DE3816248A1 - System zur entfernungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Entfernungsmessung, das eine hohe Meßgenauigkeit und einen großen Meßweg oder -hub aufweist.

Laser- oder Gitterinterferometer wurden in herkömmlicher Weise für eine Entfernungsmessung mit hoher Präzision verwendet. Beispiele für Entfernungsmeßsysteme der Gitterinterferenz- Bauart (interferometrische Systeme) sind in den JP-Patent-OS Nr. 59-191 906 und Nr. 59-191 907 offenbart.

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

Im Hinblick hierauf wurde vorgeschlagen, in einem Gitterinterferometer beispielsweise ein Signal, das durch die optischen Bedingungen bestimmt ist, wie die Ordnung des Beugungslichts und des Zustands der Polarisation, elektrisch zu teilen und zu verarbeiten, um dadurch die Auflösung zu verbessern.

Eine solche elektrische Teilung führt jedoch zu einer Möglichkeit des Auftretens eines Fehlers auf Grund irgendeiner Änderung in der Lichtmenge, irgendeiner Änderung in der Beugungsleistung usw.

Es ist demzufolge die primäre Aufgabe der Erfindung, ein Entfernungsmeßgerät zu schaffen, durch das wenigstens einer der oben beschriebenen Nachteile vermieden wird.

Ein Ziel der Erfindung ist hierbei darin zu sehen, ein Entfernungsmeßgerät zu schaffen, das eine hohe Meßgenauigkeit und einen großen Meßbereich hat.

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

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

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

Fig. 3 Darstellungen von Wellenformen, die die Ausgänge von bei dem Kopf von Fig. 2 verwendeten Photodetektoren zeigen;

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

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

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

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

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktion eines selbstfokussierenden, bei der Vorrichtung von Fig. 2 verwendeten Entfernungsmeßsystems;

Fig. 9 eine schematische Darstellung zum Zustand eines an einer Stellungsfühlerfläche in Übereinstimmung mit der Lage eines Planspiegels erzeugten Lichtflecks und einer Verteilung einer Lichtmenge;

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

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

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

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

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, wobei die Bauteile der Entfernungsmeßvorrichtung als eine Entfernungsmeßeinheit zusammengebaut sind;

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

Fig. 16 ein Kurvenbild über die Beziehung zwischen Gitterinterferenz- Entfernungsmeß-Impulssignalen und der selbstfokussierenden Entfernungsmeß-Ausgangsspannung in der Entfernungsmeßeinheit der Ausführungsform nach Fig. 14;

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, wobei mehrere Entfernungsmeßeinheiten jeweils der in Fig. 14 gezeigten Bauart mit einer zweiachsigen bewegbaren Vorrichtung verwendet werden;

Fig. 18 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei ein interferometrisches Laser-Entfernungsmeßsystem als ein Entfernungsmeßsystem der Interferenz-Bauart verwendet wird;

Fig. 19 eine Darstellung zu Einzelheiten eines optischen Entfernungsmeßsystems, das an einer Feinbewegungsbühne, die in die Ausführungsform von Fig. 18 eingegliedert ist, vorgesehen ist;

Fig. 20 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, wobei ein Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität für die selbstfokussierende Entfernungsmessung verwendet wird;

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

Fig. 22 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Lagebeziehung zwischen dem Maximalintensitätsgitter und dem selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystem in der Ausführungsform nach der Fig. 20;

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

Fig. 24 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Position eines Bezugsbauteils und dem Zustand einer Signalschaltung für das selbstfokussierende Entfernungsmeßsignal in einer gegenüber Fig. 18 abgewandten Ausführungsform;

Fig. 25 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Lagebeziehung zwischen einem Maximalintensitätsgitter und einem selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystem in einer gegenüber derjenigen von Fig. 18 abgewandelten Ausführungsform;

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

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

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

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

Fig. 30 eine schematische Darstellung einer Beugungsgitter- Entfernungsmeßvorrichtung in einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei der Hauptteil der Vorrichtung als ein integrierter Kreis ausgebildet ist;

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

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

Fig. 33 eine schematische Darstellung einer Entfernungsmeßvorrichtung in einer gegenüber Fig. 30 abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 34 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Gitterinterferenz-Entfernungsmeßvorrichtung in einer noch weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei ein Wollaston-Prisma zur Anwendung kommt;

Fig. 35 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktion des Wollaston-Prismas der Vorrichtung von Fig. 34;

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

Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird zuerst auf die Fig. 1 Bezug genommen, die eine Entfernungsmeßvorrichtung von hoher Präzision und hoher Auflösung in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt, wobei die Meßvorrichtung in eine einachsige Bühne eingegliedert ist. Bei dieser Meßvorrichtung werden ein interferometrisches Gitter- Entfernungsmeßgerät und eine Fokusermittlungseinrichtung, die in einer selbstfokussierenden Vorrichtung zur Anwendung kommen kann, in Kombination verwendet. Der Zwischenraum zwischen Impulssignalen, die mit regelmäßigen, durch die optische Anordnung des Entfernungsmeßgeräts der Gitterinterferenz- Bauart erzeugt werden, wird durch Verwendung von Fokusmeßausgängen von der Fokusermittlungseinrichtung ergänzt oder komplementiert, so daß die Auflösung erhöht wird, während die hohe Präzision des Entfernungsmeßgeräts der Gitterinterferenz- Bauart beibehalten wird. Als Ergebnis dessen sind sowohl die hohe Präzision als auch die hohe Auflösung zu erhalten.

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

Die Fig. 2 zeigt Einzelheiten für den Aufbau des Meßkopfes MH.

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

Das optische Entfernungsmeßsystem umfaßt eine Lichtquelle LD, die ein Halbleiterlaser oder dgl. sein kann, ein Kollimatorobjektiv CL, Strahlenteiler HM 1 und HM 2, Phasenplatten FP 1 und FP 2, prismatische Spiegel oder Winkelspiegelprismen (Corner- Cube-Prismen) CC 1 und CC 2, einen Strahlenteiler BS, Photodetektoren (lichtelektrische Fühler) PD 1 und PD 2, eine Objektivlinse LN, einen optischen Stellungsfühler PS und weitere Bauteile. Die Anzahl der optischen Bauteile wird erwünschterweise vermindert, indem z. B. die Lichtquelle LD sowie das Kollimatorobjektiv CL beide für das Entfernungsmeßsystem der Gitterinterferenz-Bauart und das selbstfokussierende Entfernungsmeßsystem gemeinsam verwendet werden.

In Fig. 2 wird ein von der Lichtquelle LD ausgesandter Lichtstrahl durch das Kollimatorobjektiv CL kollimiert und dann in zwei Strahlen durch den Strahlenteiler HM 1 geteilt. Einer der abgeteilten Lichtstrahlen wird auf die Objektivlinse LN projiziert, während der andere durch den Strahlenteiler HM 2 auf das Beugungsgitter GS projiziert wird.

Das auf das Beugungsgitter GS einfallende Licht wird durch dieses gebeugt, was zum Ergebnis hat, daß die Phase δ des Beugungsgitters GS zur Beugungswellenoberfläche oder -front addiert wird. Wenn die anfängliche Phase des einfallenden Lichts 0 ist, kann die Phase der Beugungswelle ausgedrückt werden durch "exp[i( ω t+m δ)]", worin ω die optische Frequenz und m die Beugungsordnung sind. Beispielsweise werden Licht der positiven 1. Ordnung und der negativen 1. Ordnung jeweils ausgedrückt als "exp[i( ω t+δ)]" bzw. "exp[i( ω t-δ)]". Der Lichtstrahl L 11, der das Licht positiver 1. Ordnung ist, und der Lichtstrahl L 12, der das Licht negativer 1. Ordnung ist, treten jeweils durch die Phasenplatten (λ/8-Plättchen) FP 1 bzw. FP 2 und werden auf die Winkelspiegel CC 1 bzw. CC 2 projiziert, durch die jeder einfallende Lichtstrahl in einer zur Einfallsrichtung parallelen und entgegengesetzten Richtung reflektiert wird. Die reflektierten Lichtstrahlen L 11 und L 12 treten wiederum durch die Phasenplatten FP 1 bzw. FP 2 in umgekehrten Richtungen. Als Ergebnis dessen werden sie in zirkular polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt, die jeweils im und entgegen dem Uhrzeigersinn polarisiert sind, und sie werden wieder an einem Punkt P 2 am Beugungsgitter, der vom Punkt P 1 am Gitter in der Bewegungsrichtung (Pfeilrichtung A) der bewegbaren Bühne SR beabstandet ist, gebeugt. Anschließend treten diese Strahlen durch den Strahlenteiler HM 2, worauf sie auf den Strahlenteiler BS projiziert werden. Jeder der auf den Strahlenteiler BS einfallenden Lichtstrahlen L 11 und L 12, die zirkular polarisierte Eigenschaften (polarisiert im oder entgegen dem Uhrzeigersinn) haben, wird in zwei Strahlen geteilt, wobei die geteilten beiden Lichtstrahlen durch den Strahlenteiler BS übertragen bzw. reflektiert werden. Das durchfallende Licht L _{R 1} sowie L _{R 2} und das reflektierte Licht L _{S 1} sowie L _{S 2} tritt dann durch (nicht gezeigte) Polarisationsplatten, deren Übertragungsachsen unter 45° mit Bezug zueinander geneigt sind, so daß linear polarisierte Komponenten dieser Lichtstrahlen herausgezogen werden. Somit interferieren die durchfallenden Lichtstrahlen miteinander und werden auf den Photodetektor PD 1 projiziert, während die reflektierten Lichtstrahlen miteinander interferieren und auf den Photodetektor PD 2 projiziert werden.

Da die Photodetektoren PD 1 und PD 2 die polarisierten Komponenten der zwei zirkular polarisierten Lichtstrahlen mit Hilfe der Polarisationsplatten, deren Übertragungsachsen unter 45° zueinander geneigt sind, in Form der Interferenzlichtintensität erfassen, zeigen die Ausgänge R und S der Photodetektoren PD 1 und PD 2, wenn der Meßkopf MH (selbstfokussierende Bühne AFS) relativ zum Beugungsgitter GS bewegt wird, einen Phasenunterschied von 90°, wie das in den beiden oberen Teilen (a) und (b) der Fig. 3 dargestellt ist. Unter Verwendung von (nicht gezeigten) elektrischen Schaltungen und auf der Basis eines vorbestimmten Pegels werden diese beiden Signale R und S binär verarbeitet (binär kodiert), wie das in den Teilen (c) und (d) von Fig. 3 dargestellt ist. Vier Impulse pro einer Periode werden an den Zeitpunkten des Anstiegs und Abfalls der binär verarbeiteten Signale erzeugt, wie im Teil (e) von Fig. 3 gezeigt ist. Durch Zählen der Anzahl der Impulse ist es möglich, die Größe der Relativbewegung zwischen dem Meßkopf MH und dem Beugungsgitter GS zu messen. In diesem Fall ändert sich für die Relativbewegung mit einem Wert, der einer Teilung (einem regelmäßigen Abstand) des Beugungsgitters GS entspricht, die Interferenz-Lichtintensität über vier Zyklen, so daß 16 Impulse erzeugt werden. Zur Zeit der Zählung der Impulse wird auch die Richtung der Relativbewegung ermittelt, und in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Ermittlung wird bestimmt, ob die gezählte Anzahl addiert oder subtrahiert werden soll oder nicht. Die Bewegungsrichtung kann von dem Pegel eines jeden Signals, die in den Teilen (c) und (d) der Fig. 3 gezeigt sind, der zum Zeitpunkt der Erzeugung eines jedem im Teil (e) von Fig. 3 gezeigten Impulses hervorgerufen wird, diskriminiert werden. Wenn beispielsweise der Pegel des im Teil (d) gezeigten Signals, das zum Zeitpunkt des Abfalls des Signals, das im Teil (c) gezeigt ist, erzeugt wird, "hoch" ist in einem Fall, da die Bewegung in der positiven Richtung verläuft, wird dieser Pegel "niedrig" in einem Fall, da die Bewegung in der negativen oder umgekehrten Richtung verläuft.

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

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

Gemäß Fig. 4 wird ein kohärentes, auf das Beugungsgitter GS einfallendes Licht gebeugt, um gebeugte Lichtstrahlen einer positiven und negativen 1. Ordnung zu erzeugen. Die Phasen dieser gebeugten Lichtstrahlen ändern sich mit der Bewegung des Gitters GS und mit der Bewegungsrichtung. Wenn sich das Beugungsgitter GS in der X-Richtung um einen einer Gitterteilung entsprechenden Wert bewegt, wie in der Fig. 4 gezeigt ist, geht die Phase des Beugungslichts L 11 der positiven 1. Ordnung um einen einer Wellenlänge entsprechenden Wert vorwärts, während sich die Phase des Beugungslichts L 12 negativer 1. Ordnung um einen eine Wellenlänge entsprechenden Wert verzögert. Die Beugungslichtstrahlen L 11 und L 12 werden durch Winkelspiegel CP 1 und CP 2 zurück reflektiert. Da sie erneut durch das Gitter GS gebeugt werden, geht die Phase des Beugungslichts L 11 der positiven 1. Ordnung weiter um einen einer Wellenlänge entsprechenden Wert vorwärts, während sich die Phase des Beugungslichts L 12 der negativen 1. Ordnung um einen einer Wellenlänge entsprechenden Wert verzögert. Demzufolge zeigt das interferierende, als ein Ergebnis der letztlichen Zusammenfassung oder Kombination der Lichtstrahlen L 11 und L 12 gebildete Licht, wenn sich das Beugungsgitter GS um eine Teilung (einen regelmäßigen Abstand) von diesem bewegt, eine Helligkeits- und Dunkelheitsänderung in vier Malen, d. h. vier Helligkeitsspitzen sind zu erkennen. Demzufolge tritt, wenn eine Teilung des Beugungsgitters 1,6 µm beträgt, eine Helligkeits- und Dunkelheitsänderung pro der Bewegung mit einem einem Viertel von 1,6 µm entsprechenden Wert ein, d. h. pro der Bewegung über 0,4 µm. Durch eine photoelektrische Umwandlung dieser Helligkeits- und Dunkelheitsänderungen und durch ein Zählen dieser sind Impulse zu erhalten, von denen jeder für die Bewegung über 0,4 µm erzeugt wird. Bei dem Entfernungsmeßsystem der Interferenz-Bauart in der Ausführungsform von Fig. 2, das oben beschrieben wurde, kann, um die Auflösung weiter zu steigen, eine elektrische Verarbeitung nach Wunsch ausgeführt werden, so daß entweder 16 oder 32 Impulse pro einer Teilung des Beugungsgitters erzeugt werden, d. h., es kann ein Impuls für jede Bewegung über entweder 0,1 µm oder 0,05 µm erzeugt werden.

Im folgenden wird auf die Art und Weise der Ermittlung der Richtung des Entfernungsmeßgeräts der Gitterinterferenz-Bauart eingegangen.

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

Wenn, wie in Fig. 4 gezeigt ist, ein linear polarisiertes kohärentes Licht auf ein λ/4-Plättchen QW 1 oder WQ 2 mit einem Winkel von 45° mit Bezug zu dessen starker Achse projiziert und dann durch das λ/4-Plättchen geführt wird, kann das Licht in ein zirkular polarisiertes Licht umgewandelt werden.

Wenn ein Beugungslicht von positiver 1. Ordnung und ein Beugungslicht von negativer 1. Ordnung in beispielsweise zirkular polarisierte Lichtstrahlen, die im bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn polarisiert sind, umgewandelt wird und wenn diese Lichtstrahlen zusammengefaßt werden, dann wird das kombinierte Licht ein linear polarisiertes Licht.

Die Polarisationsrichtung eines solchen linear polarisierten Lichts wird durch den Phasenunterschied Φ zwischen den gebeugten Lichtstrahlen der positiven und negativen 1. Ordnung bestimmt.

Wenn ein zirkular polarisiertes Licht, das entgegen dem Uhrzeigersinn polarisiert ist und von einem Beugungslicht positiver 1. Ordnung erhalten wird, ausgedrückt wird durch:

y ₊=a exp[i( ω t-Φ/2)]
x ₊=a exp[i( ω t-π/2-Φ 2)]

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

y _-=a exp[i( ω t+Φ/2)]
x _-=a exp[i( ω t-π/2+Φ/2)]

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

y=y ₊+y _-=a [exp(i Φ/2)+exp(-i/Φ 2)]
x=x ₊+y _-=a [exp(i Φ/2)-exp(-i/ Φ 2)]

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

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

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

Φ=2π[x/(p/4)]=(8π/p)x

Deshalb ist die Polarisationsrichtung R der kombinierten Welle der Beugungslichtstrahlen der positiven und negativen 1. Ordnung durch die folgende Gleichung gegeben:

R=(4π/p)x

Die kombinierte Welle dieser linear polarisierten Lichts wird durch einen Strahlenteiler HM 3 in zwei Wellen oder Lichtstrahlen geteilt, wie die Fig. 4 zeigt, und die geteilten Lichtstrahlen werden durch Polarisationsplatten PP 1 und PP 2 geführt und fallen dann auf Detektoren PD 1 bzw. PD 2. Wenn ein Unterschied von 45° zwischen den Übertragungsachsen der beiden Polarisationsplatten PP 1 sowie PP 2 vorgesehen wird und wenn beispielsweise der Detektor PD 1, der hinter der ersten Polarisationsplatte PP 1 angeordnet ist, eine maximale Lichtmenge bei R=0 erfaßt, dann wird die Lichtmenge am Detektor PD 2, der hinter der zweiten Polarisationsplatte PP 2 angeordnet ist, ein Maximum, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

π/4=(4π x)/p

das heißt,

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

Somit hat das Signal vom Detektor PD 2 einen Phasenunterschied von 90° im Vergleich mit dem Signal vom Detektor PD 1, das mit Hilfe der ersten Polarisationsplatte erzeugt wird. Demzufolge ist es möglich, die Meßrichtung zu unterscheiden.

Im folgenden wird auf die Art und Weise, wie Impulssignale mit einer höheren Reproduzierbarkeit (Wiederholungsgenauigkeit) erlangt werden, eingegangen.

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

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

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

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

In Fig. 6 zeigt der obere Teil ein Interferenz-Lichtintensitätssignal an einer vorbestimmten Polarisationsebene, der mittlere Teil ein Interferenz-Lichtintensitätssignal mit einem Phasenunterschied von 180° zu dem im oberen Teil gezeigten Signal, während im unteren Teil Impulssignale dargestellt sind, die jeweils pro einer halben Wellenlänge, die von den oberen beiden Signalen zu erhalten ist, erzeugt werden. Durch eine strich-punktierte Linie sind im oberen und mittleren Teil der Fig. 6 Gleichstrompegel dieser Signale angegeben. Wenn, wie gezeigt ist, der Gleichstrompegel sich ändert, so ist diese Änderung im Gleichstrompegel im einen der beiden Signale die gleiche wie diejenige im anderen Signal. Deshalb wird ein Differenzsignal der beiden Signale durch eine solche Änderung nicht beeinflußt. Da der Unterschied zwischen den beiden Signalen, deren Phasen mit Bezug zueinander umgekehrt sind, Null wird für jede halbe Wellenlänge, sind durch Erzeugen eines Impulssignals, dessen Differenzsignal jedesmal Null wird, die im unteren Teil der Fig. 6 gezeigten Signale zu erhalten.

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

Die Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Anordnung zur Verwirklichung des oben beschriebenen Verfahrens. Aus der Fig. 7 wird deutlich, daß ein möglicher Weg derjenige ist, zusätzlich zu den zwei Polarisationsplatten PP 1 und PP 2, die Azimutwinkel von 0° bzw. 45° haben, eine dritte Polarisationsplatte PP 3 vorzusehen, die einen Azimutwinkel von 90° hat und an einem optischen Zweigweg angeordnet sein kann. In Fig. 7 sind Halbspiegel HM 3 sowie HM 4 und Detektoren (Lichtfühler) PD 1, PD 2 sowie PD 3 dargestellt.

Wie die bereits besprochene Fig. 2 zeigt, tritt das von der Lichtquelle LD ausgesandte und durch das Kollimatorobjektiv CL kollimierte Licht durch den Strahlenteiler HM 1 und in die Objektivlinse LN des selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems ein.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 8 wird die Arbeitsweise des selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems erläutert.

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

Die Fig. 9 zeigt Lichtflecke und Lichtmengenverteilungen auf der Fläche des Fühlers PS, die den Positionen (a)-(c) des Planspiegels PM entsprechen. Der Unterschied zwischen der Größe des Fühlersignals in einer Zone A an der Fläche des Fühlers PS und der Größe des Signals in einer anderen Zone B zeigt ein sog. "S-förmiges Kurvenbild". Die Fig. 10 zeigt die Beziehung eines Differentialsignals Δ I, das sich auf die Fühlersignalgrößen (I _A und I _B ) bezieht und durch einen (nicht gezeigten) Differentialverstärker zu erhalten ist, mit Bezug zum Defokussierwert (der Position des Ziels), wobei Δ I=I _A -I _B ist. Das selbstfokussierende Meßsystem in der Ausführungsform von Fig. 2 verwendet diesen Bereich der S- förmigen Kennkurve, in der die Defokussiergröße und das Differentialsignal Δ I in einer im wesentlichen linearen Beziehung sind.

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

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

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

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

Wenn die CPU einen Stop-Befehl während der Bewegung der Bühne SR empfängt, so setzt sie über den Motortreiber MTD den Motor MT still, um die bewegbare Bühne SR anzuhalten, und liest die integrierte, vom Zählwerk erhaltene Impulsanzahl. Dann wird durch einen (nicht gezeigten) Treiber der piezoelektrische Stellantrieb FD betätigt, um die selbstfokussierende Bühne AFS, die das selbstfokussierende System und das optische Gitterinterferenzsystem trägt, zu bewegen und festzustellen, welche Position die bewegbare Bühne zwischen den erhaltenen Impulssignalen des Gitterinterferenzsystems erreicht hat. Das bedeutet, daß dann, wenn die Bühne SR an einem Punkt S angehalten worden ist und die gezählte Impulszahl zu dieser Zeit N beträgt, die selbstfokussierende Einrichtung dazu verwendet wird, mit hoher Präzision zu bestimmen, welche Position der Haltepunkt S zwischen dem Impuls N und dem Impuls (N+1) einnimmt.

Zuerst wird die integrierte, vom Zählwerk zur Zeit des Haltens der Bühne SR gezählte Impulszahl gespeichert und dann wird der piezoelektrische Stellantrieb FD betrieben, um die selbstfokussierende Bühne AFS, d. h. das optische Entfernungsmeßsystem MH, um einen winzigen Wert (ein Wert, der geringfügig größer ist als der Impulsabstand Δ x) und in einer zur vorhergehenden Bewegungsrichtung entgegengesetzten Richtung zu bewegen. Als Ergebnis dessen wird der Defokussierwert des selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems, das als Ziel den mit Bezug zur bewegbaren Bühne SR fest angebrachten Planspiegel PM hat, verändert, so daß das Differential-Ausgangssignal Δ I, d. h. das Differenzsignal I _A -I _B des selbstfokussierenden Fühlers PS, sich ändert, wie in Fig. 13 dargestellt ist. Hierbei wird die Vorschubgröße durch den piezoelektrischen Antrieb vorzugsweise innerhalb eines Bereichs festgesetzt, in dem die Defokussiergröße und das Differenzsignal eine lineare Beziehung zeigen. Das ist insofern erwünscht, als die Beziehung zwischen dem Differenzsignal und dem Defokussierwert vorher ermittelt wird, so daß der Defokussierwert definitiv bestimmt werden kann, wenn das Differenzsignal einmal zugeführt wird. Durch Bewegen der Bühne um einen winzigen Größenwert mit Hilfe des piezoelektrischen Antriebs zu einer solchen Position, die dem Impuls N entspricht, ist es möglich, ein Differenzsignal an der diesem Impuls N entsprechenden Stelle zu erhalten. Das auf diese Weise erhaltene Differenzsignal kann in einen Defokussierwert δ umgewandelt werden, und folglich kann die Position des Punktes S, an dem die bewegbare Bühne SR angehalten wird, durch einen Wert wiedergegeben werden, welcher durch Addition von δ zur Stelle der Erzeugung des Impulses N, d. h. N · Δ x, zu erhalten ist, wobei Δ x der Impulsabstand der Impulsfolge des Gitterinterferenz-Entfernungsmeßsystems ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Feinbewegungsbühne AFS, die das optische System trägt, an der Stelle (Fokusposition), an der das Selbstfokussiersignal Null ist, stationär gehalten wird, bis die bewegbare Bühne SR angehalten ist.

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

Beispielsweise die Präzision der selbstfokussierenden Entfernungsmessung in der Größenordnung von 0,01-0,002 µm sein, wenn eine selbstfokussierende Objektivlinse von "x 100" (NA0,9) zur Anwendung kommt und ein ladungsgekoppelter Fühler, ein Stellungsfühler oder eine andere Einrichtung als der selbstfokussierende Fühler PS verwendet wird. In diesem Fall hat der lineare Beziehungsbereich des selbstfokussierenden Signals eine Ausdehnung in der Größenordnung von 1 µm.

Bei dem Entfernungsmeßsystem in der Ausführungsform nach der Fig. 1 braucht das optische, selbstfokussierende System nicht immer so angeordnet zu werden, daß die Position des Planspiegels PM und des selbstfokussierenden Fühlers PS in einer abbildenden (konjugierten) Beziehung in Lage kommt. Es ist lediglich notwendig, daß das Differentialsignal des selbstfokussierenden Fühlers oder das Lichtfleck-Positionssignal, d. h. der Defokuswert mit Bezug zur Bewegungsrichtung, eine lineare oder nahezu lineare Charakteristik zeigen. Wenn lineare Charakteristika nicht vorhanden sind, kann die Beziehung zwischen der Bewegungsgröße (Defokusgröße) und dem Signal vorbereitend in einen ROM eingespeichert werden, so daß der Wert der winzigen Bewegung durch Lesen des Werts der Bewegung, der dem ermittelten Signal entspricht, erfaßt werden kann.

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

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

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

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

Es können ein interferometrisches Laser-Entfernungsmeßgerät oder andersartige Geräte zur Anwendung kommen.

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

Die Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein Beispiel für die Anwendung der Messung mit Bezug auf eine einachsige Bewegung, es ist jedoch auch anwendbar auf die Messung mit Bezug auf eine zweiachsig oder andersartige Bewegung, indem eine Verbundkonstruktion verwendet wird.

Das selbstfokussierende System der Fig. 2 ist von der TTL- Bauart, d. h. der Bauart "durch das Objektiv". Jedoch kann es auch durch ein selbstfokussierendes System gebildet werden, das in einem optischen Tastkopf für eine digitale Audio-Disc oder eine Video-Disc verwendbar ist, oder es kann ein selbstfokussierendes System, das in einer photographischen Kamera zur Anwendung kommt, sein.

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

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

Die Fig. 14 zeigt ein Beispiel, wobei ein Entfernungsmeßsystem in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung als eine Entfernungsmeßeinheit ausgebildet ist.

Bei dieser Entfernungsmeßeinheit ist eine selbstfokussierende Einrichtung, die eine Lichtquelle LD, eine Kollimatorobjektiv CL, einen Polarisationsstrahlenteiler HM 1, ein λ/4-Plättchen QW, Kondensorlinsen GL 1 sowie GL 2 und einen optischen Stellungermittlungsfühler PS, der eine ladungsgekoppelte Vorrichtung oder dgl. ist, umfaßt, auf einem bewegbaren Tisch- oder Bühnenteil ST angeordnet. Die Bewegung dieses bewegbaren Bühnenteils ST wird in Form eines Impulsfolgesignals durch ein lineares Gitter GS, welches am bewegbaren Bühnenteil ST befestigt ist, und einen Lesekopf MH, der an einem stationären Tisch- oder Bühnenteil SS vorgesehen ist, ermittelt.

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

Eines der bedeutsamsten Merkmale dieses Beispiels ist, daß in einer Ermittlungs- und Verarbeitungsschaltung ED jedesmal, wenn eine Fokusermittlungsschaltung FF ein Impulssignal von einem elektrischen Impulsreihen-Entfernungsmeßsystem PC empfängt, der selbstfokussierende Ausgangswert zu dieser Zeit erneuert und gespeichert wird.

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

Wenn das Anhalten des Objekts MO diskriminiert wird, arbeitet der Stellantrieb AT der Entfernungsmeßeinheit, um das selbstfokussierende System in den korrekten Brennpunkt relativ zur Bezugsebene OS zu bringen. Eine solche Bewegung wird gemessen, indem Änderungen in der Menge des Interferenzlichts unter Verwendung der Skala GS und des Lesekopfs MH ermittelt und in Form von Impulssignalen die Änderungen in der Lichtmenge unter Verwendung des elektrischen Impulsreihenentfernungsmeßsystems PC gezählt werden. Die Auflösung ist in diesem Fall gleich dem Impulsabstand Δ x (Fig. 16).

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

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

x=j · Δ x+Vj · u

worin ist:

x die Bewegungsstrecke, die dem Impulsabstand entspricht und beispielsweise eine 0,4-µm-Teilung ist, und ξ ein Ausgangs-Entfernungskoeffizient, der vorher mit Bezug auf die Empfindlichkeit des selbstfokussierenden Systems kalibriert worden ist.

Die Fig. 17 zeigt ein Beispiel, wobei zwei Entfernungsmeßeinheiten der vorstehend beschriebenen Bauart in eine zweiachsige Bewegungsvorrichtung eingebaut sind. Bei diesem Beispiel werden diese Entfernungsmeßeinheiten für ein Positionieren mit hoher Präzision eines selbstausrichtenden Kopfes eines Belichtungsgeräts für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet.

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

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

Die Fig. 19 zeigt Einzelheiten des optischen Entfernungsmeßsystems, das auf der Feinbewegungsbühne AFS (Fig. 18) angeordnet ist. Einige der Bauteile der Ausführungsform von Fig. 2, die das optische Entfernungsmeßsystem der Beugungsgitter- Interferenz-Bauart bilden, nämlich der Strahlenteiler HM 2, die Phasenplatten FP 1 sowie FP 2, die Winkelspiegelprismen CC 1 sowie CC 2, der Strahlenteiler BS und die Photodetektoren PD 1 sowie PD 2 wurden entfernt und an deren Stelle ist das Winkelspiegelprisma CP für eine Reflexion eines Laserstrahls auf die Laser-Interferenzeinheit am Tisch RT, welcher an der Feinbewegungsbühne AFS gehalten ist, angebracht.

Auch bei dem Entfernungsmeßgerät dieser Ausführungsform wird die Entfernungsmessung im wesentlichen in der gleichen Folge (s. Fig. 11) und Arbeitsweise wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 durchgeführt. Im einzelnen werden eine Schnell- oder Grobbewegungsbühne SR und die Feinbewegungsbühne AFS bewegt, und jedesmal, wenn sich die Feinbewegungsbühne AFS oder das einer Messung unterliegende Objekt, wie eine (nicht gezeigte) optische Sonde, ein Fühler oder dgl., das an der Bühne AFS befestigt ist, eine Bewegung über eine vorbestimmte Längeneinheit Δ x ausführt, wird ein Impulssignal vom interferometrischen Lasersystem ausgegeben. Dann wird unter Verwendung eines analogen Entfernungsmeßausgangs von dem selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystem der Zwischenraum zwischen diesen Impulsen komplementiert. Durch diesen Vorgang ist es möglich, eine praktikable Entfernungsmessung mit hoher Auflösung (hoher Genauigkeit) auszuführen, während die Präzision des interferometrischen Laser-Entfernungsmeßsystems mit Bezug zu einer großhubigen Messung erhalten wird.

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

Ein Bezugsglied SM hat ein Beugungsgitter, das dem Beugungsgitter GS der Ausführungsform von Fig. 2 entspricht. Dieses Bezugsglied SM ist an einem der beiden Objekte, die mit Bezug zueinander bewegbar sind, befestigt. Die anderen optischen Bauteile neben dem Bezugsglied SM, die in Fig. 20 gezeigt sind, bilden ein optisches Kopf-Entfernungsmeßsystem MH und sind fest an dem anderen der beiden Objekte angeordnet. Auf dem Bezugsglied SM ist, wie in Fig. 21 gezeigt ist, ein Beugungsgitter GS für eine interferometrische Entfernungsmessung vorgesehen. Darüber hinaus sind Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität (Maximalintensitätsgitter) BG 1 und BG 2 für eine selbstfokussierende Entfernungsmessung, die parallel zum Gitter GS angeordnet sind, sowie eine ebene Fläche FT, die als eine Reflexionsfläche wirkt und die Funktion einer selbstfokussierenden Entfernungsmessung-Bezugsfläche erfüllt, vorhanden. Die beiden Maximalintensitätsgitter BG 1 und BG 2 sind so angeordnet, daß sie in der Richtung der Relativbewegung (Pfeilrichtung A) zwischen dem Bezugsglied SM und dem optischen Kopf-Entfernungsmeßsystem MH um einen Wert zueinander verschoben sind, der der Hälfte der Gitterteilung p _B entspricht.

Gemäß Fig. 20 sind eine Lichtquelle LD 1, ein Halbspiegel GM 2, Phasenplatten FP 1 und FP 2, Spiegel CP 1 und CP 2, ein Strahlenteiler BS und Photodetektoren PD 1 sowie PD 2 vorgesehen, die alle miteinander zusammenwirken, um ein optisches, inferometrisches Entfernungsmeßsystem zu bilden. Dieses optische, interferometrische Entfernungsmeßsystem und das interferometrische Gitter-Entfernungsmeßsystem GS, das am Bezugsglied SM ausgebildet ist, entsprechen dem eine Impulsfolge erzeugenden optischen System und dem Fühler, die beispielsweise unter Bezugsnahme auf die Fig. 2 beschrieben worden sind.

Des weiteren sind eine Lichtquelle LD 2, ein Kollimatorobjektiv CL, Halbspiegel HM 11 sowie HM 12, von denen jeder einen lediglich an der Hälfte seiner Diagonalfläche ausgebildeten Halbspiegel aufweist, Objektivlinsen LN 1 sowie LN 2 und optische Stellungsfühler PS 1 sowie PS 2 vorgesehen, die alle dahingehend wirken, zwei Sätze von optischen, selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystemen zu bilden. Jedes dieser Systeme hat einen Aufbau, der optisch demjenigen des mit Bezug auf die Ausführungsform von Fig. 2 beschriebenen optischen Systems gleichwertig ist. Jedes optische, selbstfokussierende Entfernungsmeßsystem ist, wie in Fig. 22 gezeigt ist, so angeordnet, daß das Licht in der Nachbarschaft der Oberfläche von einem der zugeordneten, am Bezugsglied SF ausgebildeten Maximalintensitätsgitter BG 1 und BG 2 fokussiert wird.

Ferner sind eine Lichtquelle LD 3, die einen Halbleiterlaser oder dgl. umfaßt, und ein Lichtfleck-Lageermittlungsfühler PS 3 vorhanden, die dazu verwendet werden, jegliche Änderung im Spalt zwischen dem Bezugsglied SM und der Ermittlungsfläche des optischen Kopf-Entfernungsmeßsystms MH zu erfassen. Die Lichtquelle LD 3 und der Fühler PS 3 sind so angeordnet, daß ein Licht von der Lichtquelle LD 3 auf einen Reflexionsflächenbereich FT am Bezugsglied SM projiziert wird, während das vom Berich FT reflektierte Licht durch den Lageermittlungsfühler PS 3 erfaßt wird. Auf dieser Grundlage wird ein jegliche Änderung im Spalt zwischen dem Bezugsglied SM und dem optischen Kopf-Entfernungsmeßsystem MH kennzeichnendes Signal erhalten. Das Signal wird so verwendet, daß, wenn ein Fehler im selbstfokussierenden Entfernungsmeßsignal auf Grund der Änderung im Spalt hervorgerufen wird, ein solcher Fehler im selbstfokussierenden Entfernungsmeßsignal aus diesem Signal ermittelt wird, so daß der Fehler durch Subtraktion der Fehlerkomponente vom Selbstfokussiersignal korrigiert werden kann.

Die Fig. 23 zeigt eine Beziehung zwischen Impulsfolgesignalen, die vom interferometrischen Gitter-Entfernungsmeßsystem von Fig. 20 ausgegeben werden, und der Querschnittsgestalt eines jeden der Maximalintensitätsgitter BG 1 sowie BG 2, die am Bezugsglied SM ausgebildet sind, d. h. Ausgänge des selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems. Es sei angenommen, daß jedes der Maximalintensitätsgitter BG 1 sowie BG 2 eine Teilung p _B hat und der Höhenunterschied (Oberflächenstufe) des Gitters durch H bezeichnet ist. Die Teilung p _B wird geradzahlige Male größer gemacht, z. B. 10mal größer, als der Impulsabstand Δ x der Impulsfolge des interferometrischen Gitter- Entfernungsmeßsystems.

Bei einer Entfernungsmessung mit dieser Vorrichtung werden akkumulierte Zahlenwert . . . n-1, n, n+1, . . . für die Impulsfolge des interferometrischen Gitter-Entfernungsmeßsystems gezählt. Die selbstfokussierenden Entfernungsmeßsysteme zur maßlichen Ermittlung der Oberflächenpositionen der Maximalintensitätsgitter BG 1 und BG 2 werden alternierend verwendet. Beispielsweise wird unmittelbar vor einer Oberflächenstufe (einem Sattel) des Gitters BG 1 das für die Entfernungsmessung zu verwendeten Signal auf das von dem selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystem auf der Seite des Gitters BG 2 erzeugte Signal umgeschaltet, und zusätzlich wird unmittelbar vor einer Oberflächenstufe des Gitters BG 2 das für die Messung zu verwendende Signal auf das vom selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystem auf der Seite des Gitters BG 1 erzeugte Signal umgeschaltet. Das bedeutet, daß in einem Fall, wobei die Relativbewegung des Bezugsglieds zum Entfernungsmeßkopf MH eine solche Bewegung des Bezugsglieds SM ist, die in der negativen X-Achsenrichtung in Fig. 23 verläuft, das Umschalten von der BG 2-Seite auf die BG 1-Seite zum Zeitpunkt des Impulses (n-1) erfolgt, während das Schalten von der BG 1-Seite auf die BG 2-Seite zum Zeitpunkt des Impulses (n+4) ausgeführt wird, wie in Fig. 23 gezeigt ist. Verläuft die Relativbewegung des Bezugsglieds SM in der positiven X-Achsenrichtung, so wird das Umschalten umgekehrt durchgeführt. Die Richtung der Relativbewegung des Bezugsglieds SM zum optischen Kopf- Entfernungsmeßsystem MH kann auf der Grundlage der Selbstfokussier- Entfernungsmeßsignale, die den Gittern BG 1 bzw. BG 2 entsprechen, diskriminiert werden. Demzufolge kann das Umschalten korrekt auf der Grundlage der durch diese Diskriminierung erhaltenen Information ausgeführt werden.

Das Ausgangssignal (Selbstfokussiersignal) eines selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems, das in der Nachbarschaft der Oberfläche eines Maximalintensitätsgitters fokussiert ist, wird sich mit einer Änderung in der Defokusgröße des optischen, selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems, die hervorgerufen wird, wenn das Bezugsglied SM eine Relativbewegung ausführt, ändern. Demzufolge kann die Bewegung des Bezugsglieds SM in der X-Achsenrichtung in Form der Information, die sich auf die Richtung der Höhe (Oberflächenhöhe) der Oberfläche des Maximalintensitätsgitters bezieht, erfaßt werden. Um einen solchen Bereich, in dem das selbstfokussierende Entfernungsmeßsignal eine lineare Charakteristik mit Bezug zur Defokusgröße (s. Fig. 10) zeigt, zu nutzen, ist es notwendig, daß die Höhe H des Maximalintensitätsgitters im Vergleich zu der Höhe, durch die die Linearität des Selbstfokussiersignals gewährleistet wird, klein gemacht wird. Durch Wählen der Höhe derart, daß am Zentrum (Punkt C) des Maximalintensitätsgitters mit Bezug zu dessen Längsrichtung das Differential- Ausgangssignal Δ I (s. Fig. 9 und 10) an der Fühlerfläche des selbstfokussierenden Systems Null wird, d. h., daß der fokussierte Zustand vorliegt, ist beispielsweise ein auf den Oberflächen-Höhenunterschied δ bezogenes Signal an der Stelle eines Punktes K in Fig. 23 zu erhalten. Die Länge in der X-Achsenrichtung vom Punkt C zum Punkt K wird durch "δ · H/p _B " bestimmt. Deshalb kann, wenn der N-te Impuls dem Punkt C entspricht, die Position des Punktes K gegeben werden durch:

N · Δ x+δ · H/p _B

Ferner kann, wie in Fig. 24 gezeigt ist, bei jeder Erzeugung eines Impulssignals vom interferometrischen Entfernungsmeßsystem die Fokusermittlungsspannung V _AF zu dieser Zeit gespeichert werden, und ein Komplementieren kann auf der Grundlage der Differenzspannung mit Bezug auf die gespeicherte Spannung V _AF ausgeführt werden, bis das nächste Impulssignal erzeugt wird.

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

Ein bei der in Rede stehenden Ausführungsform verwendbares Maximalintensitätsgitter kann in Übereinstimmung mit irgendeinem bekannten Verfahren, z. B. in einem Naßätzverfahren, bei dem die Beziehung zwischen der Kristallorientierung eines Siliziumwafers und der Ätzgeschwindigkeit benutzt wird, in einem mechanischen Bearbeitungsverfahren, in einem die Lithographie und ein Trockenätzen verwendenden Herstellungsverfahren usw., gefertigt werden.

Die Spezifikation für ein bestimmtes Beispiel ist folgende:
Die Teilung p des interferometrischen Entfernungsmeßgitters war 1,6 µm und der Impulsabstand der Impulsfolge des interferometrischen Gitter-Entfernungssystems 0,4 µm. Objektivlinsen "x 100" (NA0,9) wurden für die Linsen LN 1 und LN 2 des selbstfokussierenden Entfernungsmeßsystems verwendet. Jedes verwendete Maximalintensitätsgitter hatte eine Teilung p _B =3 µm, einen Oberflächen-Höhenunterschied H=1 µm und einen Neigungswinkel R=18° mit Bezug zur ebenen Fläche FT. Es hat sich erwiesen, daß der Bereich, innerhalb welchem das Selbstfokussiersignal eine lineare Charakteristik zeigte, geringfügig kleiner als 1 µm und der maximale Differentialausgang (I _A -I _B ) _max etwa 2 V war, während das Rauschen (N) 5 mV betrug. Die als der Differential-Ausgangswert Δ I(S) zu erlangende Selbstfokussierpräzision, wobei S/N=1 ist, war 0,0025 µm. Die Meßpräzision der Relativbewegung zwischen dem Bezugsgitter SM und dem optischen Kopf-Entfernungsmeßsystem MH war 0,007 µm.

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

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

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

Wenngleich bei der beschriebenen Ausführungsform zwei Maximalintensitätsgitter verwendet werden, so ist es möglich, ein einziges Maximalintensitätsgitter in Verbindung mit zwei selbstfokussierenden Fühler- oder Sondensystemen PR 1 und PR 2 zu verwendet, wie in Fig. 25 gezeigt ist. In einem solchen Fall ist es vorzuziehen, daß die zwei Fühler so eingestellt werden, daß zwei durch die Fühler bestimmte Meßpunkte um eine Strecke beabstandet sind, die annähernd gleich einer Hälfte der Teilung des Maximalintensitätsgitters oder ein ungerades Vielfaches der halben Teilung ist.

Bei der Entfernungsmeßvorrichtung in der Ausführungsform von Fig. 20 wird der Zwischenraum zwischen Impulsen von der Entfernungsmeßvorrichtung, die imstande ist, Impulssignale mit einer bestimmten Länge oder Strecke zu erzeugen, wie es der Fall bei einer interferometrischen Gitter- oder einer interferometrischen Laser-Entfernungsmeßvorrichtung ist, auf der Grundlage des gemessenen Werts komplementiert, der durch eine hochpräzise, eine hohe Auflösung aufweisende und kleinhubige selbstfokussierende Entfernungsmeßeinrichtung zu erhalten ist, welche auf die Oberflächenausbildung eines Maximalintensitätsgitters fokussiert ist. Deshalb kann der Zwischenraum zwischen Impulsen zusätzlich aufgelöst werden, so daß eine Messung mit hoher Präzision und hoher Auflösung durchführbar gemacht wird, während eine hohe Genauigkeit der Impulserzeugungsposition der Entfernungsmeßvorrichtung beibehalten wird.

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

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

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

Ein von einer Lichtquelle LD, z. B. einem Halbleiterlaser, des Entfernungsmeß-Hauptteils MH ausgesandter Lichtstrahl wird in eine ebene Welle durch ein Kollimatorobjekt CL umgewandelt und dann in zwei Strahlen durch einen Halbspiegel HM 20 geteilt. Die beiden zerlegten Lichtstrahlen LO 1 und LO 2 werden jeweils durch Spiegel MR 1 und MR 2 reflektiert und zum Einfallen auf λ/4-Plättchen QW 1 und QW 2 gebracht. Hierauf werden sie durch stationäre Gitter GF 1 und GF 2 jeweils gebeugt. Beugungslichtstrahlen LN 1 und LN 2 der positiven und negativen Ordnung N werden auf das relativ bewegbare Gitter GS projiziert, an dem sie wiederum reflektierend gebeugt werden. Das auf diese Weise erhaltene Licht wird durch Halbspiegel HM 21-HM 23 getrennt, und nach einer Umwandlung in elektrische Signale mit Hilfe der Kombination von Polarisationsplatten PP 1-PP 4 und Fühlern (Photodetektoren) PD 1-PD 4 werden sie abgeleitet. Die λ/4-Plättchen QW 1 und QW 2, die in den Wegen der Lichtstrahlen LO 1 und LO 2 angeordnet sind, werden vorher so festgelegt, daß ihre starken Achsen jeweils unter Winkeln von +45° und -45° mit Bezug zu einer linear polarisierten Lichtkomponente des Laserstrahls geneigt sind. Ferner werden die Winkelstellungen der Polarisationsplatten PP 1-PP 4 so festgesetzt, daß ihre Polarisationsausrichtungen gleich 0°, 45°, 90° und 135° jeweils werden.

Bei dieser Anordnung wird die Menge eines jeden Lichts, das auf einen entsprechenden der Fühler PD 1-PD 4 auftrifft, mit der Bewegung des relativ bewegbaren Gitters GS geändert, wie in Fig. 27 gezeigt ist, und diese Änderungen werden als Lichtmengen- Erfassungsausgänge ermittelt, d. h., von den Fühlern PD 1-PD 4 gehen Ausgangssignale aus, deren Phasen in Aufeinanderfolge um einen Phasenunterschied von 90° verschoben sind.

Die Fig. 28 zeigt den Zustand der Beugungslichtstrahlen, wenn in dem Entfernungsmeßsystem der Ausführungsform von Fig. 26 die Ausgangswellenlänge der Lichtquelle LD einer Verschiebung unterliegt.

In Fig. 28 sind die Strahlengänge, wenn die Justierung im wesentlichen perfekt ist, durch ausgezogene Linien dargestellt, während die Strahlengänge, wenn die Wellenlänge verschoben ist, durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Somit geben die Lichtströme, die mit L 11 und L 12 in dieser Figur bezeichnet sind, die Beugungslichtstrahlen an, die erzeugt werden, wenn die Wellenlänge verschoben worden ist. Die Ausgänge der Fühler PD 1-PD 4, wenn eine solche Wellenlängenverschiebung auftritt, sind diejenigen, die in Fig. 29 dargestellt sind. Unabhängig von der Größe der Bewegung des relativ bewegbaren Gitters GS wird in jeden der Ausgänge der Fühler eine sog. Vorspannungskomponente einbezogen. Der Grund hierfür liegt darin, daß ein Lichtstrombereich, in dem ein Interferenzstreifen nicht gebildet wird, anders als der Interferenzbereich, wie in Fig. 28 schraffiert dargestellt ist, ansteigt und daß die Ausdehnung des Lichtstrombereichs, in dem kein Interferenzstreifen gebildet wird, sich mit der Größe in der Verschiebung der Wellenlänge ändert. Demzufolge treten diejenigen Änderungen auf, die in den Signal-Wellenformen der Ausgänge der lichtelektrischen Fühler PD 1-PD 4 in Fig. 29 gezeigt sind. In einem Fall, da die Verarbeitung auf der Grundlage von vier Ermittlungssignalen, die aufeinanderfolgende Phasenunterschiede von 90° haben, vor sich geht, kann jedoch die Teilung mit Bezug auf die Periode der Signale mit einer guten Genauigkeit ausgeführt werden, selbst wenn die Wellenlänge einer Verschiebung unterliegt.

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

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

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

Bei der Vorrichtung von Fig. 26 sind zusätzlich zum bewegbaren Gitter GS Beugungsgittereinrichtungen (stationäre Gitter GF 1 und GF 2) auch auf der Seite des Entfernungsmeßkopfteils MH vorgesehen, so daß die Beugungslichtstrahlen der positiven und negativen Ordnung n von den stationären Gittern wieder durch das bewegbare Gitter gebeugt werden, wobei die zuletzt gebeugten Lichtstrahlen desselben Weges zum Fühler gehen. Demzufolge kann ohne die Verwendung von irgendeinem oben beschriebenen Winkelspiegel Interferenzlicht, dessen Helligkeit sich mit der Bewegung des bewegbaren Gitters ändert, erhalten werden, wenn die Wellenlänge einer Änderung unterliegt. Das bedeutet, daß das beschriebene Gitterinterferenz-Entfernungsmeßgerät eine gute Stabilität gegenüber der Änderung in der Wellenlänge ohne die Verwendung von irgendeinem Winkelspiegel hat. Deshalb können die Kosten wie auch die Größenabmessungen der Vorrichtung vermindert werden. Ferner erleichtert die beschriebene Konstruktion die Zusammenfassung oder Integration der Bauteile zu einer kompakten Vorrichtung, worauf noch eingegangen werden wird.

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

Die Fig. 30 zeigt ein Beispiel, wobei die wesentlichen Teile eines Beugungsgitter-Entfernungsmeßgeräts als ein "integrierter Kreis" ausgebildet sind. Bei diesem Beispiel sind ein Teil, der einem optischen System des Entfernungsmeßkopfteils MH des Entfernungsmeßgeräts von Fig. 26 entspricht, und ein elektrisches Signalverarbeitungssystem, das dazu dient, Impulse in Übereinstimmung mit der Helligkeit/Dunkelheit des Interferenzlichts zu erzeugen, an einer Basisplatte aus GaAs ausgebildet.

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

Die Lichtquelle LD kann an der GaAs-Basisplatte SB beispielsweise unter Anwendung eines molekularen Strahl- Epitaxieverfahrens ausgebildet werden. Ein Objektiv- und Strahlenteilerteil LS, das in der Wellenleiterschicht WG ausgebildet ist, dient dazu, ein divergierendes Licht von der Lichtquelle LD in ein paralleles Licht umzusetzen und dann dieses längs zweier Richtungen zu teilen. Gitterkoppler GC 1 und GC 2 wirken jeweils dahingehend, die durch den Dünnschichtwellenleiter WG fortgepflanzte Lichtwelle unter einem bestimmten Winkel nach außen zum äußeren Raum hin auszusenden.

Das Bezugsbeugungsgitter GS entspricht dem bewegbaren Gitter GS des Entfernungsmeßgeräts der Ausführungsform von Fig. 26 und wirkt dahingehend, die Lichtwellen von den Gitterkopplern GC 1 und GC 2 zur selben Richtung hin zu beugen. Ein Photodetektor PD ist dazu vorgesehen, die Interferenzlichtintensität des Beugungslicht vom Bezugsbeugungsgitter GS zu ermitteln.

Im folgenden wird die Arbeitsweise beschrieben.

Die Lichtwelle von der Lichtquelle LD wird durch den Wellenleiter WG fortgepflanzt, und mit Hilfe des Objektiv- und Strahlenteilerteils LS wird es in zwei parallele Lichtstrahlen LO 1 und LO 2 umgesetzt, die durch den Wellenleiter WG in unterschiedlichen Richtungen ausgebreitet werden. Jeder der Lichtstrahlen LO 1 und LO 2 wird innerhalb des Wellenleiters WG durch einen zugeordneten Spiegel MR 1 und MR 2 umgelenkt, so daß er parallel zur Längsrichtung des Bezugsgitters WS weitergeht. Die von den Spiegeln MR 1 und MR 2 reflektierten Lichtstrahlen fallen auf die Gitterkoppler GC 1 und GC 2. Jeder dieser Gitterkoppler wirkt dahingehend, die Lichtwelle, die durch den Wellenleiter WG fortgepflanzt worden ist, von der Oberfläche der Basisplatte zur Außenseite hin unter einem vorbestimmten Winkel und durch die Wellenleiteroberfläche auszusenden. Dieser Winkel ist auf die Teilung oder den regelmäßigen Abstand des Bezugsgitters GS und die Wellenlänge des Lichts bezogen. Wenn ein Bezugsgitter mit einer Teilung p=1,6 µm verwendet wird und wenn die Wellenlänge λ=0,83 µm ist, dann ist der Emissionswinkel 58,8°.

Die beiden Lichtwellen von den Gitterkopplern GC 1 und GC 2 werden durch das Bezugsbeugungsgitter GS rechtwinklig gebeugt und fallen auf den Photodetektor PD, der die Interferenzintensität der beiden gebeugten Lichtstrahlen photoelektrisch umwandelt.

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

Die zum Äußeren hin durch die Gitterkoppler GC 1 und GC 2 ausgesandten Lichtwellen werden, wie gesagt wurde, durch das Bezugsgitter GS gebeugt. Die Intensitätsverteilung des hierbei erzeugten Beugungslichts kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

I=I₀+I₁ cos[2π · X/{p/(m-n)}]

worin ist:

Xder Wert der relativen Änderung zwischen der Basisplatte und dem Bezugsgitter,pdie Teilung oder der regelmäßige Abstand des Bezugsbeugungsgitters,mdie Beugungsordnung des Lichts vom Gitterkoppler GC 1 durch das Beugungsgitter,ndie Beugungsordnung des Lichts vom Gitterkoppler GC 2 durch das Beugungsgitter,I₀der Gleichstrompegel, I₁die Signalamplitude.

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

I=I₀+I₁[cos 2f (X/0,8)]

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

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

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

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

Ein spezielles Beispiel ist in Fig. 31 dargestellt, wobei das Bezugsgitter GS durch zwei Gitterreihen GL 1 und GL 2 gebildet ist, deren Phasen relativ mit Bezug zur Bewegungsrichtung des Bezugsgitters GS um einen Wert, der 1/4x(m-n) der Gitterteilung entspricht, verschoben sind. Zusätzlich sind an der Basisplatte SB zwei lichtelektrische Fühler PD 1 und PD 2 ausgebildet, die den beiden Gitterreihen zugeordnet sind.

Die Beugungslichtstrahlen von den Gitterreihen GL 1 und GL 2 werden jeweils von einem der Fühler PD 1 und PD 2, die räumlich getrennt sind, empfangen. Dadurch sind Signale, deren Phasen relativ um 1/4 der Periode verschoben sind, wie in Fig. 32 gezeigt ist, zu erhalten.

Die Fig. 33 zeigt ein Beispiel, wobei ein Entfernungsmeßgerät der Gitterinterferenz-Bauart als eine optische Überlagerungs-(Heterodyn-)Meßvorrichtung vorgesehen ist.

Bei diesem Beispiel ist eine Frequenzverschiebeeinrichtung FS, die beispielsweise eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung umfaßt, in der Mitte des Strahlenganges angeordnet, so daß eine Lichtwelle, deren Frequenz mit Bezug zur Frequenz f₀ des Ausgangslichts von der Lichtquelle LD um einen Wert Δ f, der der Schwingfrequenz eine Oszillators OSC entspricht, verschoben. Lichtwellen der Frequenz f₀ und der Frequenz f₀+Δ f werden auf Gitterkoppler GC 1 und GC 2 projiziert und über diese Koppler auf ein Bezugsgitter GS, das eine einzelne Gitterreihe hat, geworfen. Das durch das Bezugsgitter GS gebeugte Licht wird von einem Photodetektor PD empfangen.

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

I=I₀+I₁cos[2πΔ ft-2π X/{p/(m-n)}]

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

Eines der Merkmale der Vorrichtung gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform liegt darin, daß keine Notwendigkeit zur Verwendung eines speziellen Gitters (s. beispielsweise Fig. 31) für die Unterscheidung der Bewegungsrichtung besteht. Zusätzlich ist in einer kurzen Zeitspanne die Mittelwertbildung mit Bezug zur Zeit zu erlangen. Deshalb kann die Größe oder der Wert der Bewegung sehr genau ermittelt werden.

Bei den Entfernungsmeßvorrichtungen der Ausführungsformen von Fig. 30 und 33, die als integrierte Kreise ausgebildet sind, wird als Basisplatte SB ein GaAs-Bauteil verwendet, jedoch kann das Basisteil auch aus Si gefertigt werden. In diesem Fall kann die Lichtquelle LD außerhalb vorgesehen werden.

Wie beschrieben wurde, wird durch die integrierte Ausbildung eines optischen Systems (ausschließlich eines Bezugsgitters) und eines elektrischen Signalverarbeitungssystems auf einem einzigen Basisteil in einer Entfernungsmeßvorrichtung 11885 00070 552 001000280000000200012000285911177400040 0002003816248 00004 11766 der Gitterinterferenz-Bauart die Notwendigkeit der Justierung der Baugruppe beseitigt und kann die Vorrichtung gegen eine Störung stabil ausgebildet werden. Ferner können die Größe und das Gewicht der Vorrichtung vermindert werden, während eine Messung mit hoher Präzision gewährleistet wird.

Üblicherweise enthält ein optische System in einem Entfernungsmeßgerät der Gitterinterferenz-Bauart Spiegel oder Winkelspiegel (Corner-Cubes). Insbesondere werden Spiegel oder dgl. in einem optischen System zur Projektion von Licht auf ein Gitter verwendet. Das führt jedoch zu einer Schwierigkeit in der Justierung der Anordnung oder Baugruppe und in einer kompakten Ausbildung der Vorrichtung.

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

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

In Fig. 35 sind die vom Wollaston-Prisma WP austretenden Lichtstrahlen solche, daß ihre p-polarisierten Lichtkomponenten und s-polarisierten Lichtkomponenten den gleichen Einfallswinkel mit Bezug zum Gitter GS haben, wobei jedoch die Einfallswinkel dieser polarisierten Lichtkomponenten entgegengesetzte Vorzeichen haben. Wenn diese Lichtstrahlen durch ein λ/4-Plättchen QW treten, werden das p- und das s-polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht mit entgegengesetzten Drehrichtungen umgewandelt. Diese zirkular polarisierten Lichtstrahlen können räumlich miteinander interferieren. Das interferierende Licht wird durch einen Strahlenteiler BS in zwei Strahlen geteilt, die auf zwei Photodetektoren PD 1 bzw. PD 2, vor denen jeweils Polarisationsplatten PP 1 und PP 2 angeordnet sind, gerichtet werden. Durch diesen Vorgang werden Signalausgänge, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, erhalten, und durch die Ausführung der elektrischen Verarbeitung, die mit Bezug auf die Vorrichtung von Fig. 1 beschrieben wurde, werden Signale des Entfernungsmeßgeräts der Gitterinterferenz-Bauart erlangt. Die Polarisationsachsen der Polarisationsplatten PP 1 und PP 2 sind um 45° mit Bezug zueinander verschoben.

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

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

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

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform ist im Vergleich dazu das optische System des Meßgeräts so angeordnet, daß die Anzahl der Lichtbeugungen am Entfernungsmeß-Bezugsgitter GS erhöht wird, was zum Ergebnis hat, daß die Lichtmenge an einem Lichtfühler sich um viele Male (z. B. achtmal) während einer Zeitperiode ändert, in welcher das Bezugsgitter GS sich um einen einer Teilung von diesem entsprechenden Wert bewegt. Bei dieser Anordnung ändert sich die Lichtmenge am Lichtfühler in sehr kurzen Intervallen, wie beispielsweise einem Achtel der Teilung des Bezugsgitters. Dadurch wird durch die optische Anordnung selbst die Anzahl der Teilungen mit Bezug auf das Gitter (Gitterteilung) erhöht.

In Fig. 36 wird das von einer Lichtquelle LD, die beispielsweise einen Halbleiterlaser umfaßt, des optischen Entfernungsmeßsystems der Gitterinterferenz-Bauart ausgehende Licht in ein ebenwelliges Licht LO durch ein Kollimatorobjektiv CL umgewandelt und fällt dann auf einen Punkt P 1 am Entfernungsmeß-Bezugsgitter GS, das in einer relativ bewegbaren Beziehung zum optischen Entfernungsmeßsystem steht. Das auf das Bezugsgitter GS einfallende Licht wird durch dieses gebeugt. Beugungslichtstrahlen L 11 und L 12 von positiver und negativer Ordnung n, die dadurch erzeugt werden, treten jeweils in die Winkelspiegel CC 1 und CC 2 ein, durch die sie reflektiert werden, und jedes reflektierte Licht pflanzt sich in einer zu seinem ankommenden Weg parallelen und umgekehrten Richtung fort. Die von den Winkelspiegeln CC 1 und CC 2 reflektierten Lichtstrahlen fallen wieder auf das Bezugsgitter GS an den jeweiligen Punkten P 2 sowie P 3 und werden erneut durch das Gitter GS gebeugt. Diese gebeugten Lichtstrahlen L 21 und L 22 treten durch Phasenplatten FP 1 und FP 2, so daß der Polarisationszustand eines jeden Lichts geändert wird. Nach der Reflexion durch die Winkelspiegel CC 3 und CC 4 gelangen die Lichtstrahlen L 21 und L 22 zurück zum Gitter GS an den Punkten P 4 sowie P 5 und werden erneut durch das Gitter GS gebeugt. Diese gebeugten Lichtstrahlen L 31 und L 32 werden wiederum durch die Winkelspiegel CC 1 bzw. CC 2 gebeugt, kehren zurück zum Gitter GS und fallen am selben Punkt P 6 ein, an dem sie wiederum gebeugt werden (vierte Beugung). Diese vierten Beugungslichtstrahlen L 41 und L 42 interferieren miteinander. Das interferierende Licht gelangt über einen Spiegel MR zu einem Strahlenteiler HM, wo eine Trennung in zwei Lichtstrahlen erfolgt, die durch Polarisationsplatten PP 1 bzw. PP 2 zu Fühlern PD 1 bzw. PD 2 gerichtet werden.

Die Phasenplatten FP 1 und FP 2 können beispielsweise λ/4- Plättchen umfassen und sind so festgesetzt, daß ihre starken Achsen mit Winkeln von +45° und -45° mit Bezug zu den linear polarisierten Komponenten der Laserstrahlen L 21 und L 22 geneigt sind. Auch können die Polarisationsplatten PP 1 und PP 2 so festgelegt werden, daß sie jeweils Winkel mit 0° und 45° haben. Mit der oben beschriebenen Anordnung sind solche Signale mit Intensitäten, welche sich mit einem Phasenunterschied von 90° unterscheiden, an den beiden Fühlern PD 1 und PD 2 zu erhalten. Ferner werden, wenn die Teilung des Entfernungsmeß- Bezugsgitters 2,4 µm beträgt und wenn die Beugungsordnung an jedem der verschiedenen Punkte und bei jeden Zeiten "±1. Ordnung" ist, an den Fühlern PD 1 und PD 2 solche Signale erzeugt, die einen 0,3-µm-Abstand haben, der 1/8 der Teilung des Gitters beträgt. Durch Teilen des auf diese Weise bestimmten Impulsintervalls in Übereinstimmung mit dem elektrischen Teilungsverfahren, das beispielsweise unter Bezugsnahme auf die Fig. 2 und 4 beschrieben wurde, sind Impulssignale in einer Anzahl, die zweimal größer ist als die oben beschriebene Impulsanzahl, zu erhalten, d. h., es können 32 Impulse pro einer Teilung mit einem Abstand von 0,075 µm erhalten werden.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegungsstrecke von zwei sich relativ zueinander bewegenden Objekten offenbart. Die Vorrichtung umfaßt eine Mehrzahl von an einem Objekte ausgebildeten geneigten Flächen, die mit einer vorbestimmten Teilung längs der Relativbewegungsrichtung in Reihe angeordnet sind. Jede der geneigten Flächen ist mit Bezug zur Relativbewegungsrichtung geneigt. Ein am anderen Objekt vorgesehenes Meßteil dient der Messung des Abstandes zu wenigstens einer der geneigen Flächen in einer Richtung, die einen Winkel mit Bezug zur Relativbewegungsrichtung einschließt. Ferner umfaßt die Vorrichtung ein Teil zur Ermittlung der Relativbewegungsstrecke der beiden Objekte auf der Grundlage der Messung durch das Meßteil.

Obwohl die Erfindung anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen wörtlich und bildlich erläutert wurde, so ist sie auf die dargelegten Einzelheiten keineswegs beschränkt, da dem Fachmann bei Kenntnis der vermittelten Lehre Abwandlungen und Abänderungen der verschiedensten Art an die Hand gegeben worden sind, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen sind.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegungsstrecke von zwei relativ sich bewegenden Objekten, gekennzeichnet

• - durch eine Mehrzahl von an dem einen der Objekte ausgebildeten geneigten Flächen, die in Reihe mit einer vorbestimmten Teilung längs der Relativbewegungsrichtung angeordnet sind und von denen jede mit Bezug zur Relativbewegungsrichtung geneigt ist,
• - durch eine am anderen der Objekte vorgesehene Meßeinrichtung, die den Abstand zu wenigstens einer der geneigten Flächen in einer Richtung, die einen Winkel mit Bezug zur Relativbewegungsrichtung hat, mißt, und
• - durch eine Ermittlungseinrichtung, die die Relativbewegungsstrecke der zwei Objekte auf der Grundlage der Messung durch die Meßeinrichtung erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Flächen ein Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Reihen von geneigten Flächen parallel zueinander und längs der Relativbewegungsrichtung ausgebildet sind, daß die geneigten Flächen in den zwei Reihen Teilungen aufweisen, die relativ zueinander annähernd um die Hälfte einer Teilung verschoben sind, daß die Meßeinrichtung jeweils Meßpunkte mit Bezug zu den zwei Reihen aufweist und daß die Meßeinrichtung die Relativbewegungsstrecke durch abwechselnde Verwendung der Meßergebnisse mit Bezug zu den beiden Meßpunkten ermittelt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zwei Meßpunkte aufweist, die längs der Relativbewegungsrichtung um einen Wert verschoben sind, der annähernd gleich einem ungeraden Vielfachen einer Hälfte von einer Teilung der geneigten Flächen ist, und daß die Ermittlungseinrichtung die Relativbewegungsstrecke durch abwechselnde Verwendung der Meßergebnisse mit Bezug zu den beiden Meßpunkten erfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein optisches System enthält, das einen in der Nachbarschaft einer geneigten Fläche gebildeten Brennpunkt hat, und daß die Meßeinrichtung ein dem Fokussierzustand des optischen Systems mit Bezug zur geneigten Fläche entsprechendes Signal erzeugt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Impulssignal-Ausgabeeinrichtung, die jedesmal bei einer Relativbewegung der zwei Objekte über eine vorbestimmte Teilung ein Impulssignal ausgibt, wobei die Ermittlungseinrichtung die Relativbewegungsstrecke der beiden Objekte auf der Grundlage eines von der Impulssignal- Ausgabeeinrichtung ausgegebenen Impulssignals und des Meßergebnisses durch die Meßeinrichtung ermittelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssignal-Ausgabeeinrichtung ein Entfernungsmeßgerät der Gitter-Interferenz-Bauart umfaßt.

8. Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegungsstrecke eines ersten und zweiten, relativ zueinander sich bewegenden Objekts, gekennzeichnet

• - durch eine erste Meßeinrichtung, die (i) eine am ersten Objekt vorgesehene und mit Bezug zum ersten Objekt bewegbare Bewegungseinrichtung, (ii) eine am zweiten Objekt oder der Bewegungseinrichtung vorgesehene Lichtquelle, die ein Licht zur Bewegungseinrichtung oder zum zweiten Objekt hin projiziert, und (iii) Phototedektoreinrichtungen, die am zweiten Objekt oder der Bewegungseinrichtung vorgesehen sind, um das von der Bewegungseinrichtung oder vom zweiten Objekt zurückkehrende Licht zu erfassen, umfaßt, wobei die erste Meßeinrichtung ein Impulssignal auf der Grundlage einer Änderung in einer Interferenzlichtintensität, die mit der Relativverlagerung zwischen dem zweiten Objekt und der Bewegungseinrichtung im ankommenden Licht hervorgerufen wird, jedesmal erzeugt, wenn das zweite Objekt und die Bewegungseinrichtung sich relativ über eine vorbestimmte Teilung verlagern,
• - durch eine zweite Meßeinrichtung, die Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Pegelsignals aufweist, das in Übereinstimmung mit der Größe der Relativverlagerung zwischen der Bewegungseinrichtung und dem ersten Objekt sowie innerhalb eines Bereichs der vorbestimmten Teilung veränderlich ist.
• - durch eine Steuereinrichtung, die betätigbar ist, um die Bewegungseinrichtung nach der Relativbewegung zwischen dem ersten und zweiten Objekt relativ zu bewegen, und
• - durch eine Ermittlungseinrichtung, die die Relativbewegungsstrecke des ersten und zweiten Objekts auf der Grundlage des auf die Relativbewegung des ersten sowie zweiten Objekts sich beziehenden Impulssignals und des elektrischen Pegelsignals, das der Bewegungsstrecke entspricht, die die Bewegungseinrichtung nach der Relativbewegung des ersten und zweiten Objekts, bis die erste Meßeinrichtung ein zweites Impulssignal erzeugt, durchlaufen hat, ermittelt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßeinrichtung eine Lichtquelle, ein Beleuchtungssystem, ein optisches Ermittlungssystem und einen Photodetektor, die am zweiten Objekt vorgesehen sind, und ein Beugungsgitter, das an der Bewegungseinrichtung vorgesehen ist, umfaßt, daß Licht von der Lichtquelle mittels des Beleuchtungssystems auf das Beugungsgitter zur Erzeugung von Beugungslicht gerichtet wird, daß das vom Beugungsgitter erzeugte Beugungslicht vom Photodetektor durch das optische Ermittlungssystem erfaßt wird, wobei ein Impulssignal erzeugt wird, und daß die erste Meßeinrichtung das auf diese Weise erhaltene Impulssignal ausgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßeinrichtung ein interferometrisches Laser-Entfernungsmeßgerät umfaßt.

11. Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegungsstrecke eines ersten und eines zweiten, relativ zueinander sich bewegenden Objekts, gekennzeichnet

• - durch eine erste Meßeinrichtung, die (i) eine am ersten Objekt vorgesehene und mit Bezug zum ersten Objekt bewegbare Bewegungseinrichtung, (ii) eine am ersten Objekt oder der Bewegungseinrichtung vorgesehene Lichtquelle, die ein Licht zur Bewegungseinrichtung oder zum ersten Objekt hin projiziert, und (iii) Photodetektoreinrichtungen, die am ersten Objekt oder an der Bewegungseinrichtung vorgesehen sind, um das von der Bewegungseinrichtung oder vom ersten Objekt zurückkehrende Licht zu erfassen, umfaßt, wobei die erste Meßeinrichtung ein Impulssignal auf der Grundlage einer Änderung in einer Interferenzlichtintensität, die mit der Relativverlagerung zwischen dem ersten Objekt und der Bewegungseinrichtung im ankommenden Licht hervorgerufen wird, jedesmal erzeugt, wenn das erste Objekt und die Bewegungseinrichtung sich relativ über eine vorbestimmte Teilung verlagern,
• - durch eine zweite Meßeinrichtung, die Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen Pegelsignals aufweist, das in Übereinstimmung mit der Größe der Relativverlagerung zwischen der Bewegungseinrichtung und dem zweiten Objekt sowie innerhalb eines Bereichs der vorbestimmten Teilung veränderlich ist,
• - durch eine Steuereinrichtung, die betätigbar ist, um die Bewegungseinrichtung nach der Verlagerung zwischen dem ersten sowie zweiten Objekt relativ zu bewegen, und
• - durch eine Ermittlungseinrichtung, die die Relativbewegungsstrecke des ersten sowie zweiten Objekts auf der Grundlage der auf die Relativbewegung der Bewegungseinrichtung sich beziehenden Impulssignals und des elektrischen Pegelsignals, das von der zweiten Meßeinrichtung zur Zeit, da die erste Meßeinrichtung ein vorbestimmtes Impulssignal erzeugt, ausgegeben wird, ermittelt.