers based on glass polarizers such as Polarcor can also be used to generate the phase difference. As shown in FIG. 5B, the one photodiodes 12 are covered with a first linear polarizer 14 , the preferred axis 32 of which is inclined at + 45 ° 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.

Die anhand der Fig. 5A und 5B beschriebenen Ausführungsbeispiele der Polarisationskomponenten bewirken jeweils eine Phasendifferenz der in den Photodioden 12 und 13 erzeugten elektrischen Messsignale zueinander, die je nach der Bewegungsrichtung 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. The exemplary embodiments of the polarization components described with reference to FIGS. 5A and 5B each cause a phase difference between the electrical measurement signals generated in the photodiodes 12 and 13 , which is + 90 ° or -90 ° depending on the direction of movement of the surface 7 relative to the measurement arrangement. The sign of the phase shift generated in this way can therefore be used to draw direct conclusions about the direction of movement.

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. Furthermore, it is also possible to equip only one of the photodiodes 12 or 13 with a polarization component and to leave the other photodiode uncovered. In this case, the phase shift between the measurement signals generated in the photodiodes 12 , 13 is only + 45 ° or -45 °. This embodiment is less expensive due to the lower assembly effort and the smaller amounts of material for polarization components, but on the other hand the evaluation circuit must be able to ensure a sufficient distinction of the sign even with smaller phase shifts.

Wie in Fig. 5B und in Fig. 6 dargestellt, sind für jede Fokussierlinse 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 fokussieren. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber beispielsweise einer dreieckförmigen Anordnung, in der auch die Fokussierlinsen angeordnet sind, liegt in der homogenen Ausbildung der Photodiodenfläche 12, 13 auf einem integrierten Schaltkreis und der Möglichkeit der gemeinsamen Überdeckung der Photodiodenreihen 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. As shown in FIG. 5B and in FIG. 6, two photodiodes 12 , 13 are provided as detectors for each focusing lens 10 , which in the xy plane at the z coordinate z = 0 in two rows of three photodiodes on a common one Substrate 35 are arranged. This arrangement is made possible by the off-axis focusing lenses 10 explained in detail below, which focus the light beams onto these two rows. The advantage of this arrangement compared to, for example, a triangular arrangement, in which the focusing lenses are also arranged, lies in the homogeneous design of the photodiode area 12 , 13 on an integrated circuit and the possibility of joint coverage of the photodiode rows with the polarization components 14 , 15 . The photodiodes themselves are preferably hexagonal in order to be able to save chip area taking into account the tolerance requirements, and have a diameter of approximately 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 Niedrigfrequenzfilter, Maxima- oder Nulldurchgangserkennung und Zähloperationen erforderlich. Außerdem kann auch die Treiberstufe für die Laserlichtquelle 2 auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet sein. 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 signals) from the electrical current-time measurement signals proportional to the movement of the surface. Signals). DC voltage suppression, high and low frequency filters, maximum or zero crossing detection and counting operations are required for this. In addition, the driver stage for the laser light source 2 can also be arranged on the integrated circuit.

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. Depending on the application, the output signals of the integrated Circuit either for moving quadrature signals x and y direction or also be digital output signals, which are available in parallel or in series via a bus system be put. In the case of a quadrature output, the Example the movement in the x direction by two Output signals representing a phase shift of ± 90 ° exhibit. A one-dimensional measuring system thus becomes two Output channels and a two-dimensional measuring system becomes four Have output channels. Using the square of An evaluation circuit can output channels four times Resolution of the actual resolution of the measuring arrangement to reach.

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 Fokussierlinsen 10, die Strahlteilergitter 11 und einen Schichtaufbau 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 Kollimations- und Fokussierkomponenten 3, 10, 11 können dabei zusammen mit notwendigen Verbindungsstrukturen für den Schichtaufbau 21 (sog. "Sandwich") und das Gehäusesubstrat 16 als ein einzelnes Bauteil hergestellt werden. Dabei ist insbesondere 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. Referring back to Fig. 3, is connected to the package substrate 16, an optics module 19. The optics module 19 has in particular the collimation lens 3 for the coherent light c, the focusing lenses 10 , the beam splitter grating 11 and a layer structure 21 which essentially contains the diffraction grating 4 and the circular polarizer 5 , 6 . The optics module 19 can be produced, for example, by injection molding from PC, PMMA, COC or COP and can also be provided with an opening (not shown) for ventilation purposes. The collimation and focusing components 3 , 10 , 11 can be produced together with the necessary connection structures for the layer structure 21 (so-called "sandwich") and the housing substrate 16 as a single component. It is particularly important to ensure that the material used and the process control during injection molding are selected so that as little stress birefringence as possible occurs in the optically effective parts.

Das Optikmodul 19 kann die Montageschnittstellen zum Gehäusesubstrat 16 bereits enthalten, indem zusätzlich zur Formgebung der optischen Elemente auch die Formgebung eines optomechanischen 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 versehen sein. The optics module 19 can be included, by the shape of the optical elements and the shape of an opto-mechanical support stand is carried out in an injection mold 22 in addition, the mounting interface to the package substrate sixteenth Alternatively, the optics module 19 can also be inserted into a separately manufactured optomechanical support frame 22 . In the latter case, the optomechanical support frame 22 can be made light-tight and weakly reflective, as a result of which the stray light component is reduced by external light radiation and internal reflections. The optomechanical support frame 22 has interfaces (not shown) to the housing substrate 16 , to the optics module 19 (if manufactured separately), to the sandwich 21 and to the optional external installation location in the application. Furthermore, the support structure 22 can be provided with a groove or an opening for the purpose of ventilation.

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 Beugungsgitter 4 und Abbildungsoptik als unabhängige Teile gefertigt und anschließend zusammengefügt werden. The optics module can also consist of two separate parts. For example, beam splitter 11 and imaging optics 3 and 10 , or beam splitter 11 and a combination of diffraction grating 4 and imaging optics can be manufactured as independent parts and then assembled.

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 Anschlussgeometrie 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. As the interface between the support frame 22 and the housing substrate 16 , for example, a circumferential groove in the plastic jacket 18 of the housing substrate 16 , which is filled with a suitable adhesive, and a corresponding connection geometry on the support frame 22 can be provided. The groove is interrupted at certain points and is designed as a ventilation opening with a dust barrier, the support structure being provided with corresponding counterparts at these points. Alternatively, the housing substrate 16 can also have centering aids and openings to the rear, into which corresponding pins of the optomechanical support frame 22 can be inserted and optionally riveted to the rear of the housing substrate 16 or the like can be fixed.

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. Ferner kann auch diese Schnittstelle an bestimmten Stellen Belüftungen mit Staubbarriere aufweisen. For connection to the layer structure 21 , the support structure 22 has, for example, a circumferential recess or recess 23 into which the layer structure 22 can be inserted. Additional recesses or the like for receiving an adhesive are formed in the recess 23 . Furthermore, this interface can also have ventilation with a dust barrier at certain points.

Mit der Schnittstelle zwischen Stützgerüst 22 und Einbauort schließlich kann eine genaue Justierung am Einbauort und damit 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. Finally, with the interface between the support structure 22 and the installation site, an exact adjustment at the installation site and thus to the surface 7 to be measured can be achieved. For this purpose, the optomechanical support frame 22 has, for example, projections and flats which are part of a snap connection with corresponding counter elements at the installation site. In addition, a circumferential groove with a counterpart at the installation location can be provided as ESD protection, so that the airway for a possible rollover is significantly increased without enlarging the optoelectronic sensor 20 itself in a corresponding manner.

Wie bereits zum Teil erwähnt können alle oben beschriebenen Schnittstellen des Stützgerüsts 22 spezielle Konstruktionsmerkmale, wie Staubbarrieren, Lüftungsöffnungen zur Vermeidung 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. As already mentioned in part, all of the interfaces of the support structure 22 described above can contain special design features, such as dust barriers, ventilation openings to avoid microclimate, ESD protection devices and anti-rotation devices. 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.

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 positioniert 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 × 0,8 mm. The collimation lens 3 integrated in the optical module 19 is preferably an aspherical plano-convex lens, the plane side 3 a of the plano-convex lens 3 facing the layer structure 21 being able to be inclined by an angle α with respect to the xy plane to achieve an additional beam deflection, as already explained above. The radiation of the VCSEL 2 is collimated by the aspherical plano-convex lens (e.g. radius of curvature R = 1.71 mm and conical constant c = -2.48), the apex of which is positioned at a distance of 3 mm from the laser diode 2 . The plane side 3 a of the collimating lens 3 is at an angle α = 3.3 ° rotated about the x-axis direction and its center is located at a distance of 4.4 mm from the VCSEL. The material of the collimation lens 3 is, for example, polycarbonate with a refractive index of 1.57 and the aperture of the collimation lens is square with an extension of 0.8 mm × 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. The already mentioned layer structure 21 of the optical module 19 consists of several layers and essentially has the partially reflecting optical diffraction grating 4 , the circular polarizer 5 , 6 and a mechanically permanent coating to protect the optical module 19 against mechanical damage. The entire layer structure 21 is produced, for example, over a large area by means of DVD / CD injection molding / injection molding technology or by roller embossing, and is subsequently divided into smaller parts which are inserted into the optomechanical support frame 22 .

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. The layer structure 21 has, on the one hand, the task of generating the reference beams r required for the interferometric measurement by reflection, and on the other hand it must specifically influence the state of polarization of the light s scattered back from the surface 7 in order to enable the direction of movement to be determined. The structure of the layer structure 21 is shown schematically in an enlarged representation in FIGS. 4A and 4B.

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, dessen optischer Brechungsindex an den des Gittermaterials angepasst ist. Dieses Material 28 dient gleichzeitig als Klebemittel zum angrenzenden Zirkularpolarisator 5, 6. Die Periode kann in x- und y-Richtung unterschiedlich sein. The partially reflecting diffraction grating 4 of the layer structure 21 essentially consists of a surface profile periodic in the x-direction and in the y-direction on a substrate 24 , on which a partially reflecting layer 27 is provided in order to reflect part of the incident light c and in several diffraction orders split. Since the grating effect of the diffraction grating 4 for the transmitted light t is to be canceled, the partially reflective coated surface profile is leveled with a material 28 whose optical refractive index is matched to that of the grating material. This material 28 also serves as an adhesive for the adjacent circular polarizer 5 , 6 . The period can be different in the x and y directions.

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 Beugungsordnungen 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 Ausbreitungskomponente in -z-Richtung jeweils eine Ausbreitungskomponente in -y-Richtung, in +y-Richtung, in -x- Richtung und in +x - Richtung. The substrate 24 of the diffraction grating 4 is positioned at a distance of approximately 11 mm from the laser diode 2 and has a layer thickness of approximately 0.6 mm. The surface profile of the diffraction grating 4 is designed such that the light r reflected thereon is preferably deflected into the diffraction orders described above, which serve as reference beams for the interferometric measurement, while light in other diffraction orders should be avoided for energetic reasons and to suppress disturbing stray light , In addition to their propagation component in the -z direction, the generated diffraction orders each have a propagation component in the -y direction, in the + y direction, in the -x direction and in the + x direction.

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. In the preferred embodiment of the invention, a binary height profile is formed in the substrate 24 to achieve these diffraction orders from square surfaces 25 , 26 with two height levels, which are arranged in a checkerboard fashion, 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 λ / 4 of the wavelength used for the laser light source 2 . The orientation of the square surfaces 25 , 26 is inclined at 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.

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 +y-Richtung einerseits und in -x- Richtung und in +x-Richtung andererseits in den Detektoranordnungen 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. In the exemplary embodiment shown, the grating period is 10 μm and the grating depth is preferably h = 130 nm with a refractive index n = 1.5 of the substrate material. Such a grating structure produces four equally strong diffraction orders with an angle of approximately 6.9 ° to the reflection Direction of direct reflection (0th diffraction order). Of the four diffraction orders mentioned, only those with propagation components in the -y direction, in the + y direction and in the -x direction are used in the present case; the diffraction order with the propagation component in the + x direction is no longer used. It should be noted at this point that 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 in principle a diffraction order of such a pair of reference beams can 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.

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 beispielsweise mittels galvanischer Abformung von einem lithographisch realisierten Oberflächenprofil oder mittels Präzisionsfräsen eines Metallstempels hergestellt werden. With a view to mass production of such Surface profiles are available as a manufacturing process, for example Impression of an original structure using the so-called Injection molding or roller embossing Available. The original structure required for this can for example by means of galvanic impression of one lithographically realized surface profile or by means of Precision milling of a metal stamp can be produced.

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. The surface profile 25 , 26 is coated with a partially reflective layer 27 , which has a reflectivity of approximately 10%. In the simplest case, a thin metal layer, for example made of gold or silicon, can be applied to produce the partially reflecting layer 27 . However, since such a metal layer absorbs part of the transmitted light, the partially reflecting layer 27 is preferably realized with a dielectric interference layer.

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. The surface profile with the partially reflecting layer 27 is then leveled with a material 28 which has the same refractive index as the substrate 24 . In this way, the transmitted part of the light does not experience a grating effect through the diffraction grating 4 .

Der Schichtaufbau 21 hat neben der Erzeugung der Referenzstrahlen durch Reflexion am Beugungsgitter 4 auch die Aufgabe, das von der Oberfläche zurückgestreute Licht zirkular zu polarisieren, um später eine Richtungserkennung der Bewegung 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 Linearpolarisatorschicht 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. In addition to generating the reference beams by reflection at the diffraction grating 4 , the layer structure 21 also has the task of circularly polarizing the light scattered back from the surface, in order later to enable directional detection of the movement of the surface. For this purpose, the layer structure 21 has a circular polarizer adjacent to the diffraction grating 4 . The circular polarizer consists of a λ / 4 phase delay layer 5 and a linear polarizer layer 6 . The preferred axes of both layers 5 , 6 are rotated by 45 ° to one another. The orientation of the circular polarizer to the polarization axis of the transmitted light is, however, as long as the λ / 4 phase delay layer 5 is matched to the wavelength λ of the laser light source 2 . The total thickness of the circular polarizer 5 , 6 is approximately 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-polarisationserhaltenden 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 zirkular 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. The portion t of the collimated light beam c transmitted through the diffraction grating 4 passes through the λ / 4 plate 5 and the linear polaristor 6 before it strikes the moving surface 7 after a further approximately 1.5 mm. The light is diffusely scattered back from this surface 7 . Part of the backscattered light s first again passes through the linear polarizer 6 , which again establishes a linear polarization state, provided the scattering takes place under non-polarization-maintaining conditions, and then again through the λ / 4 plate 5 , the optical axis of which is 45 ° against the transmission direction of the linear polarizer 6 is rotated. As a result, the linearly polarized light is converted into circularly polarized scattered light s, which then passes through the partially reflecting diffraction grating 4 without diffraction effects and interferes with the light r reflected at the diffraction grating 4 .

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. Phase delay and linear polarizer films based on mechanically stretched organic polymers are preferably used as materials for the circular polarizer 5 , 6 . Alternatively, cholesteric polymer layers or polar cores can also be used.

Zum Schutz des Schichtaufbaus 21 vor mechanischen Beschädigungen ist an der der Oberfläche 7 zugewandten Seite eine Beschichtung 29 aus einem transparenten, mechanisch unempfindlichen Material vorgesehen. To protect the layer structure 21 from mechanical damage, a coating 29 made of a transparent, mechanically insensitive material is provided on the side facing the surface 7 .

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 Anordnung der drei Fokussierlinsen 10 ist in der folgenden Tabelle angegeben:

Back again to FIG. 3, the focusing lens 10 with the beam splitter grating 11 of the optical module 19 will now be explained in more detail. The focusing lenses 10 are arranged directly next to the collimation lens 3 and are preferably designed as spherical off-axis plano-convex lenses. The aperture centers of these focusing lenses 10 are shifted along the x-axis or the y-axis with respect to the collimation lens 3 in such a way that the reference rays r and the scattered light s running parallel to them completely hit these lenses. A preferred arrangement of the three focusing lenses 10 is given in the following table:

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. The focusing lenses 10 are preferably plano-convex lenses with a refractive index of n = 1.57, the curved surface of which faces the diffraction grating 4 . The flat surface of the focusing lenses 10 facing the light source 2 is at a distance of approximately 3 mm from the xy plane in which the light source 2 lies.

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. 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 .

Das Strahlteilergitter 11 kann zum Beispiel als binäres Höhenprofil mit einer Profiltiefe von vorzugsweise λ/(2(n-1)) 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 Profiltiefe 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. The beam splitter grating 11 can be designed, for example, as a binary height profile with a profile depth of preferably λ / (2 (n-1)), where λ is the wavelength of the light source 2 used and n is the refractive index of the grating material. In the exemplary embodiment shown, a linear, binary grid is used in which the grid lines run in the y direction. The grating period is approximately 6.25 µm and the profile depth is approximately h = 0.74 µm with a refractive index n = 1.57 of the grating material used. With the aid of this beam splitter grating 11 , the foci generated by the focusing lenses 10 are split into two separate foci in the x direction, which then hit the corresponding detector pairs 12 , 13 .

Die aufgespaltenen Lichtstrahlen werden, bevor sie auf die Detektoren 12, 13 treffen, wie oben beschrieben zusätzlich mit einer Phasendifferenz versehen. The split light beams are additionally provided with a phase difference before they hit the detectors 12 , 13 , as described above.

Claims

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 Hauptausbreitungskomponente 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 einer Ausbreitungskomponente in +y-Richtung (r_+y) aufweist, die gleich stark sind, und das einen anderen Teil (t) des kohärenten Lichtstrahls (c) durchlässt, so dass es an der Oberfläche (7) gestreut wird und sich das so gestreute Licht (s) mit dem am Beugungsgitter (4) reflektierten 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 (i₁, i₂) und Erfassen eines ersten und eines zweiten Messsignals entsprechend dem ersten bzw. zweiten Lichtstrahl (i₁, 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. 1. Method for measuring translational movements between a measuring arrangement and a surface which extends in the xy plane, with the method steps:
Directing a coherent light beam (c) with a main propagation component in the z direction onto the surface ( 7 ) moving in the xy plane relative to the measuring arrangement ( 1 );
Arranging a partially reflecting diffraction grating ( 4 ) in front of the surface ( 7 ), on which a part of the coherent light beam (c) is reflected such that the reflected light (r) diffraction orders with a propagation component in the -y direction (r _-y ) and Diffraction orders with a propagation component in the + y direction (r _{+ y} ), which are of equal strength, and which transmits another part (t) of the coherent light beam (c), so that it is scattered on the surface ( 7 ) and itself the light (s) thus scattered is overlaid with the light (r _-y , r _{+ y} ) reflected on the diffraction grating ( 4 );
Circular polarization of the light (s) scattered on the surface ( 7 );
Receiving the light reflected on the diffraction grating (r _-y ) with a propagation component in the -y direction, which is superimposed on the light (s) scattered on the surface, in a first detector arrangement ( 9 _-y ) and / or that on the Diffraction grating of reflected light (r _{+ y} ) with a propagation component in the + y direction, which is superimposed on the light (s) scattered on the surface, in a second detector arrangement ( 9 _{+ y} ); _{Splitting the} light (r _-y , r _{+ y} , s) received by the detector arrangement ( 9 _-y , 9 _{+ y} ) into a first and a second light beam (i ₁ , i ₂ ) and detecting a first and a second measurement signal accordingly the first and second light beams (i ₁ , i ₂ ), the first and second light beams being phase-shifted from one another before being detected; and
Evaluation of the first and the second measurement signal in order to determine the direction of movement in the y direction from the sign of the phase difference between the first and the second measurement signal and the amount of movement in the y direction from the frequency of the amplitude change of the first and the second measurement signal.

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 viertes 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 werden, um aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal die Bewegungsrichtung in x-Richtung und aus der Frequenz der Amplitudenänderung des dritten und des vierten Messsignals den Betrag der Bewegung in x-Richtung zu ermitteln. 2. The method according to claim 1, characterized in that
that the light beam (c) is reflected on the diffraction grating ( 4 ) in such a way that the reflected light (r) diffraction orders with a propagation component in the -y- direction (r _-y ), diffraction orders with a propagation component in the + y direction (r _{+ y} ), diffraction orders with a propagation component in the -x direction (r _-x ) and diffraction orders with a propagation component in the + x direction (r _{+ x} ), which are equally strong;
that the light reflected on the diffraction grating (r _-x ) with a propagation component in the -x direction, which is superimposed on the light reflected on the surface, in a third detector arrangement ( 9 _-x ) and / or that on the Diffraction grating reflected light with a propagation component in the + x direction, which overlaps with the light (s) reflected on the surface, is received in a fourth detector arrangement;
that the light (r _-x , s) received by the detector arrangement ( 9 _-x ) is divided into a third and a fourth light beam (i ₃ , i ₄ ) and detects a third and a fourth measurement signal corresponding to the third and fourth light beam the third and fourth light beams are phase-shifted from one another before being detected; and
that the third and fourth measurement signals are evaluated in order to determine the direction of movement in the x direction from the sign of the phase difference between the third and fourth measurement signals and the amount of movement in the x direction from the frequency of the change in amplitude of the third and fourth measurement signals determine.

3. 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. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that of the detector arrangements ( 9 _-y , 9 _{+ y} , 9 _-x ) in each case the light reflected on the diffraction grating ( 4 ) (r _-y , r _{+ y} , r _{- x} ) the +1. and / or -1. and / or higher diffraction order is received.

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 (β) zur z- Richtung geneigt ist. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the light beam (c) directed onto the surface ( 7 ) or the diffraction grating ( 4 ) is inclined by an angle (β) to the z direction.

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. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the light (t) transmitted by the diffraction grating ( 4 ) and the light (s) scattered on the surface ( 7 ) experience no grating effect through the diffraction grating.

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 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, wobei die Detektoranordnung (9 _-y, 9 _+y) einen Strahlteiler (11) und einen ersten und einen zweiten Detektor (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 Bewegungsrichtung 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. 6. Device for measuring translational movements between a measuring arrangement and a surface that extends in the xy plane with
a light source ( 2 ) for emitting a coherent light beam (c) with a main propagation component in the z direction in the direction of the surface ( 7 ) moving in the xy plane relative to the measuring arrangement ( 1 ); a partially reflecting diffraction grating ( 4 ) positioned in front of the surface ( 7 ) and designed in such a way that the light (r) reflected thereon has diffraction orders with a propagation component in the -y direction (r _-y ) and diffraction orders with a propagation component in + y Direction (r _{+ y} ), which are of equal strength, and that it passes another part (t) of the coherent light beam (c) to be scattered (s) on the surface ( 7 ) and aligned with that on the diffraction grating superimpose reflected light (r _-y , r _{+ y} );
a circular polarizer ( 5 , 6 ) for the light (s) scattered on the surface ( 7 )
a first detector arrangement ( 9 _-y ) for receiving the light (r _-y ) reflected on the diffraction grating ( 4 ) with a propagation component in the -y direction, which is superimposed on the light (s) scattered on the surface,
and / or a second detector arrangement ( 9 _{+ y} ) for receiving the light (r _{+ Y} ) reflected on the diffraction grating ( 4 ) with a propagation component in the + y direction, which is superimposed on the light (s) scattered on the surface, wherein the detector arrangement ( 9 _-y , 9 _{+ y} ) has a beam splitter ( 11 ) and a first and a second detector ( 12 , 13 ) for detecting a first and second measurement signal, respectively, between the beam splitter ( 11 ) and the first and a second detector ( 12 , 13 ) is provided with a device ( 14 , 15 ) for generating a phase difference between the first and the second measurement signal; and an evaluation circuit, to which the first and the second measurement signal are fed, for determining the direction of movement in the y-direction from the sign of the phase difference between the first and the second measurement signal and the amount of movement in the y-direction from the frequency of the change in amplitude of the first and the second measurement signal.

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. 7. The device according to claim 6, characterized in
that the partially reflecting diffraction grating ( 4 ) is designed in such a way that the light (r) reflected by it diffraction orders with a propagation component in the _-y direction (r _-y ), diffraction orders with a propagation component in the + y direction (r _{+ y} ), diffraction orders with a propagation component in the -x direction (r _-x ) and diffraction orders with a propagation component in the + x direction;
that the device further comprises a third detector arrangement ( 9 _-x ) for receiving the light (r _-x ) reflected on the diffraction grating ( 4 ) with a propagation component in the -x direction, which is superimposed on the light (s) scattered on the surface , and / or a fourth detector arrangement for receiving the light reflected on the diffraction grating with a propagation component in the + x direction, which is superimposed on the light scattered on the surface, the third and / or the fourth detector arrangement ( 9 _-x ) has a beam splitter ( 11 ) and a third and a fourth detector ( 12 , 13 ) for detecting a third or fourth measurement signal, one between the beam splitter ( 11 ) and the third and fourth detector ( 12 , 13 ) A device ( 14 , 15 ) is provided for generating a phase difference between the third and the fourth measurement signal; and
that the evaluation circuit is supplied with the third and fourth measurement signals to determine the direction of movement in the x direction from the sign of the phase difference between the third and fourth measurement signals and the amount of movement in the x direction from the frequency of the change in amplitude of the third and fourth Determine measurement signal.

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 unterschiedlichen zweiten Polarisationsvektor aufweist. 8. The device according to claim 6 or 7, characterized in that the device ( 14 , 15 ) for generating a phase difference between the beam splitter ( 11 ) and the first or third detector ( 13 ) has a first polarization filter ( 14 ) with a first polarization vector and / or between the beam splitter ( 11 ) and the second or fourth detector ( 13 ) has a second polarization filter ( 15 ) with a second polarization vector different from the first polarization vector.

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 Phasenverzögerungsschicht 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 Phasenverzögerungsschicht mit einer zweiten Phasenverzögerungs-Vorzugsachse senkrecht zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts (r) aufweist. 9. The device according to claim 6 or 7, characterized in that the device ( 14 , 15 ) for generating a phase difference between the beam splitter ( 11 ) and the first or third detector ( 13 ) a first phase delay layer with a first phase delay axis in parallel to the polarization direction of the reflected light (r) and / or between the beam splitter ( 11 ) and the second or fourth detector ( 13 ) has a second phase delay layer with a second phase delay preferred axis perpendicular to the direction of polarization of the reflected light (r).

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. 10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the first and third detectors ( 12 ) and the second and fourth detectors ( 13 ) are each arranged in a row and a common device ( 14 , 15 ) for generating a Show phase difference.

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 (β) zur z-Richtung geneigt wird. 11. The device according to any one of claims 6 to 10, characterized in that between the light source ( 2 ) and the diffraction grating ( 4 ) a collimation lens ( 3 ) is provided, which faces the diffraction grating has a flat side (3a) around a Angle (α) is inclined to the xy plane, so that the coherent light beam (c) is inclined by an angle (β) to the z direction.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zirkularpolarisator (5, 6) eine Phasenverzögerungsvorrichtung (5) und einen Linearpolarisator (6) aufweist. 12. Device according to one of claims 6 to 11, characterized in that the circular polarizer ( 5 , 6 ) has a phase delay device ( 5 ) and a linear polarizer ( 6 ).

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. 13. Device according to one of claims 6 to 12, characterized in that the device further comprises on the surface ( 7 ) facing side a translucent, mechanically insensitive coating ( 29 ) to protect the device.

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. 14. Device according to one of claims 6 to 13, characterized in that the diffraction grating ( 4 ) has a periodic surface profile ( 25 , 26 ) in the x and y directions on a substrate ( 24 ) on which a partially reflecting layer ( 27 ) is provided.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die teilreflektierende Schicht (27) eine dielektrische Interferenzschicht ist. 15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the partially reflecting layer ( 27 ) is a dielectric interference layer.

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. 16. The apparatus of claim 14 or 15, characterized in that the surface profile ( 25 , 26 ) is a binary height profile with a height difference between the upper surfaces ( 25 ) and lower surfaces ( 26 ), the upper and lower surfaces being substantially square are trained.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten der quadratischen oberen und unteren Flächen (25, 26) gegenüber der x-Achse bzw. der y-Achse um 45° verdreht sind. 17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the sides of the square upper and lower surfaces ( 25 , 26 ) are rotated by 45 ° with respect to the x-axis and the y-axis.

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. 18. Device according to one of claims 14 to 17, characterized in that the surface profile ( 25 , 26 ) of the diffraction grating ( 4 ) is leveled by means of a material ( 28 ) whose optical refractive index corresponds to that of the substrate ( 24 ).