DE19930687B4

DE19930687B4 - Optisches Verschiebungsmeßsystem

Info

Publication number: DE19930687B4
Application number: DE19930687.7A
Authority: DE
Inventors: Kuroda Akihiro
Original assignee: DMG Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2019-07-03
Also published as: DE19930687A1; GB9915580D0; GB2339017A; GB2339017B; US6407815B2; US20010015808A1

Abstract

Optisches Verschiebungsmeßsystem aufweisend: ein Beugungsgitter (11) zum Beugen eines kohärenten Strahls (La), das so ausgebildet ist, daß es in Richtungen relativ zu dem kohärenten Strahl (La) und parallel zu einem Gittervektor bewegbar ist; eine Lichtemissionsvorrichtung (12) zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahls (La); ein optisches Bestrahlungssystem (15) in Form der kohärentes Licht emittierenden Lichtemissionsvorrichtung (12), zweier Reflektoren (23, 24) sowie eines halbdurchlässigen Spiegels (22) zum Aufteilen des kohärenten Lichtstrahls (La), der von der Lichtemissionsvorrichtung (12) emittiert wird, in zwei erste kohärente Lichtstrahlen (La1, La2) und zum Bestrahlen des Beugungsgitters (11) mit jedem der ersten kohärenten Strahlen (La1, La2) mit einer ersten Fokussiereinrichtung (21) zum Fokussieren der zwei kohärenten Strahlen (La1, La2) auf die Gitterebene des Beugungsgitters (11), wobei das optische Bestrahlungssystem so geartet ist, daß das Beugungsgitter (11) mit jedem der beiden ersten kohärenten Lichtstrahlen (La1, La2) bestrahlt wird aus einer Richtung, die nicht senkrecht zu der Gitterebene ist; ein optisches Interferenzsystem (16), das so ausgebildet ist, daß zwei am Beugungsgitter (11) erhaltene gebeugte Lichtstrahlen (Lb1, Lb2) miteinander interferieren mit einem halbdurchlässigen Spiegel (27) und mit einer zweiten Fokussiereinrichtung (28) zum Fokussieren der zwei gebeugten Strahlen (Lb1, Lb2) auf eine Lichtempfangsebene (13a) einer Lichtempfangsvorrichtung (13), wobei die Lichtempfangsvorrichtung (13) zum Empfangen der gebeugten miteinander interferierenden Strahlen (Lb1, Lb2) und zum Erfassen eines Interferenzsignals dient; und eine Stellungserfassungsvorrichtung (14) zum Bestimmen der Position des relativ bewegten Beugungsgitters (11) aus der Phasendifferenz zwischen den gebeugten Strahlen (Lb1, Lb2) welche aus dem durch die Lichtempfangsvorrichtung (13) gemessenen Interferenzsignal ermittelt wird; dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtemissionsvorrichtung (12) einen Multimode-Halbleiter-Laser umfasst mit einer Kohärenzlänge von einem ganzzahligen Vielfachen von hundert Mikrometern, wodurch die Längenunterschiede der optischen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Verschiebungsmeßsystem zum Erfassen einer eventuellen relativen Bewegung eines bewegbaren Teils einer Vorrichtung zum Herstellen von Halbleitern, eines Maschinenwerkzeugs oder einer anderen Vorrichtung.
Es sind optische Verschiebungsmeßsysteme bekannt, die ein Beugungsgitter verwenden, um die relative Bewegung eines bewegbaren Teils einer Vorrichtung, wie beispielsweise einer Vorrichtung zum Herstellen von Halbleitern oder eines Maschinenwerkzeugs, zu erfassen.
DE 39 42 385 A1 offenbart beispielsweise ein Beugungsgitter – Verschiebungsmessgerät mit einer Fokussiereinrichtung, welches eine gewisse Symmetrie aufweist. Dabei wird ein Konkavspiegel (oder eine Konvexlinse) so angeordnet, daß sich einer seiner Brennpunkte auf einer Brechungsebene oder einer Beugungsebene eines Beugungsgitters befindet, oder bei welchem durch das Beugungsgitter übertragene Strahlen nullter Ordnung in derselben Richtung durch ein Rechteckprisma oder ein Dreieckprisma zurückreflektiert werden, um wiederum auf das Beugungsgitter aufzutreffen und in dieses einzutreten.
JP 63 309 817 A beschreibt ein optisches Messsystem mit einer Fokussiereinrichtung, um eine temperaturbedingte Positionsänderung eines optischen Gitters beurteilen und gegebenenfalls kompensieren zu können. Dazu wird das Licht einer Laserdiode über einen Spiegel mit einer Linse auf ein Beugungsgitter fokussiert. Dann wird das Licht spektral aufgespalten und unter einem definierten Winkel erneut auf das Beugungsgitter reflektiert, insgesamt also zweifach gebeugt, und durch eine Konvexlinse wieder zusammengeführt. Die so zweifach gebrochenen Lichtstrahlen werden durch eine Konvexlinse wieder zusammengeführt, durch ein λ/n-Plättchen zirkular polarisiert, durch einen Strahlteiler erneut aufgespalten und auf zwei unterschiedliche Photodetektoren gelenkt. Durch Messen der Phasendifferenz kann die Bewegung bzw. die Bewegungsrichtung des optischen Gitters ermittelt werden.
JP 02 298 804 A offenbart ein Interferometer bei dem Laserlicht durch einen Strahlteiler geteilt und mittels Reflektoren über ein λ/4-Plättchen auf ein optisches Gitter projiziert wird. Wenn reflektierte gebeugte Lichtstrahlen erneut überlagert werden und ein λ/4-Plättchen durchlaufen, werden sie zu linear polarisierten Licht welches mit einer Phasendifferenz rotiert die der Verschiebung des optischen Gitters entspricht. Um dies zu messen wird dieses Licht erneut gespalten und der jeweilige Strahl einem Photodetektor zugeführt.
Die 1 und 2 der beiliegenden Zeichnung zeigen ebenfalls ein bekanntes optisches Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 60 098 302 A beschrieben ist. 1 ist eine schematische Perspektivdarstellung des bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems 100 und 2 ist eine schematische Darstellung des optischen Verschiebungsmeßsystems 100 in Blickrichtung des Pfeiles N1 in 1.
Dieses bekannte optische Verschiebungsmeßsystem 100 enthält ein Beugungsgitter 101, daß so ausgebildet ist, daß es sich entsprechend einer Bewegung des bewegbaren Teils eines Maschinenwerkzeugs linear in die durch die Pfeile X1 und/oder X2 in den Figuren angedeuteten Richtungen bewegt, eine kohärente Lichtquelle 102 zum Emittieren eines kohärenten Laserstrahls, einen halbdurchlässigen Spiegel 103 zum Teilen des von der kohärenten Lichtquelle 102 emittierten Laserstrahls in zwei Strahlen und zum Veranlassen, daß sich die zwei Beugungsstrahlen von dem Beugungsgitter 101 überlagern und miteinander interferieren, ein Paar von Spiegeln 104a, 104b zum Reflektieren der entsprechenden Strahlen, die von dem Beugungsgitter 101 gebeugt wurden, und einen Licht- oder Fotodetektor 105 zum Empfangen der zwei gebrochenen Strahlen und Erzeugen eines Interferenzsignals.
Der von der kohärenten Lichtquelle 102 emittierte Laserstrahl wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 103 in zwei Strahlen geteilt. Anschließend werden die zwei Strahlen dazu gebracht, auf das Beugungsgitter 101 zu treffen. Die zwei auf das Beugungsgitter 101 treffenden Strahlen werden dann durch das Beugungsgitter 101 gebeugt und verlassen dieses als Beugungsstrahlen. Die zwei durch das Beugungsgitter 101 gebeugten Primärbeugungsstrahlen werden anschließend durch die Spiegel 104a bzw. 104b reflektiert. Die von den Spiegeln 104a bzw. 104b reflektierten Beugungsstrahlen werden dazu veranlaßt, ein weiteres Mal auf das Beugungsgitter 101 zu treffen, und noch einmal durch das Beugungsgitter 101 gebeugt, bevor sie zu dem halbdurchlässigen Spiegel 103 zurückkehren, wobei sie jeweils entgegengesetzten gleichen Lichtwegen folgen. Die zu dem halbdurchlässigen Spiegel 103 zurückkehrenden Beugungsstrahlen werden dazu veranlaßt, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren, bevor sie durch den Fotodetektor 105 erfaßt werden.
Bei dem bekannten optischen Verschiebungsmeßsystem 100 bewegt sich das Beugungsgitter 101 in die durch die Pfeile X1, X2 angedeuteten Richtungen. Bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 100 weisen dann die zwei durch das Beugungsgitter 101 erzeugten Beugungsstrahlen eine Phasendifferenz als Funktion der Bewegung des Beugungsgitters 101 auf. Das optische Verschiebungsmeßsystem 101 kann daher die Verschiebung des bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs durch Erfassung der Phasendifferenz der zwei Beugungsstrahlen aus dem von dem Fotodetektor 105 erzeugten Interferenzsignal bestimmen.
Die 3 und 4 der beiliegenden Zeichnung zeigen ein weiteres bekanntes optisches Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 60 098 302 A beschrieben ist. 3 ist eine schematische Perspektivdarstellung des bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems 110 und 4 ist eine schematische Darstellung der optischen Verschiebungsmeßsystems 110 in Blickrichtung des in 3 gezeigten Pfeiles N1.
Dieses bekannte optische Verschiebungsmeßsystem 110 enthält ein Beugungsgitter 111, das so ausgebildet ist, daß es sich entsprechend einer Bewegung des bewegbaren Teils eines Maschinenwerkzeugs linear in die durch die Pfeile X1 und/oder X2 in den Figuren angedeuteten Richtungen bewegt, eine kohärente Lichtquelle 112 zum Emittieren eines kohärenten Laserstrahls, einen halbdurchlässigen Spiegel 113 zum Teilen des von der kohärenten Lichtquelle 112 emittierten Laserstrahls in zwei Strahlen und zum Veranlassen, daß sich die zwei Beugungsstrahlen von dem Beugungsgitter 111 überlagern und miteinander interferieren, ein erstes Paar von Spiegeln 114a, 114b zum Reflektieren der von dem Beugungsgitter 101 gebeugten Strahlen auf einen gleichen und identischen Lichtfleck auf dem Beugungsgitter 111, und ein zweites Paar von Spiegeln 115a, 115b zum Reflektieren der von dem Beugungsgitter 111 gebeugten Beugungsstrahlen sowie einen Fotodetektor 116 zum Empfangen der zwei Beugungsstrahlen und Erzeugen eines Interferenzsignals.
Der von der kohärenten Lichtquelle 112 emittierte Laserstrahl wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 113 in zwei Strahlen geteilt. Die zwei Strahlen werden anschließend durch das erste Paar von Spiegeln 114a, 114b reflektiert und dazu veranlaßt, auf den gleichen und identischen Lichtfleck auf dem Beugungsgitter 101 aufzutreffen. Die zwei auf das Beugungsgitter 101 auftreffenden Strahlen werden dann durch das Beugungsgitter 111 gebeugt und verlassen dieses als Beugungsstrahlen. Die zwei durch das Beugungsgitter 111 gebeugten Primärbeugungsstrahlen werden anschließend durch das zweite Paar von Spiegeln 115a, 115b reflektiert. Die von dem zweiten Paar Spiegeln 104a bzw. 104b reflektierten Beugungsstrahlen werden dazu veranlaßt, ein weiteres Mal auf das Beugungsgitter 101 zu treffen, und noch einmal durch das Beugungsgitter 101 gebeugt, bevor sie zu dem halbdurchlässigen Spiegel 113 zurückkehren, wobei sie jeweils den entgegengesetzten gleichen Lichtwegen folgen. Die zu dem halbdurchlässigen Spiegel 113 zurückgekehrten Beugungsstrahlen werden dazu veranlaßt, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren, bevor sie durch den Fotodetektor 116 erfaßt werden.
Bei dem bekannten optischen Verschiebungsmeßsystem 110 bewegt sich das Beugungsgitter 111 in die durch die Pfeile X1, X2 angedeuteten Richtungen. Die zwei durch das Beugungsgitter 111 erzeugten Beugungsstrahlen zeigen dann bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 110 eine Phasendifferenz als Funktion der Bewegung des Beugungsgitters 111. Das optische Verschiebungsmeßsystem 111 kann daher die Verschiebung des bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs durch Erfassung der Phasendifferenz der zwei Beugungsstrahlen aus dem von dem Fotodetektor 116 erzeugten Interferenzsignal bestimmen.
Entsprechend dem Trend zur verbesserten Hochpräzision von Maschinenwerkzeugen und industriellen Robotern in den letzten Jahren wird von optischen Verschiebungsmeßsystemen des betrachteten Typs immer häufiger verlangt, eine Positionserfassungsfähigkeit mit einem Auflösungsvermögen von einigen 10 nm bis zu einigen nm aufzuweisen.
Um einen hohen Auflösungsvermögen zu haben, ist es bei einem optischen Verschiebungsmeßsystem notwendig, ein starkes Interferenzsignal zu erfassen. Die zwei Beugungsstrahlen, die zum Interferieren gebracht werden sollen, müssen dann mit einem hohen Maß an Präzision überlagert werden.
Bei den beiden oben beschriebenen bekannten optischen Verschiebungsmeßsystemen 101, 110 können die Beugungsstrahlen allerdings auseinanderlaufen, falls das entsprechende Beugungsgitter 101 oder 111 in eine andere Richtung als die Bewegungsrichtung bewegt wird oder Wellungen aufweist, wodurch das Interferenzsignal plötzlich unterdrückt wird und es somit unmöglich wird, die Position des bewegbaren Teils zu erfassen. Falls beispielsweise das Beugungsgitter 101 oder 111 in die durch die Pfeile A1 und A2 oder B1 und B2 in den 1 bis 4 gezeigten Richtungen rotiert wird, ist es nicht länger möglich, die Position des bewegbaren Teils des Maschinenwerkstücks, das unter Überwachung ist, zu erfassen.
5 der beiliegenden Zeichnung zeigt ein optisches Verschiebungsmeßsystem 120, das durch Modifizieren des oben beschriebenen bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems 100 erhalten wird. Gemäß 5 enthält dieses eine erste Linse 106 zum Fokussieren der von der kohärenten Lichtquelle 102 emittierten Laserstrahlen auf die Spiegel 104a, 104b und eine zweite Linse 107 zum Fokussieren der zwei Beugungsstrahlen, die durch den halbdurchlässigen Spiegel 103 dazu gebracht wurden, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren, auf die Lichtempfangsebene des Fotodetektors 105.
Allerdings ist auch dieses optische Verschiebungsmeßsystem 120 nicht frei von dem oben dargestellten Problem, daß die beiden Beugungsstrahlen auseinanderlaufen, wodurch das Interferenzsignal plötzlich unterdrückt wird und es unmöglich gemacht wird, die Position des bewegbaren Teils zu erfassen, falls das Beugungsgitter 101 in eine andere Richtung als die Bewegungsrichtung bewegt wird oder Wellungen aufweist.
Falls beispielsweise das Beugungsgitter 101 in Richtung der Pfeile A1 und A2 um (1/60)° und in Richtung der Pfeile B1 und B2 um (1/6)° gekippt wird, ändert sich die Höhe des Interferenzsignals um 20%. Falls ein Reflektionstyp-Beugungsgitter verwendet wird, reduziert sich der Toleranzwinkel in Richtung der Pfeile B1 und B2 zu einem Bruchteil des oben angegebenen Werts, was es nochmals schwieriger macht, die Position des bewegbaren Teils zu erfassen.
6 der beiliegenden Zeichnung zeigt ein bekanntes optisches Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 02 167 427 A beschrieben wird.
Gemäß 6 enthält das optische Verschiebungsmeßsystem 130 ein Beugungsgitter 131, das so ausgebildet ist, daß es sich entsprechend einer Bewegung des bewegbaren Teils eines Maschinenwerkzeugs linear in die durch die Pfeile X1 und/oder X2 in den Figuren angedeuteten Richtungen bewegt, eine Laserdiode 132 zum Emittieren eines Laserstrahls, einen ersten halbdurchlässigen Spiegel 133 zum Teilen des von der Laserdiode 132 emittierten Laserstrahls, erste und zweite Lichtempfangsvorrichtung 134, 135 zum Empfangen der zwei durch das Beugungsgitter 131 transmittierten Beugungsstrahlen, ein Paar von Linsen 136, 137 zum Fokussieren der zwei Beugungsstrahlen und einen zweiten halbdurchlässigen Spiegel 138 zum Separieren und synthetischen Kombinieren der zwei durch das Paar von Linsen 136, 137 fokussierten Beugungsstrahlen.
Das optische Verschiebungsmeßsystems 130 enthält ferner ein erstes Paar von Spiegeln 139, 140 zum Reflektieren der von dem halbdurchlässigen Spiegel 133 erzeugten Laserstrahlen und zum Veranlassen, daß diese auf das Beugungsgitter 131 treffen, ein zweites Paar von Spiegeln 141, 142 zum Reflektieren der von dem Beugungsgitter 131 durchgelassenen Laserstrahlen und zum Veranlassen, daß diese auf den halbdurchlässigen Spiegel 138 treffen, ein λ/4-Plättchen 143 und einen ersten Analysator 144, die zwischen der ersten Lichtempfangsvorrichtung 143 und dem halbdurchlässigen Spiegel 138 angeordnet ist, und einen zweiten Analysator 145, der zwischen der zweiten Lichtempfangsvorrichtung 135 und dem halbdurchlässigen Spiegel 138 angeordnet ist.
Bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 130 werden die erste und die zweite Linse 136, 137 so angeordnet, daß sie die Strahlen jeweils auf die Beugungs- oder die Brechungsebene des Beugungsgitters 131 fokussieren. Die Beugungsstrahlen, die auf die erste bzw. die zweite Lichtempfangsvorrichtung treffen, werden daher immer parallel zueinander gehalten, und das Interferenzsignal wird wenig schwanken, wenn das Beugungsgitter 131 Wellungen zeigt.
Das vorgeschlagene optische Verschiebungsmeßsystem 130 stellt jedoch nur die Parallelität der zwei Beugungsstrahlen sicher. Dies bedeutet, daß nur in dem schraffierten Bereich in 7, in dem die beiden Strahlen zum Überlagern gebracht werden, eine gleichmäßige Interferenz aufrechterhalten wird, wenn das Beugungsgitter 131 geneigt wird. Mit anderen Worten, die zwei Beugungsstrahlen interferieren in keinen anderen Bereichen als in dem Bereich, in dem die beiden Strahlen zur gegenseitigen Überlagerung gebracht werden, so daß dementsprechend das erhaltene Interferenzsignal unterdrückt werden wird. Falls ferner die beiden Strahlen relativ zueinander nicht exakt parallel sind und – in irgendeinem Sinn des Wortes – einen Abbildungsfehler beinhalten, wird selbst in dem Bereich, in dem die zwei Strahlen zur gegenseitigen Überlagerung gebracht werden, keine gleichmäßige Interferenz erzielt werden.
8 der beiliegenden Zeichnung zeigt ein bekanntes optisches Verschiebungsmeßsystem, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 01 185 415 A beschrieben ist.
Gemäß 8 enthält das bekannte optische Verschiebungsmeßsystem 150 ein Transmissionstyp-Beugungsgitter 151, das so ausgebildet ist, daß es sich entsprechend einer Bewegung des bewegbaren Teils eines Maschinenwerkzeugs linear in die durch die Pfeile X1 und/oder X2 in den Zeichnungen angedeuteten Richtungen bewegt, eine Laserdiode 152 zum Emittieren eines Laserstrahls, eine Kollimatorlinse 153 zur Kollimation des von der Laserdiode 152 emittierten Laserstrahls, einen ersten halbdurchlässigen Spiegel 154 zum Teilen des kollimierten Laserstrahls in zwei Strahlen, ein erstes Paar von Spiegeln 155a, 155b zum Reflektieren der geteilten Strahlen und zum Veranlassen, daß diese auf das Beugungsgitter 151 treffen, ein zweites Paar von Spiegeln 156a, 156b zum Reflektieren der Beugungsstrahlen, die von dem Beugungsgitter 151 erzeugt werden, wenn die geteilten Strahlen durch dieses transmittieren, ein Paar von Polarisatoren 157a, 157b zum Veranlassen, daß die von dem zweiten Paar von Spiegeln 156a, 156b reflektierten Beugungsstrahlen senkrecht schneiden, einen zweiten halbdurchlässigen Spiegel 158 zum Veranlassen, daß sich die zwei Beugungsstrahlen überlagern, eine erste Lichtempfangsvorrichtung 159 zum Empfangen der zwei Beugungsstrahlen, die durch den zweiten halbdurchlässigen Spiegel 158 dazu gebracht wurden, sich zu überlagern, einen dritten halbdurchlässigen Spiegel 160 zum Separieren der Beugungsstrahlen, die durch den zweiten halbdurchlässigen Spiegel 158 dazu gebracht wurden, sich gegenseitig zu überlagern, ein zweites und eine dritte Lichtempfangsvorrichtung 161 und 162 jeweils zum Empfangen der durch den dritten halbdurchlässigen Spiegel 160 erzeugten Strahlen, einen Analysator 163, der zwischen dem dritten halbdurchlässigen Spiegel 160 und der zweiten Lichtempfangsvorrichtung 161 angeordnet ist, und ein λ/4-Plättchen 164 und einen weiteren Analysator 165, die zwischen dem dritten halbdurchlässigen Spiegel 160 und der dritten Lichtempfangsvorrichtung 162 angeordnet sind.
Die zwei kohärenten Lichtstrahlen, die durch Teilen des ursprünglichen kohärenten Lichtstrahls durch den ersten halbdurchlässigen Spiegel 154 erzeugt wurden, werden jeweils in ihrem Einfallswinkel von dem ersten Paar von Spiegeln 155a, 155b derart umgelenkt, daß sie zum Winkel θ angeglichen werden. Die zwei kohärenten Strahlen werden dazu veranlaßt, am der gleichen und identischen Stelle auf die Gitterebene des Beugungsgitters 151 aufzutreffen. Die Beugungsstrahlen, die durch Auftreffen der kohärenten Strahlen auf die Gitterebene mit einem Einfallswinkel θ erzeugt wurden, weisen den gleichen Beugungswinkel ϕ auf. Bei diesem optischen Verschiebungsmeßsystem 150 streuen Strahlen der nullten Ordnung nicht in die Lichtwege der Beugungsstrahlen, da der Einfallswinkel und der Beugungswinkel unterschiedlich sind. Durch einen Strahl der nullten Ordnung wird daher kein Hintergrundsignal erzeugt, wodurch die Vorrichtung in die Lage versetzt wird, die Position des bewegbaren Teils zuverlässig zu erfassen.
Allerdings werden bei dem obigen optischen Verschiebungsmeßsystem 150 die zwei kohärenten Lichtstrahlen dazu veranlaßt, daß sie an der gleichen Stelle mit einem gleichen Einfallswinkel auf die Gitterebene des Beugungsgitters 151 treffen. Wie 9 entnommen werden kann, bewegt sich der reflektierte Strahl, der beim Auftreffen eines kohärenten Strahles auf das Beugungsgitter 151 erzeugt wird, auf dem Weg des anderen kohärenten Lichtstrahles, der auf das Beugungsgitter 151 trifft, zurück und tritt dementsprechend in die Laserdiode 152 ein.
Grundsätzlich reagiert eine Laserdiode hochempfindlich auf einen zurückkehrenden Strahl und wird durch einen solchen Strahl in Bezug auf die Oszillation und die Erzeugung eines Hintergrundsignals instabil. Die Wellenlänge des Laserstrahls, der von der Laserdiode emittiert wird, wird dann instabil werden. Das Signal/Rausch-Verhältnis und die Stabilität des Interferenzsignals wird beim Zurückkehren eines reflektierten Strahls in die Laserdiode 152 des optischen Verschiebungsmeßsystems 150 ernsthaft beeinträchtigt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Verschiebungsmeßsystem anzugeben, das die Position eines bewegbaren Teils eines Maschinenwerkzeugs mit einem verbesserten Auflösungsvermögen erfassen kann.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine optisches Verschiebungsmeßsystem anzugeben, bei dem irgendein von dem Beugungsgitter reflektierter Strahl nicht zu der Lichtemissionsvorrichtung zurückkehrt, so daß die Position des bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs zuverlässig mit einem erhöhten Auflösungsvermögen erfaßt werden kann.
Entsprechend der Erfindung wird die obige Aufgabe durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 60 098 302 A beschrieben ist.
2 ist eine schematische Darstellung des optischen Verschiebungsmeßsystems in 1 in Blickrichtung N1 in 1.
3 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines weiteren bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems, daß in der japanischen Offenlegungsschrift JP 60 098 302 A beschrieben ist.
4 ist eine schematische Darstellung des optischen Verschiebungsmeßsystems in 3 in Blickrichtung N1 in 3.
5 ist eine schematische Darstellung der Funktion eines optischen Verschiebungsmeßsystems, das durch Modifizieren des bekannten optischen Verschiebungsmeßsystem aus 1 erhalten wird.
6 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines weiteren bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 02 167 427 A beschrieben wird.
7 ist eine schematische Darstellung der Funktion der Lichtempfangsvorrichtungs eines optischen Verschiebungsmeßsystems aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 02 167 427 A , das mit gebeugten Lichtstahlen bestrahlt wird.
8 ist eine schematische Darstellung eines weiteren bekannten optischen Verschiebungsmeßsystems, das in der japanischen Offenlegungsschrift JP 01 185 415 A beschrieben ist.
9 ist eine schematische Darstellung eines reflektierten Strahls, der zu der kohärenten Strahlquelle eines optischen Verschiebungsmeßsystems der japanischen Offenlegungsschrift JP 01 185 415 A zurückkehrt.
10 ist eine schematische Darstellung eines optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines Beugungsgitters, das in den ersten sieben Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
13 ist eine schematische Darstellung der optischen Wege von kohärenten Strahlen und Beugungsstrahlen in dem ersten Ausführungsbeispiel des optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems das nicht Teil der Erfindung ist.
15 ist eine schematische Darstellung des Beugungsgitters des weiteren Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems das nicht Teil der Erfindung ist, bei der das Beugungsgitter gekippt ist.
16 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines zweiten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems das nicht Teil der Erfindung ist.
17 ist eine schematische Darstellung einer Komponente des zweiten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit einer Steigung m2 angeordnet ist, in Blickrichtung senkrecht relativ zu dieser Steigung m2.
18 ist eine schematische Darstellung eines kohärenten Strahls, der auf das Beugungsgitter trifft, sowie eines gebeugten Strahls, der durch das Beugungsgitter gebeugt wurde, in dem zweiten Beispiel eines optischen Verschiebungsmeßsystems, in Blickrichtung des Gittervektors.
19 ist eine schematische Darstellung einer Komponente des zweiten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit einer Steigung m3 angeordnet ist, in Blickrichtung senkrecht relativ zu dieser Steigung m3.
20 ist eine schematische Darstellung von kohärenten Lichtstrahlen, die auf das Beugungsgitter treffen, welche die Stellen (Lichtflecken), an denen der kohärente Strahl auf das Beugungsgitter trifft, zeigt.
21 ist eine zur 20 unterschiedliche schematische Darstellung der Stellen, an denen die kohärenten Strahlen auf das Beugungsgitter des zweiten Beispiels treffen.
22 ist eine schematische Darstellung wie in 17 einer Komponente des zweiten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit einer Steigung m2 angeordnet sind, in einer Blickrichtung senkrecht zu dieser Steigung m2, aber mit einer anderen Stelle als in 17, an der der kohärente Strahl auftrifft.
23 ist eine schematische Darstellung wie in 19 einer Komponente des zweiten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit einer Steigung m3 angeordnet ist, in einer Blickrichtung senkrecht zu dieser Steigung m3, aber mit einer anderen Stelle als in 19, an der der kohärente Strahl auftrifft.
24 ist eine schematische Darstellung der Länge des optischen Weges eines Laserstrahls, der durch das Beugungsgitter hindurchtritt.
25 ist eine schematische Darstellung der Differenz zwischen den optischen Wegen zweier Laserstrahlen, die durch das Beugungsgitter hindurchtreten, wenn das Gitter eine variierende Dicke aufweist.
26 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines dritten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems das nicht Teil der Erfindung ist.
27 ist eine schematische Darstellung einer Komponente des dritten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit Steigungen m2 und m3' angeordnet ist, in einer Blickrichtung senkrecht zu den Steigungen m2 und m3'.
28 ist eine schematische Darstellung eines kohärenten Strahls, der auf das Beugungsgitter trifft und eines durch das Beugungsgitter gebeugten Beugungsstrahls, des dritten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, in Blickrichtung des Gittervektors.
29 ist eine zu 26 unterschiedliche schematische Darstellung der Stellen, an denen die kohärenten Strahlen auf das Beugungsgitter des dritten Beispiels treffen.
30 ist eine schematische Darstellung wie in 27 einer Komponente des dritten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, die mit den Steigungen m2 und m3' angeordnet ist, in Blickrichtung zu den Steigungen m2 und m3', aber mit einer anderen Stelle als in 27, an der die kohärenten Strahlen auftreffen.
31 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines vierten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems, welche schematisch den Hauptteil des optischen Interferenzsystems darstellt.
32 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines fünften Beispiels, das nicht Teil der Erfindung ist, eines optischen Verschiebungsmeßsystems, welche schematisch den Hauptteil des optischen Interferenzsystems darstellt.
33 ist eine schematische Perspektivdarstellung eines sechsten Beispiels, das nicht Teil der Erfindung ist, eines optischen Verschiebungsmeßsystems, welche den Hauptteil des optischen Interferenzsystemsschematisch darstellt.
34 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Beugungsgitters, das bei einem der ersten sechs Beispiele des optischen Verschiebungsmeßsystems verwendet werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems entsprechend der Erfindung, das in 11 dargestellt ist, erläutert.
Gemäß 11 enthält das erste Ausführungsbeispiel eines optischen Verschiebungsmeßsystems 10 entsprechend der Erfindung ein Beugungsgitter 11, das so ausgebildet ist, daß es mit einem kohärenten Lichtstrahl bestrahlbar ist und sich in Richtungen relativ zu dem kohärenten Strahl bewegt, die parallel zu dem Gittervektor sind, um den kohärenten Strahl zu beugen, eine kohärenten Lichtquelle 12 zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahls La, beispielsweise eines Laserstrahls, eine Lichtempfangsvorrichtung 13 zum Empfangen zweier interferierender Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 um ein Interferenzsignal zu erzeugen, eine Stellungserfassungsvorrichtung 14 zum Erfassen der verschobenen Position des Beugungsgitters 11 auf Basis des Interferenzsignals der Lichtempfangsvorrichtung 13, ein optisches Interferenzsystem 15 zum Bestrahlen des Beugungsgitters 11 mit einem kohärenten Stahl La, welcher von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert wurde, und ein optisches Interferenzsystem 16 zum Veranlassen, daß die zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 des Beugungsgitter 11 miteinander interferieren und die Lichtempfangsvorrichtung 13 beleuchten.
Gemäß 12 hat das Beugungsgitter 11 ein Profil wie eine dünne Platte und ist mit einer Gitterstruktur von schmalen Schlitzen oder Rillen versehen, die in regelmäßigen Abständen auf der Oberfläche angeordnet sind. Ein Lichtstrahl, der auf das Beugungsgitter 11 trifft, wird von der an der Oberfläche gebildeten Gitterstruktur gebeugt. Der gebeugte Strahl wird dann in eine Richtung, die durch die Gitterabstände und die Wellenlänge des Strahls bestimmt ist, abgestrahlt.
Aus Gründen der Beschreibung des Ausführungsbeispiels wird im Folgenden die Oberfläche des Beugungsgitters 11, auf der die Gitterstruktur angeordnet ist, als Gitterebene 11a bezeichnet. Falls es sich um ein Transmissionstyp-Beugungsgitter 11 handelt, werden sowohl die Oberfläche, durch die ein kohärenter Strahl in das Beugungsgitter 11 eintritt, als auch die Oberfläche, durch die ein gebeugter Strahl abgestrahlt wird, als Gitterebene 11a bezeichnet. Die Richtungen, entlang derer die Gitterstruktur des Beugungsgitters 11 gebildet wird (die durch die Pfeile C1 und C2 in
12 dargestellten Richtungen), das sind die Richtung senkrecht zum Gittervektor, welcher Änderungen in der Durchlässigkeit, in der Reflektivität und Tiefe der Gitterstruktur repräsentiert, sowie die Richtung parallel zur Gitterebene 11a, werden als Gitterrichtungen bezeichnet. Die Richtungen senkrecht zu der Richtung, entlang derer die Gitterstruktur gebildet wird und parallel zu der Gitterebene 11a (die durch Pfeile D1 und D2 in 12 dargestellten Richtungen), das ist die Richtung parallel zu dem Gittervektor des Beugungsgitters 11, werden als Gittervektorrichtung bezeichnet. Schließlich werden die Richtungen senkrecht zu der Gitterebene 11a (die durch die Pfeile E1 und E2 in 12 dargestellten Richtungen), das sind die Richtung senkrecht zu derjenigen Richtung, entlang derer die Gitterstruktur gebildet ist, und ebenso zu dem Gittervektor, werden als Normalen-Vektorrichtung bezeichnet. Es ist zu beachten, daß diese Nomenklatur der Richtungen des Beugungsgitters 11 auch in der Beschreibung der weiteren Ausführungsbeispiele, die noch folgt, verwendet wird.
Das Beugungsgitter 11 ist in das bewegbare Teil eines Maschinenwerkzeugs eingepaßt und wird in die Gittervektorrichtung zusammen mit dem bewegbaren Teil bewegt, wie dies durch die Pfeile X1 und X2 in 11 dargestellt ist.
Die kohärente Lichtquelle 12 ist ein Gerät, das ausgebildet ist, einen kohärenten Strahl, beispielsweise einen Laserstrahl, zu emittieren. Die kohärente Lichtquelle 12 ist typischerweise ein Multimoden-Halbleiterlaser, der so ausgebildet ist, daß er einen Laserstrahl mit einer Kohärenzlänge von ungefähr einigen 100 μ erzeugt.
Die Lichtempfangsvorrichtung 13 ist ein licht- oder fotoelektrisches Umsetzungselement, das ausgebildet so ist, daß es das Licht, das dessen Lichtempfangsebene 13a bestrahlt, in ein elektrisches Signal umsetzt, welches die Menge des empfangenen Lichts repräsentiert. Sie kann typischerweise einen Licht- oder Fotodetektor aufweisen. Die Lichtempfangsvorrichtung 13 empfängt einen kohärenten Lichtstrahl, der die Lichtempfangsebene 13a bestrahlt, und erzeugt ein Interferenzsignal, welches der Menge des empfangenen Lichts entspricht.
Die Stellungserfassungsvorrichtung 14 gibt ein Positionssignal ab, welches die relativ verschobene Position des Beugungsgitters 11 angibt, durch Auswertung der Phasendifferenz der zwei gebeugten Lichtstrahlen auf Basis des Interferenzsignals, welches von der Lichtempfangsvorrichtung 13 erzeugt worden ist.
Das optische Bestrahlungssystem 15 enthält eine erste Fokussiervorrichtung 21 zum Fokussieren des kohärenten Strahls La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert wurde, auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11, einen halbdurchlässigen Spiegel 22 zum Teilen des kohärenten Strahles La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert wurde, in zwei kohärente Strahlen La1, La2, einen Reflektor 23 zum Reflektieren eines der kohärenten Strahlen, hier des kohärenten Strahls La1, der durch den halbdurchlässigen Spiegel 22 erzeugt wurde, und einen anderen Reflektor 24 zum Reflektieren des anderen kohärenten Strahls, hier des kohärenten Strahls La2, der durch den halbdurchlässigen Spiegel 22 erzeugt wurde.
Die erste Fokussiervorrichtung 21 enthält ein optisches Element, das eine Linse sein kann, die einen vorgegebenen variablen Bereich in der numerischen Apertur hat. Der kohärente Strahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert wurde, wird dazu gebracht, in die erste Fokussiereinrichtung 21 einzutreten. Die erste Fokussiereinrichtung 21 fokussiert den kohärenten Strahl La, der in dieses eintritt, auf die Gitterebenen 11a des Beugungsgitters 11 mit einem vorgegebenen Strahldurchmesser. Vorzugsweise bedeckt der Strahldurchmesser des fokussierten Strahls eine ausreichende Anzahl an Rillen des Beugungsgitters 11, um einen Beugungsstrahl zu erzeugen. Der Strahldurchmesser ist vorzugsweise derart, daß der Strahl nicht durch kleine Staubpartikel und/oder Kratzer auf der Gitterebene 11a beeinflußt werden kann. Vorzugsweise kann der Strahldurchmesser durch Einstellen der numerischen Apertur eingestellt werden und ist typischerweise nicht kleiner als einige 10 μ. Der Brennpunkt kann – nicht notwendigerweise – derjenige Punkt sein, an dem der Strahldurchmesser minimiert wird. Ein Punkt auf der Gitterebene 11, bei dem die Differenz zwischen den Längen der optischen Wege der zwei Strahlen minimiert wird, kann alternativ für den Brennpunkt gewählt werden.
Der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittierte kohärente Strahl La wird durch die erste Fokussiereinrichtung 21 dazu gebracht, in den halbdurchlässigen Spiegel 22 einzutreten. Der halbdurchlässige Spiegel 22 transmittiert einen Teil des einfallenden kohärenten Strahls La, um einen kohärenten Strahl La1 zu erzeugen, und reflektiert den Rest des einfallenden kohärenten Strahls La, um einen kohärenten Strahl La2 zu erzeugen.
Der Reflektor 23 reflektiert den durch den halbdurchlässigen Spiegel 22 transmittierten kohärenten Strahl La1 und bringt diesen dazu, an einer vorgegebenen Stelle auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 aufzutreffen. Der Reflektor 24 reflektiert auf der anderen Seite den durch den halbdurchlässigen Spiegel 22 reflektierten kohärenten Strahl La2 und bringt diesen dazu, an der vorgegebenen Stelle auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 aufzutreffen. Der Reflektor 23 und der Reflektor 24 bewirken daher, daß die jeweiligen kohärenten Strahlen La1 und La2 auf dem gleichen Lichtfleck auf die Gitterebene 11a auftreffen.
Das optische Interferenzsystem 16 enthält andererseits einen Reflektor 25 zum Reflektieren des gebeugten Strahls Lb1, der aus dem kohärenten Strahl La1 erzeugt wurde, einen weiteren Reflektor 26 zum Reflektieren des gebeugten Strahls Lb2, der aus dem kohärenten Strahl La2 erzeugt wurde, einen halbdurchlässigen Spiegel 27, um den von dem Reflektor 25 reflektierten Beugungsstrahl Lb1 und den von dem Reflektor 26 reflektierten Beugungsstrahl Lb2 zu veranlassen, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren, und eine zweite Fokussiereinrichtung 28 zum Fokussieren der zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2, die durch die halbdurchlässigen Spiegel 27 dazu gebracht wurden, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren, auf die Lichtempfangsebene 13a des Lichtempfangsvorrichtungs 13.
Der durch Eintreten des kohärenten Strahls La1 in das Beugungsgitter 11 erzeugte Beugungsstrahl Lb1 wird dazu gebracht, auf den Reflektor 25 aufzutreffen. Der Reflektor 25 reflektiert dann den Beugungsstrahl Lb1 und bringt diesen dazu, auf den halbdurchlässigen Spiegel 27 aufzutreffen. Der durch Eintreten des kohärenten Strahls La2 in das Beugungsgitter 11 erzeugte Beugungsstrahl Lb2 wird dazu gebracht, auf den Reflektor 26 aufzutreffen. Der Reflektor 26 reflektiert dann den Beugungsstrahl Lb2 und bringt diesen dazu, auf den halbdurchlässigen Spiegel 27 aufzutreffen.
Der halbdurchlässige Spiegel 27 transmittiert den Beugungsstrahl Lb1, der durch den Reflektor 25 reflektiert wurde und reflektiert den Beugungsstrahl Lb2, der durch den Reflektor 26 reflektiert wurde, um somit die beiden Beugungsstrahlen Lb1 und Lb2 zu veranlassen, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren.
Die zweite Fokussiereinrichtung 28 enthält ein optisches Element, das eine Linse sein kann, die einen vorgegebenen Bereich in ihrer numerischen Apertur hat. Die zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2, die durch die halbdurchlässigen Spiegel dazu gebracht wurden, sich zu überlagern, treffen dann auf die zweite Fokussiereinrichtung 28. Die Fokussiereinrichtung 28 fokussiert dann die zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 auf die Lichtempfangsebene 13a der Lichtempfangsvorrichtung 13 mit einem vorgegebenen Strahldurchmesser. Der Brennpunkt muß nicht notwendigerweise derjenige Punkt sein, an dem der Strahldurchmesser minimiert wird. Ein Punkt auf der Lichtempfangsebene 13a, bei dem die Differenz der Länge der optischen Wege der zwei Strahlen minimiert wird, kann alternativ für den Brennpunkt gewählt werden.
Bei einem optischen Verschiebungsmeßsystem 10, das wie oben aufgebaut ist, wird eine Phasendifferenz zwischen den zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 erzeugt, wenn das Beugungsgitter 11 in die Richtungen des Gittervektors mit einer Bewegung des bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs bewegt wird. Das optische Verschiebungsmeßsystem 10 veranlaßt die zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2, miteinander zu interferieren um ein Interferenzsignal zu erfassen, und bestimmt die Phasendifferenz der zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 aus dem Interferenzsignal, um abschließend die veränderte Position des Beugungsgitters 11 zu erfassen.
Es sei hier angenommen, daß eines der gegenüberliegenden Enden des Beugungsgitters 11, gesehen in Gittervektorrichtungen, in eine der Normalen-Vektorrichtungen (beispielsweise in die durch den Pfeil X3 in 13 angedeutete Richtung) bewegt wird und das andere Ende in die andere Normalen-Vektorrichtung (beispielsweise in die durch den Pfeil X4 in 13 angedeutete Richtung) bewegt wird, so daß die Gitterebene 11a gedreht wird. Sowohl der Beugungswinkel des Beugungsstrahls Lb1 und als auch des Beugungsstrahls Lb2 ändern sich dann. Die optischen Achsen der zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 stimmen daher nicht mehr überein, wenn sie durch den halbdurchlässigen Spiegel 27 dazu gebracht werden, sich zu überlagern.
Bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 10 wird jedoch der kohärente Strahl La1, der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert wurde, auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 durch die erste Fokussiereinrichtung 21 fokussiert und die zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 werden auf die Lichtempfangsebene 13a der Lichtempfangsvorrichtung 13 durch die zweite Fokussiereinrichtung 28 fokussiert. Die Längen der optischen Wege der zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 welche durch die Apertur der zweiten Fokussiereinrichtung hindurchtreten, werden daher bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 10 angeglichen. Der Fokuspunkt auf der Lichtempfangsebene 13a wird daher nicht verschoben, und die Längen der optischen Wege der Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 werden sich nicht ändern, wenn die optischen Achsen der zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 verändert werden.
Als ein Ergebnis davon werden bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 10 der vorliegenden Erfindung die zwei Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 nicht relativ zueinander verschoben und überlagern sich daher exakt. Wenn das Beugungsgitter 11 daher in eine andere Richtung als die Richtungen parallel zum Gittervektor verschoben wird, wird das von dem Lichtempfangsvorrichtung 13 erfaßte Interferenzsignal nicht verschlechtert, selbst wenn das Beugungsgitter 11 gedreht wird oder gewellt ist. Daher kann die veränderte (verschobene) Position des bewegbaren Teils des Maschinenwerkzeugs exakt und mit einem erhöhten Auflösungsvermögen durch das optische Verschiebungsmeßsystem 10 erfaßt werden. Zusätzlich kann ein optisches Verschiebungsmeßsystem 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung in den bewegbaren Teil eines Maschinenwerkzeugs mit einer großen Auswahl der Position eingepaßt werden, und die Position des bewegbaren Teils kann zuverlässig erfaßt werden, falls das bewegbare Teil vibriert oder geschüttelt wird.
Ferner sind die Lichtstrahlen frei von Vignetierung und kann die Position des bewegbaren Teils zuverlässig und genau erfaßt werden, da die beiden Beugungsstrahlen Lb1, Lb2 auf die selbe Stelle (Lichtfleck) auf der Lichtempfangsebene 13a eines optischen Verschiebungsmeßsystems 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung fokussiert werden.
Mit einem optischen Verschiebungsmeßsystem 10 gemäß der Erfindung kann die Distanz zwischen dem Beugungsgitter 11 und der optischen Bestrahlungsvorrichtung 15 oder des optischen Interferenzsystem 16 gesteigert werden, indem die Apertur des ersten Fokussierungselementes 21 oder die des zweiten Fokussierungselementes 28 erweitert wird. Zusätzlich könnte in einem optischen Verschiebungsmeßsystem 10 gemäß der Erfindung eine kleine Lichtempfangsvorrichtung 13 zum Empfangen von Licht verwendet werden, um einen vergrößerten Freiheitsgrad zum Entwickeln der Systemkonfiguration zu erlauben.
Weiterhin können zusätzlich in einem optischen Verschiebungsmeßsystem 10 gemäß der Erfindung Meßfehler, die Schwankungen in der Wellenlänge zuzuschreiben sind, dadurch eliminiert werden, daß die Längen der optischen Wege vom kohärenten Strahl La1 und vom kohärenten Strahl La2 gleich gemacht werden und auch dadurch, daß die Längen der optischen Wege des gebeugten Strahls Lb1 und des gebeugten Strahls Lb2 gleich gemacht werden. Mit dem Ziel, diese Längen der optischen Länge zu justieren, könnte eine kohärente Lichtquelle 12 benutzt werden, die einen kohärenten Strahl aussendet, der Kohärenz aufweist mit welchem die Differenz in der Länge des optischen Weges als einen Wechsel des Modulationsfaktors der Interferenzstreifen erfaßt wird. Beispielsweise können die Positionen der halbdurchlässigen Spiegel 22, 27 justiert werden, um den Modulationsfaktor der Interferenzstreifen zu maximieren, indem ein Multimode Halbleiterlaser mit einer Kohärenzlänge von mehreren hundert μm benutzt wird. Dann kann die Differenz entlang der optischen Wege auf weniger als mehrere 10 μm reduziert werden.
Nun wird nachfolgend ein Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, eines optischen Verschiebungsmeßsystems beschrieben. Zu bemerken ist, daß die Komponenten dieses Beispiels des optischen Verschiebungsmeßsystems gleich oder ähnlich dem Gegenstück des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles sind bzw. mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht weiter beschrieben werden. Auch ist zu bemerken, daß die Komponenten des zweiten und der weiteren Beispiele gleich oder ähnlich derer des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles sind bzw. mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht weiter beschrieben werden.
Bezugnehmend auf 14 enthält das Beispiel des optischen Verschiebungsmeßsystems 30 ein Beugungsgitter 11, das von einem kohärenten Lichtstrahl durchstrahlt wird und sich in Richtung parallel zum Gittervektor relativ zum kohärenten Strahl bewegt um den kohärenten Strahl zu beugen, eine kohärente Lichtquelle 12, wie einen Laserstrahl, zum Aussenden eines kohärenten Lichtstrahls La, eine Lichtempfangsvorrichtung 13 zum Empfangen von zwei interferierenden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 um ein Interferenzsignal zu generieren, eine Stellungserfassungsvorrichtung 14 zum Erkennen der versetzten Position des Beugungsgitters 11 auf der Basis des Interferenzsignales von der Lichtempfangsvorrichtung 13, ein optisches Bestrahlungssystem 31 zum Bestrahlen des Beugungsgitters 11 mit einem kohärenten Strahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 ausgesendet wurde, und eine optische Empfangsvorrichtung 32, um die beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 vom Beugungsgitter 11 miteinander zu interferieren und die Lichtempfangsvorrichtung 13 zu bestrahlen.
Das optische Bestrahlungssystem 15 enthält ein erstes Fokussierungselement 21 zum Fokussieren des kohärenten Strahles La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 auf der Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 ausgesendet wurde, und einen halbdurchlässigen Spiegel 22 zum Aufteilen des kohärenten Strahles La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 ausgesendet wurde, in zwei kohärente Strahlen La1, La2.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel des optischen Verschiebungsmeßsystems der Erfindung enthält das optische Bestrahlungssystem 31 in diesem Beispiel keine Reflektoren. Deshalb treten der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl Lb1 beide direkt in die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 des halbdurchlässigen Spiegels 22 ein. Auf diese Weise unterscheidet sich der Lichtfleck, auf welchem der kohärente Strahl La1 auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 trifft, von dem Lichtfleck, auf den der kohärente Strahl Lb2 auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 trifft.
Das optische Interferenzsystem 16 enthält einen halbdurchlässigen Spiegel 27, um den gebeugten Strahl Lb1, der von dem kohärenten Strahl La1 produziert wurde, und den gebeugten Strahl Lb2, der von dem kohärenten Strahl La2 produziert wurde, dazu zu bringen, zu überlagern und miteinander zu interferieren und ein zweites Fokussierungselement 28 zum Fokussieren der zwei gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die durch den halbdurchlässigen Spiegel auf der Lichtempfangsebene 13a der Lichtempfangsvorrichtung 13 dazu gebracht wurden, zu überlagern und miteinander zu interferieren.
Der gebeugte Strahl Lb1, der vom kohärenten Strahl La1 erzeugt wurde, als letzterer auf das Beugungsgitter 11 traf, und der gebeugte Strahl Lb2, der vom kohärenten Strahl La2 erzeugt wurde, als letzterer auf das Beugungsgitter 11 traf, tritt dann in den halbdurchlässigen Spiegel 27 ein. Der halbdurchlässige Spiegel 27 transmittiert den gebeugten Strahl Lb1 und reflektiert den gebeugten Strahl Lb2, um die beiden gebeugten Strahlen Lb1 und Lb2 dazu zu bringen, sich zu überlagern und miteinander zu interferieren.
Mit einem optischen Verschiebungsmeßsystem 30, das eine oben beschriebene Konfiguration hat, wird eine Phasendifferenz zwischen den beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 erzeugt, wenn das Beugungsgitter 11 mit einer Bewegung des beweglichen Teils des Maschinenwerkzeuges in Richtung des Gittervektors bewegt wird. Danach bringt das optische Verschiebungsmeßsystem 30 die beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 dazu, miteinander zu interferieren, um ein Interferenzsignal zu erfassen, und bestimmt die Phasendifferenz der beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 vom interferierten Signal, um schließlich die verschobene Position des Beugungsgitters 11 zu erfassen.
Es wird angenommen, daß eines der gegenüberliegenden Enden des Beugungsgitters 11, aus der Richtung des Gittervektors betrachtet, in einer der Richtungen des Normal-Vektors bewegt wird (die Richtung, die durch den Pfeil X3 in 15 markiert wird), und das andere Ende in die Normal-Richtung bewegt wird (die Richtung, die durch den Pfeil X4 in 15 markiert wird), so daß die Gitterebene gekippt wird. Dann werden die Beugungswinkel des gebeugten Strahles Lb1 und des gebeugten Strahles Lb2 beide verändert. Deshalb stimmen die Achsen der gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 nicht überein, wenn sie durch den halbdurchlässige Spiegel 27 dazu gebracht werden, zu überlagern.
Jedoch werden mit dem optischen Verschiebungsmeßsystem 30 der kohärente Strahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 auf der Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 durch das erste Fokussierungselement 21 fokussiert, und die beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die auf der Lichtempfangsebene 13a der Lichtempfangsvorrichtung 13 durch das zweite Fokussierungselement 28 fokussiert. Auf diese Weise werden die optischen Wege der beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die die Apertur des zweiten Fokussierungselementes 28 passieren, zueinander im wesentlichen gleich gemacht, bzw. wenn der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 in das Beugungsgitter 11 eintritt. Daher wird der fokussierte Lichtfleck auf der Lichtempfangsebene 13a nicht verstellt und die Längen der optischen Pfade der gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 werden nicht verändert, wenn die optischen Achsen der beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 verstellt werden.
Wenn das Beugungsgitter 11 in die Richtung gekippt wurde, die durch die Pfeile A1, A2 in 20 markiert sind, sind die Längen der optischen Pfade der zwei gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die die Apertur des zweiten Focusierungelementes fokussieren, einander gleich, so daß der Lichtfleck, wo sie auf der lichtempfangenden Ebene 13a fokussiert sind, nicht verändert wird.
Auf diese Weise hat in dem zweiten Ausführungsbeispiel das optische Verschiebungsmeßsystem 30 eine vereinfachte Konfiguration, aber die verschobene Position des bewegbaren Teiles des Maschinenwerkzeuges kann genau mit einem erhöhten Auflösungsgrad erfaßt werden.
Zusätzlich differiert bei dem optischen Verschiebungsmeßsystem 30 der Lichtfleck, an welchem der kohärente Strahl La1 auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 trifft von dem Lichtfleck, an welchem der kohärente Strahl La2 auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 trifft. Daher würden andere Strahlen als die gebeugten Strahlen, die zum Interferieren mit anderen Strahlen gebracht werden, solche wie ein gebeugter Strahl des 0-ten Grades, weder in das optische Bestrahlungssystem 31 noch in das optische Interferenzsystem 32 hineinstreuen. Auf diese Weise kann in dem Ausführungsbeispiel Rauschen minimiert und die verschobene Position des Maschinenwerkzeuges mit einem erhöhten Auflösungsgrad genau erfaßt werden.
Nun wird ein zweites Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, eines optischen Verschiebungsmeßsystems mit einem reflektierenden Typ eines Beugungsgitters 11 beschrieben.
16 ist eine schematische perspektivische Ansicht dieses zweiten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems.
Bezugnehmend auf 16 wird eine imaginäre gerade Linie n, die sich parallel in Richtung des Beugungsvektors 11a des Beugungsgitters 11 ausdehnt, gezeigt. Es wird auch eine imaginäre Ebene, die die Linie n enthält und sich in Richtung parallel zum normalen Vektor ausdehnt, gezeigt. Diese imaginäre Ebene ist die Referenzebene m1. Es wird auch eine andere imaginäre Ebene gezeigt, die die Linie n enthält und von der Referenzebene m1 mit einem Kippwinkel γ gekippt wird. Diese imaginäre Ebene wird als gekippte Ebene m2 bezeichnet. Es wird auch noch eine andere imaginäre Ebene gezeigt, die die Linie n enthält und mit einem Kippwinkel δ von der Referenzebene m1 gekippt ist. Diese imaginäre Ebene wird als gekippte Ebene m3 bezeichnet. Zu bemerken ist, daß die gekippte Ebene m2 und die gekippte Ebene m3 auf derselben Seite im Bezug auf die Beugungsebene 11a des Beugungsgitters 11 plaziert ist.
17 ist eine schematische Ansicht des Beispieles, die die Komponenten auf der gekippten Ebene m2 entlang der Richtung vertikal zur gekippten Ebene m2 zeigt. 18 ist eine schematische Illustration eines kohärenten Strahls, der auf das Beugungsgitter 11 trifft und eines gebeugten Strahles, der durch das Beugungsgitter 11 gebeugt wurde in Richtung entlang des Gittervektors. 19 ist eine schematische Ansicht eines Beispieles, was die Komponenten auf der gekippten Ebene m3 entlang der Richtung vertikal zu der gekippten Ebene m3 zeigt.
Dieses zweite Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, eines optischen Verschiebungsmeßsystems enthält einen reflektierenden Typ eines Beugungsgitters 11 und ist so ausgebildet, um die Position des beweglichen Teiles der zugehörigen Maschinenvorrichtung zu erfassen.
Wie in der 16 und 19 gezeigt wird, enthält das optische Verschiebungsmeßsystem 40 eine kohärente Lichtquelle 12 zum Aussenden eines kohärenten Strahles von Licht La und ein optisches Bestrahlungssystem 41, das so ausgebildet ist, um den kohärenten Strahl La in zwei kohärente Strahlen La1, La2 aufzuteilen und sie dazu zu bringen, auf das Beugungsgitter 11 aufzutreffen.
Das optische Bestrahlungssystem 41 enthält ein erstes Fokussierungselement 21 zum Fokussieren des kohärenten Strahles La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 gesendet wird, auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11, einen halbdurchlässigen Spiegel 22, um den kohärenten Strahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 ausgesendet wurde, in zwei kohärente Strahlen La1, La2 aufzuteilen, einen Reflektor 23, um einen der kohärenten Strahlen, hier den kohärenten Strahl La1, der von dem halbdurchlässigen Spiegel 22 erzeugt wurde, zu reflektieren und einen anderen Reflektor 22 zum Reflektieren des anderen kohärenten Strahles, hier des kohärenten Strahles La2, der von dem halbdurchlässigen Spiegel 22 erzeugt wurde.
Die Komponenten des optischen Bestrahlungssystems 41 sind so angeordnet, daß die optischen Wege der durchlaufenden kohärenten Strahlen La (La1, La2) auf der gekippten Ebene m2 geformt sind. Deshalb zeigen die kohärenten Strahlen La1, La2 einen Einfallswinkel γ wie gezeigt entlang der Richtung des Gittervektors in 18.
Der Reflektor 23 reflektiert den kohärenten Strahl La1, der durch den halbdurchlässigen Spiegel 22 gesendet wurde, und bringt ihn dazu, die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 auf einem vorgegebenen Lichtfleck zu treffen. Auf der anderen Seite reflektiert der Reflektor 24 den kohärenten Strahl La2, der durch den halbdurchlässige Spiegel 22 reflektiert wurde, und bringt ihn dazu, die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 an einem vorgegebenen Lichtfleck zu treffen.
Der Reflektor 23 und der Reflektor 24 bringt die jeweiligen kohärenten Strahlen La1 und La2 dazu, die Gitterebene 11a auf jeweiligen vorgegebenen Lichtflecken zu treffen, in einer Weise, daß sie einen Einfallswinkel α auf der gekippten Ebene m2 zeigen. Zu bemerken ist, daß der Reflektor 23 und der Reflektor 24 so angeordnet sind, daß sie mit ihren reflektierenden Ebenen gegenüberliegen. Deshalb sind der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 gegenüberliegend im Bezug auf die Richtung des Gittervektors. Zusätzlich bringen der Reflektor 23 und der Reflektor 24 den kohärenten Strahl La1 und den kohärenten Strahl La2 dazu, die Gitterebene 11a auf jeweiligen Lichtflecken, die sich in eine vorgegebene Distanz in Richtung des Gittervektors unterscheiden, zu treffen. Die Distanz zwischen dem Lichtfleck, auf welchem der kohärente Strahl La1 in die Gitterebene 11a eintritt und der Lichtfleck, auf welchem der kohärente Strahl La2 in die Gitterebene 11a eintritt ist 1 wie in 19 gezeigt.
Mit dem optischen Verschiebungsmeßsystem 40 ist der kohärente Strahl Lb1 gebeugt, wenn er in das Beugungsgitter 11 eintritt, und ein gebeugter Strahl Lb1 wird von dem Lichtfleck erzeugt, auf den der kohärente Strahl La1 trifft, und durch das Beugungsgitter 11 reflektiert. Auch wird der kohärente Strahl La2 gebeugt, wenn er in das Beugungsgitter 11 eintritt, und ein gebeugter Strahl Lb2 wird von dem Lichtfleck erzeugt, wo der kohärente Strahl La2 auftrifft, und von dem Beugungsgitter 11 reflektiert. Der gebeugte Strahl Lb1 und der gebeugte Strahl Lb2 zeigen eine Beugungswinkel 8 in Richtung entlang des Gittervektors wie in 18 gezeigt wird. Mit anderen Worten werden der gebeugte Strahl Lb1 und der gebeugte Strahl Lb2 entlang der gekippten Ebene m3 erzeugt. Der gebeugte Strahl Lb1 und der gebeugte Strahl Lb2 zeigen einen Beugungswinkel β auf der gekippten Ebene m3. Zu bemerken ist, daß der gebeugte Strahl Lb1 und der gebeugte Strahl Lb2 das Beugungsgitter 11 entlang des Gittervektors in gegensätzliche Richtungen verlassen.
Wie in den 16 und 19 gezeigt wird enthält das optische Verschiebungsmeßystem 40 eine Lichtempfangsvorrichtung 13, das so ausgebildet ist, um die zwei gebeugten Stahlen Lb1, Lb2 zu empfangen, die miteinander interferieren, und generiert ein Interferenzsignal und ein optisches Interferenzsystem 42, das so ausgebildet ist, daß den gebeugten Strahl Lb1 und den gebeugten Strahl Lb2 dazu bringt, miteinander zu interferieren bevor sie auf die Lichtempfangsvorrichtung 13 treffen.
Das lichtempfangende optischen System 42 enthält einen Reflektor zum Reflektieren des gebeugten Strahles Lb1, der vom kohärenten Strahl La1 erzeugt wurde, einen anderen Reflektor 26 zum Reflektieren des gebeugten Strahles Lb2, der vom kohärenten Strahl La2 erzeugt wurde, einen halbdurchlässigen Spiegel 27, um den gebeugten Strahl, der durch den Reflektor 25 reflektiert wurde, und den gebeugten Strahl Lb2, der durch den Reflektor 26 reflektiert wurde, dazu zu bringen sich zu überlagern und sich gegenseitig zu interferieren und ein zweites Fokussierungselement 28 zum Fokussieren der beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 die dazu gebracht wurden, zu überlagern und miteinander zu interferieren durch den halbdurchlässigen Spiegel 27, der sich auf der Lichtempfangsebene 13a der Lichtempfangsvorrichtung 13 befindet.
In Hinblick auf die Tatsache, daß die zwei gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 einen Beugungswinkel 6 zeigen in Sicht entlang der Richtung des Gittervektors, sind die Komponenten des optischen Lichtempfangssystems 4 in einer Weise angeordnet, daß die optischen Wege der gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf der gekippten Ebene m3 geformt sind. Zusätzlich sind der Reflektor 25 und der Reflektor 26 des optischen Lichtempfangssystems 42 so angeordnet bzw. in Positionen wo sie die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 reflektieren können, die mit einem Beugungswinkel 6 auf der gekippten Ebene m3 gebeugt wurden.
Die optische Verschiebungsmeßvorrichtung 40 enthält zusätzlich eine Stellungserfassungssektion (nicht gezeigt) um die verschobene Position des Beugungsgitters 11 auf der Basis des Interferenzsignals der Lichtempfangsvorrichtung 13 zu erfassen.
Mit einem optischen Verschiebungsmeßsystem 40, das eine wie oben beschriebene Konfiguration hat, wird eine Phasendifferenz zwischen den beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 erzeugt, wenn das Beugungsgitter 11 in Richtung des Beugungsvektors mit einer Bewegung des beweglichen Teils des Maschinenwerkzeuges bewegt wird. Dann bringt das optische Verschiebungsmeßsystem 10 die zwei gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 dazu, miteinander zu interferieren um ein Interferenzsignal zu erfassen und bestimmt die Phasendifferenz der zwei gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 vom Interferenzsignal um schließlich die verschobene Position des Beugungsgitters 11 zu erfassen.
Mit dem oben beschriebenen optischen Verschiebungsmeßsystem 40 können die optischen Wege von zusammengehörigen Strahlen und diese von gebeugten Strahlen voneinander getrennt werden, indem ein optisches Sendesystem 41 auf der gekippten Ebene m2 angebracht wird, das einen vorgegebenen Kippwinkel im Bezug zur Referenzebene m1 hat, und ein optisches Interferenzsystem auf der gekippten Ebene m3, um einen erweiterten Freiheitsgrad zum Gestalten der Systemkonfiguration zu erlauben. Zusätzlich können die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 dazu gebracht werden, miteinander zu interferieren, ohne dabei irgendwelchen gebeugten Strahlen des 0-ten Grades oder reflektierten Strahlen zu erlauben, in das optische Bestrahlungssystem 41 oder dem optischen Lichtempfangssystem 42 einzustreuen. Auf diese Weise kann in diesem Ausführungsbeispiel Rauschen minimiert werden und die verschobene Position des bewegbaren Teiles des Maschinenwerkzeuges kann genau mit einem erweiterten Auflösungsgrad erfaßt werden.
Die gesamten Erfordernisse um irgendwelche gebeugten Strahlen oder reflektierten Strahlen, die in das optische Bestrahlungssystem 41 oder das lichtempfangende optische System 42 des optischen Verschiebungsmeßsystems 40 zu eliminieren sind wie folgt.
Wenn der Kippwinkel α und der Beugungswinkel β im Bezug zueinander gleich sind, werden der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 dazu gebracht, das Beugungsgitter 11 auf jeweilige Punkte, die sich durch eine Distanz L, die keine gebeugten Strahlen des 0-ten Strahles erlaubt, zu treffen, um die Lichtempfangsvorrichtung 13 zu bestrahlen. Während der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 dazu gebracht werden, auf das Beugungsgitter 11 auf jeweilige verschiedene Punkte entlang der Richtung des Gittervektors zu treffen, können sie alternativ dazu gebracht werden, das Beugungsgitter 11 auf verschiedenen Punkten, die sich durch eine vorgegebene Distanz entlang der Richtung des Gitters wie in 20 gezeigt wird, zu treffen. Wenn eines der gegenüberliegenden Enden des Beugungsgitters 11 in Richtung des Gittervektors wie gezeigt in einer der Richtungen des normalen Vektors (die Richtung, die durch den Pfeil X3 in 20 markiert wird) bewegt wird und das andere Ende wird in die andere Richtung des normalen Vektors (die Richtung, die durch den Pfeil X4 in 20 markiert wird) bewegt wird um die Gitterebene 11a zu kippen werden die fokussierten Positionen der beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf der lichtempfangenden Ebene 13a des lichtempfangenden Elements 13 nicht verschoben.
Wenn der Winkel γ so ist, daß der Strahl, der durch das Beugungsgitter 11 gebeugt wurde, nicht in die Apertur des Fokussierungselementes 21 eintritt und irgendwelche gebeugten Strahlen des 0-ten Grades in die Apertur des zweiten Fokussierungselementes 28 mit einem Kippwinkel α, der sich vom Beugungswinkel β unterscheidet, eintreten, kann der gleiche Punkt (1 = 0) für den kohärenten Strahl La1 und den kohärenten Strahl La2 ausgewählt werden, um auf das Beugungsgitter 11 aufzutreffen, wie in den 21, 22 und 23 gezeigt wird. Wenn das der Fall ist, wird keine signifikante Differenz zwischen der Länge des Lichtweges des kohärenten Strahles La1 und der des kohärenten Strahles La1 und der des kohärenten Stahles La2 unter dem Einfluß einer Änderung in der Dicke und des Brechungsindexes des Beugungsgitters 11 erzeugt, im Vergleich zu dem Fall, wo sich die Punkte, auf welche der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 jeweils auf das Beugungsgitter 11 treffen, sich durch eine vorgegebene Distanz unterscheiden, um die verschobene Position des beweglichen Teiles hochgenau feststellen zu können.
Nachfolgend wird der Einfluß von möglichen Veränderungen in der Dicke des Beugungsgitters 11 diskutiert.
Vorausgesetzt, daß während der Anfangsphase die beiden gebeugten Strahlen, die dazu gebracht wurden, einander zu überlagern, jeweilige Intensitäten A1, A2 haben und die Verschiebung des Beugungsgitters 11 in Richtung der Gitterebene x ist, während die Startphase 6 vorliegt, dann wird die Intensität I des Interferenzsignals, das durch das lichtempfangene Element 13 erfaßt wurde, gemäß folgender Formel (1) ausgedrückt: I = A₁ ² + A₂ ² + 2A₁A₂cos(4Kx + δ) (1) wobei K = 2π/Λ (Λ ist der Gitterwert)
Die Intensität I wird für jede Zyklusperiode verändert, in der sich das Beugungsgitter 11 um Λ/4 bewegt. δ stellt einen Wert dar, der abhängig von den Differenzen der Längen der optischen Wege der doppelt gebeugten Strahlen Lc1, Lc2 ist. Deshalb steigt, wenn δ variiert, der Fehler bei einer Veränderung des Interferenzsignales, wenn das Beugungsgitter 11 nicht verschoben wird.
Angenommen, daß beispielsweise das Transmissions-Beugungsgitter ein Gitterwerk enthält, das in einem Stück Glas geformt ist wie in 24 gezeigt, und eine sich verändernde Stärke hat. Wenn der Brechungsindex des Glases n ist und die Distanz, mit welcher der Laserstrahl Lx zum Durchqueren von einer Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche zurückliegt, L ist, dann wird die Länge des optischen Weges des Laserstrahls Lx nL sein, wenn er das Beugungsgitter passiert. Wenn der Brechungsindex von Luft 1 ist, wird die Länge des Lichtweges des Laserstrahles Lx, wenn er das Beugungsgitter passiert, länger sein als der des Laserstrahls Lx, der einen Weg durch Luft zurücklegt mit (n – 1)L. Wenn sich die Dicke des Glasstückes des Beugungsgitters verändert um die Distanz, mit welcher der Laserstrahl Lx von einer Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche passiert, zu L + ΔL zu ändern, dann ändert sich die Länge des Lichtweges des Lichtstrahles nach (n –1)ΔL.
Dies in Gedanken behaltend, stelle man sich ein Paar von Laserstrahlen Lx1 und Lx2 vor, bei welcher der Laserstrahl Lx1 ein Beugungsgitter passiert, welches frei von Fluktuationen in der Dicke ist, und bei welcher der Laserstrahl Lx2 das Beugungsgitter an einer Stelle passiert, wo die Dicke fluktuiert. Wenn der Laserstrahl Lx2 einen längeren Weg durch das Beugungsgitter zurücklegt als der Laserstrahl Lx1 mit einer Distanz + ΔL, dann ist die Differenz zwischen den Längen der optischen Wege von den beiden Laserstrahlen Lx1, Lx2(n – 1)ΔL. Deshalb wird der Wert δ der obigen Formel (1) variiert durch {(n – 1)ΔL}2π/λ (wobei λ die Wellenlänge der Strahlen A und B repräsentiert) was einen Fehler in dem Interferenzsignal verursacht. Der Betrag des Fehlers in Zahlen der ermittelten Position wird dargestellt durch (A/2λ)(n – 1)ΔL. Wenn Λ = 0,55 μm und λ = 0,78 μm während n = 1,5 und ΔL = 1 μm ist wird die Variation in dem Wert von λ etwa 0,18 μm betragen, welches sehr hoch ist wenn die Position des bewegbaren Teiles in der Genauigkeit von Nanometern ermittelt wird.
Wenn das Beugungsgitter 11 Schwankungen in der Dicke aufweist, dann können Fehler auftreten, wenn die Lichtflecke, auf welche der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 jeweils in das Beugungsgitter 11 eintreten, sich durch eine vorgegebene Distanz unterscheiden.
Fehler, die Schwankungen in der Dicke und dem Brechungsindex von dem Beugungsgitter 11 zuzuschreiben sind, können minimiert werden, um das optische Verschiebungsmeßssystem geeignet zu machen, die Position des bewegbaren Teiles hochgenau zu erfassen, indem das optische Bestrahlungssystem 41 auf einer geneigten Ebene m2 angeordnet wird und mit einem vorgegebenen Kippwinkel im Bezug zur Referenzebene 2m1 gekippt wird, während das lichtempfangende optische System 42 auf einer geneigten Ebene m3 angebracht wird, und der kohärente Strahl L1 und der kohärente Strahl La2 beide dazu gebracht werden, in das Beugungsgitter 11 an dem gleichen und identischen Lichtfleck einzutreten. Mit anderen Worten, es können Fehler auftreten, die Schwankungen in der Dicke und/oder dem Brechungsindex des Beugungsgitters 11 zuzuschreiben sind, wenn der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 in jeweiligen Lichtflecken (Punkten) in das Beugungsgitter 11 eintreten, die sich voneinander unterscheiden, und deshalb kann die Position des bewegbaren Teiles hochgenau erfaßt werden, wenn der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 dazu gebracht werden, in dem gleichen Lichtfleck (Punkt) in das Beugungsgitter 11 einzutreten. Während es schwierig sein könnte, die beiden gebeugten Strahlen La1, La2 dazu zu bringen, exakt dem gleichen und identischen Lichtpfad zu folgen, wenn das Beugungsgitter 11 in Glas eingebettet ist, kann die Differenz zwischen den Längen der beiden Lichtpfade minimiert werden, indem sie dazu gebracht werden, in das Beugungsgitter 11 in einem gleichen und identischen Punkt einzutreten.
Die Beziehung zwischen den Kippwinkeln α, γ der kohärenten Strahlen und den Beugungswinkeln β, δ der gebeugten Strahlen wird nachfolgend durch die Formeln (2) und (3) dargestellt. Sinα/Sinβ = mλ/d(2) wobei

d:: Wert des Beugungsgitters
λ:: die Wellenlänge von Licht
m:: Grad der Beugung

Sinγ/Sinδ = Cosβ/Cosα (3)

Wenn der Winkel γ so ist, daß der durch das Beugungsgitter 11 reflektierte Strahl nicht in die Apertur des Fokussierungselementes 21 eintritt und irgendwelche gebeugten Strahlen des 0-ten Strahles in die Apertur des zweiten Fokussierungselementes 28 mit einem Kippwinkel α, der sich vom Beugungswinkel β unterscheidet, könnte der gleiche Punkt (l = 0) für sowohl den kohärenten Strahl La1 als auch den kohärenten Strahl La2 ausgewählt werden, um auf das Beugungsgitter 11, wie in 29 und 30 gezeigt ist, treffen. Wenn das der Fall ist, dann wird keine signifikante Änderung zwischen der Länge des Lichtpfades des kohärenten Strahles La1 und der des kohärenten Strahles La2 unter Einfluß einer Änderung in der Dicke und des Brechungsindex vom Beugungsgitter 11 erzeugt, im Vergleich zu dem Fall, wo sich die Punkte, auf welchen der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 sich mit einer vorgegebenen Distanz unterscheiden, so daß die verschobene Position des bewegbaren Teiles hochgenau erfaßt werden kann wie in dem Fall, der weiter oben im dritten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
Nun wird ein drittes Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, eines optischen Verschiebungsmeßsystems beschrieben, das einen Transmissionstyp eines Beugungsgitters 11 enthält.
26 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht des dritten Beispiels des optischen Verschiebungsmeßsystems.
Gemäß 26 sind die gerade Linie n, die Bezugsebene m1 und die geneigte Ebene m2 die gleichen wie die des oben beschriebenen zweiten Beispiels. Dort ist außerdem eine gedachte Ebene dargestellt, die die Linie n enthält und von der Bezugsebene m1 um einen Neigungswinkel δ gekippt ist. Diese gedachte Ebene wird als Neigungsebene m3' bezeichnet. Zu bemerken ist, daß die geneigte Ebene m2 und die geneigte Ebene m3' jeweils auf den gegenüberliegenden Seiten relativ zu der Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 angeordnet sind.
27 zeigt eine schematische Ansicht des Beispiels, das die Bauteile auf der geneigten Ebene m2 wie gezeigt entlang der Richtung senkrecht zu der geneigten Ebene m2 und der geneigten Ebene m3' angeordnet zeigt. 28 zeigt eine schematische Abbildung eines kohärenten Strahls, der auf das Beugungsgitter 11 auftrifft, und einen gebeugten Strahl, der durch das Beugungsgitter 11 wie gezeigt entlang der Richtung des Gittervektors gebeugt ist.
Dieses dritte Beispiel des optischen Verschiebungsmeßsystems weist ein Transmissions-Beugungsgitter 11 auf und ist so angeordnet, daß es die Stellung von den bewegbaren Teilen einer Werkzeugmaschine, an welcher es angebracht ist, erfaßt.
Wie in den 26 und 27 gezeigt, weist das optische Verschiebungsmeßsystem 50 eine kohärente Lichtquelle 12 zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahles La und ein optisches Bestrahlungssystem 41 auf, das so angeordnet ist, daß es den kohärenten Strahl La in zwei kohärente Strahlen La1 und La2 aufteilt und bewirkt, daß diese das Beugungsgitter 11 treffen.
Die Bauteile des optischen Bestrahlungssystems 41 sind so angeordnet, daß die optischen Wege der kohärenten Strahlen La (La1, La2), die durch diese hindurchgehen, auf der geneigten Ebene m2 ausgebildet sind. Daher haben die kohärenten Strahlen La1, La2 einen Neigungswinkel entlang der Richtung des Gittervektors, wie in 28 gezeigt.
Der Reflektor 23 reflektiert den kohärenten Strahl La1, der durch den Halbspiegel 22 tritt, und trifft die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 an einem vorbestimmten Lichtfleck. Der Reflektor 24 reflektiert andererseits den kohärenten Strahl La2, der von dem Halbspiegel 22 reflektiert wird, und bewirkt, daß er die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 in einem vorbestimmten Lichtfleck trifft. Der Reflektor 23 und der Reflektor 24 veranlassen die verschiedenen kohärenten Strahlen La1 und La2 vorbestimmte verschiedene Lichtflecke auf der Gitterebene 11a in solch einer Weise zu treffen, daß diese einen Einfallswinkel α auf der geneigten Ebene m2 aufweisen. Der kohärente Strahl La1 und der kohärente Strahl La2 sind in Bezug der Gittervektorrichtung gegeneinander gerichtet. Die Entfernung zwischen dem Lichtfleck, an welchem der kohärente Strahl La1 in die Gitterebene 11a eintritt, und dem Lichtfleck, an welchem der kohärente Strahl La2 in die Gitterebene 11a eintritt, ist 1.
Mit dem optischen Verschiebungsmeßsystem 50 wird der kohärente Strahl La1, wenn er in das Beugungsgitter 11 eintritt, gebeugt und ein gebeugter Strahl Lb1 wird von dem Lichtfleck, wo der kohärente Strahl La1 eintritt, produziert und tritt durch das Beugungsgitter 11. Außerdem wird der kohärente Strahl La2, wenn er in das Beugungsgitter 11 eintritt, gebeugt und ein gebeugter Strahl Lb2 wird von dem Lichtfleck, wo der kohärente Strahl La2 eintritt, produziert und wird durch das Beugungsgitter 11 durchgelassen. Sowohl der gebeugte Strahl Lb1 als auch der gebeugte Strahl Lb2 weist einen Beugungswinkel 6 auf, wie es entlang der Richtung des Gittervektors wie in 28 gezeigt gesehen wird. Mit anderen Worten sind sowohl der gebeugte Strahl Lb1 als auch der gebeugte Strahl Lb2 entlang der gebeugten Ebene m3' erzeugt. Sowohl der gebeugte Strahl Lb1 als auch der gebeugte Strahl Lb2 weist einen Beugungswinkel β auf der Ebene m3' auf. Zu bemerken ist, daß der gebeugte Strahl Lb1 und der gebeugte Strahl Lb2 das Beugungsgitter 11 in entgegengesetzten Richtungen verlassen, wie es entlang der Gittervektorrichtung gesehen wird.
Wie in den 26 und 27 gezeigt, weist das optische Verschiebungsmeßsystem 50 ein Lichtempfangselement 13, das so ausgebildet ist, daß die beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die miteinander interferieren und ein Interferenzsignal erzeugen, empfangen werden, und ein optisches Lichtempfangssystem 42 auf, das so ausgebildet ist, daß der gebeugte Strahl Lb1 und der gebeugte Strahl Lb2 miteinander interferieren, bevor sie auf das Lichtempfangselement 13 auftreffen.
In Betracht der Tatsache, daß die zwei gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 einen Beugungswinkel 6 aufweisen, wie er entlang der Gittervektorrichtung betrachtet wird, sind die Bauteile des optischen Lichtempfangssystems 4 in solch einer Weise angeordnet, daß die optischen Wege der gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf der geneigten Ebene m3' ausgebildet werden. Außerdem sind der Reflektor 25 und der Reflektor 26 des optischen Lichtempfangssystems 42 jeweils in Stellungen angeordnet, in denen sie die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 reflektieren können, die um einen Beugungswinkel δ zu der geneigten Ebene m3' gebeugt werden.
Das optische Verschiebungsmeßsystem weist außerdem eine Stellungserfassungseinheit (nicht dargestellt) zum Erfassen der verschobenen Stellung des Beugungsgitters 11 aufgrund des Interferenzsignals von dem Lichtempfangselement 13 auf.
Mit einem optischen Verschiebungsmeßsystem 50, das eine wie oben beschriebene Anordnung aufweist, wird eine Phasendifferenz zwischen den beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 erzeugt, wenn das Beugungsgitter 11 in Richtungen des Gittervektors mit einer Bewegung von bewegbaren Teilen der Werkzeugmaschine bewegt wird. Dann interferiert das optische Verschiebungsmeßsystem 10 die zwei gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 miteinander zum Erfassen eines Interferenzsignals und bestimmt die Phasendifferenz der beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 von dem Interferenzsignal zum endgültigen Erfassen der Verschiebungsstellung des Beugungsgitters 11.
Mit dem oben beschriebenen optischen Verschiebungsmeßsystem 50 können die optischen Wege der einfallenden Strahlen und der gebeugten Strahlen voneinander getrennt werden durch Einrichten eines optischen Bestrahlungssystems 41 auf der geneigten Ebene m2, die einen vorbestimmten Neigungswinkel relativ zu der Bezugsebene m1 aufweist, und eines optisches Lichtempfangssystem 42 auf der geneigten Ebene m3' zum Ermöglichen eines verbesserten Freiheitsgrades zum Planen der Anordnung des Systems. Zusätzlich können die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 miteinander interferiert werden, ohne daß es irgendwelchen gebeugten Strahlen der 0-ten Beugungsordnung oder reflektierten Strahlen ermöglicht ist, in das optische Bestrahlungssystem 41 oder das optische Lichtempfangssystem 42 zu streuen. Daher kann dieses Ausführungsbeispiel Rauschen minimieren und die verschobene Stellung von bewegbaren Teilen der Werkzeugmaschine kann mit einem erhöhtem Auflösungsgrad genau erfaßt werden.
Die Anforderungen, die zu treffen sind, um irgendwelche gebeugten Strahlen oder reflektierte Strahlen zu beseitigen, die versuchen in das optische Bestrahlungssystem 41 oder das optische Lichtempfangssystem 42 des optischen Verschiebungsmeßsystems 40 zu streuen, sind die gleichen wie die oben beschriebenen bezüglichen des zweiten Beispiels insbesondere in Bedingungen der Beziehung zwischen den Einfallswinkeln α und γ und den Beugungswinkeln β und δ.
Nun wird nachfolgend ein drittes Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, eines optischen Verschiebungsmeßsystems unten unter Bezugnahme auf 31 beschrieben. Zu bemerken ist, daß die Bauteile des vierten Beispiels eines optischen Verschiebungsmeßsystems durch teilweises Abändern einiger der Bauteile des dritten und vierten Ausführungsbeispiels erhalten werden und daher die Bauteile, die gleich oder ähnlich zu den Gegenstücken der oben beschriebenen dritten und vierten Ausführungsbeispiele sind, mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen und nicht weiter beschrieben sind.
Das vierte Beispiel eines optischen Verschiebungsmeßsystems 60 benützt einen polarisierenden Strahlteiler für den Halbspiegel 22 des optischen Bestrahlungssystems 41. Daher wird der Halbspiegel 22 demgemäß als polarisierender Strahlteiler 22 in der folgenden Beschreibung des vierten Beispiels bezeichnet.
In dem optischen Verschiebungsmeßsystem 60 sind der Halbspiegel 27 und das zweite fokussierende Element 28 des optischen Lichtempfangssystem 42 durch einen ersten polarisierenden Strahlteiler 61, eine 1/4-Wellenplatte 62, ein drittes fokussierendes Element 63, einen nichtpolarisierenden Strahlteiler 64, einen zweiten polarisierenden Strahlteiler 65 und einen dritten polarisierenden Strahlteiler 66 ersetzt.
In dem optischen Verschiebungsmeßsystem 60 wird das Lichtempfangselement 13 durch ein erstes Paar von Lichtempfangselementen 67a, 67b und ein zweites Paar von Lichtempfangselementen 68a, 68b ersetzt.
Der kohärente Strahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 ausgesendet wird, tritt in den polarisierenden Strahlteiler 22 des optischen Bestrahlungssystems 41 mit einem Neigungswinkel von 45° ein. Der polarisierende Strahlteiler 22 des optischen Bestrahlungssystem 41 teilt den einfallenden kohärenten Strahl La in zwei kohärente Strahlen La1 und La2, die in verschiedenen Drehrichtungen, die senkrecht zueinander sind, polarisiert sind.
Der kohärente Strahl La1, der durch den polarisierenden Strahlteiler 22 des optischen Bestrahlungssystem 41 tritt, wird ein P-polarisierter Strahl, während der kohärente Strahl La2, der mittels des polarisierenden Strahlteilers 22 reflektiert wird, ein S-polarisierter Strahl wird.
Der gebeugte Strahl Lb1, der durch das Beugungsgitter 11 gebeugt wird, und der gebeugte Strahl Lb2, der auch durch das Beugungsgitter 11 gebeugt wird, treten in den ersten polarisierenden Strahlteiler 61 des optischen Lichtempfangssystems 42 ein. Daher wird der gebeugte Strahl Lb1 ein P-polarisierter Strahl, wohingegen der gebeugte Strahl Lb2 ein S-polarisierter Strahl wird. Dann überlagert der erste polarisierende Strahlteiler 61, die zwei gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 durch Durchlassen des gebeugten Strahls Lb1 und Reflektieren des gebeugten Strahls Lb2.
Die zwei gebeugten Strahlen Lb1 und Lb2, die miteinander überlagert sind, werden dann durch die 1/4-Wellenplatte 62 geleitet. Die 1/4-Wellenplatte 62 ist mit ihrer optischen Achse um 45° relativ zu der Polarisationsrichtung von jedem der gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 geneigt angeordnet. Daher werden die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 zu zirkularpolarisierten Strahlen, die in entgegengesetzten Drehrichtung polarisiert sind, wenn sie die 1/4-Wellenplatte 62 durchlaufen.
Die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die in entgegengesetzten Polarisationsrichtungen zirkular polarisiert sind, treten dann durch das dritte fokussierende Element 63.
Das dritte fokussierende Element 63 weist ein optisches Element wie eine Linse auf, die einen vorbestimmten variablen Bereich einer numerischen Apertur hat. Das dritte fokussierende Element 63 fokussiert die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf den Lichtempfangsebenen des ersten Paars der Lichtempfangselemente 67a, 67b und des zweiten Paars der Lichtempfangselemente 68a, 68b. Der Brennpunkt muß nicht notwendigerweise der Punkt sein, wo der Strahldurchmesser minimiert ist. Ein Punkt auf den Lichtempfangsebenen, der die Differenz der Längen der optischen Wege der Strahlen minimiert, kann alternativ für den Brennpunkt gewählt werden.
Nach Durchdringen des dritten fokussierenden Elements 63 wird jeder der gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 durch den nichtpolarisierenden Strahlteiler 64 in zwei Strahlen geteilt.
Einer der erhaltenen beiden Strahlen wird ferner in zwei Strahlen, die in unterschiedliche Richtungen, die relativ zueinander senkrecht sind, durch den zweiten polarisierenden Strahlteiler 25 polarisiert sind, aufgeteilt. Damit wird erreicht, daß sie in das erste Paar der Lichtempfangselemente 67a, 67b eintreten. Der andere der erhaltenen beiden Strahlen wird auch in zwei Strahlen aufgeteilt, die in unterschiedliche Richtungen, die senkrecht zueinander sind, durch einen dritten polarisierenden Strahlteiler 66, der um 45° relativ zu dem zweiten polarisierenden Strahlteiler 65 gedreht ist, polarisiert sind. Dann wird erreicht, daß sie in das zweite Paar der Lichtempfangselemente 68a, 68b eintreten.
Der Lichtstrahl, der durch die überlagerten, zirkularpolarisierten Strahlen erhalten wird, die sich in gegeneinander gerichteten Richtungen drehen, kann als linear polarisierter Strahl der sich mit einer Funktion der Phasendifferenz der beiden Strahlen dreht, betrachtet werden. Daher wird der gebeugte Strahl ein linear polarisierter Strahl, der sich abhängig von der Bewegung des Beugungsgitters 11 dreht. Des weiteren werden, wenn die Teilstrahlen des linear polarisierten Strahls, die durch den Drehwinkel ω unterschieden werden, durch ein polarisierendes Element wie eine polarisierende Platte ausgekoppelt werden, die Signale, die die Intensitäten der ausgekoppelten Teilstrahlen erfassen, eine Phasendifferenz von 2ω aufzeigen. Daher weist das erfaßte Signal, da das erste Paar der Lichtempfangselemente 67a, 67b die Strahlen erfaßt, die in verschiedenen Richtungen, welche voneinander um 90° verschieden sind, polarisiert sind, und durch den zweiten polarisierenden Strahlteiler 65 ausgekoppelt werden, eine Phasendifferenz von 180° auf. Daher können Signale, die von verschiedenen DC-Bauteilen durch Bestimmen der Differenz der Signale, die mittels des ersten Paars der Lichtempfangselemente 67a, 67b erfaßt werden, erfaßt werden. Es ist augenscheinlich, daß die obige Beschreibung auch zu dem zweiten Paar der Lichtempfangselemente 68a, 68b anwendbar ist.
Außerdem weisen die Strahlen, die durch den dritten polarisierenden Strahlteiler 66 ausgekoppelt werden, eine Winkeldifferenz von 45° relativ zu dem Strahl, der von dem zweiten polarisierenden Strahlteiler 65 ausgekoppelt wird, auf. Daher weist das Signal, das von dem zweiten Paar der Lichtempfangselemente 68a, 68b erhalten wird, eine Phasendifferenz von 90° relativ zu dem Signal, welches von dem ersten Paar von Lichtempfangelementen 67a, 67b erhalten wird, auf. Mit anderen Worten weisen das Differenzsignal der Signale, die durch das erste Paar der Lichtempfangselemente 67a, 67b erfaßt werden, und das Differenzsignal der Signale, die durch das zweite Paar der Lichtempfangselemente 68a, 68b empfangen werden, eine Phasendifferenz von 90° relativ zueinander auf. Daher kann die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 11 auf Grundlage des Stellungssignals, das eine Phasendifferenz von 90° aufweist und die Verschiebungsstellung des Beugungsgitters 11 anzeigt, bestimmt werden.
Wie oben beschrieben, kann das optische Verschiebungsmeßsystem 60 des vierten Beispiels den Einfluß von der spezifischen Durchlässigkeit, der Reflektivität und dem Beugungsgrad des Beugungsgitters 11 von dem erfaßten Interferenzsignal beseitigen. Außerdem kann das optische Verschiebungsmeßsystem 60 die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 11 bestimmen.
Nun wird ein fünftes Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, eines optischen Verschiebungsmeßsystems durch Bezugnahme auf die 32 beschrieben. Zu bemerken ist, daß die Bauteile des fünften Beispielseines optischen Verschiebungsmeßsystems durch teilweises Modifizieren einiger der Bauteile des vierten Beispiels erhalten werden, und daher sind die Bauteile, die gleich oder ähnlich zu den Gegenstücken des oben beschriebenen vierten Beispiels sind, mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen und werden nicht weiter beschrieben.
Das fünfte Beispiel eines optischen Verschiebungsmeßsystems 70 verwendet einen polarisierenden Strahlteiler für den Halbspiegel 22 des optischen Bestrahlungssystems 41.
Daher wird auf den Halbspiegel 22 als polarisierender Strahlteiler 22 in der folgenden Beschreibung des fünften Beispiels Bezug genommen.
Wie in 32 gezeigt, weist das optische Verschiebungs-Meßsystem 70 eine ¼-Wellenplatte 71 zum Drehen der Polarisationsrichtung von einer der gebeugten Strahlen, der in den ersten polarisierenden Strahlteiler 61 unter 90° eintritt, auf.
Der kohärente Strahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert wird ist S-polarisiert bevor er in den nichtpolarisierenden Strahlteiler 22 des optischen Bestrahlungssystems 41 eintritt. Der nichtpolarisierende Strahlteiler 22 des optischen Bestrahlungssystems 41 spaltet den einlaufenden kohärenten Strahl La in zwei kohärente Strahlen La1, La2, die in der gleichen Richtung polarisiert sind, auf.
Der gebeugte Strahl Lb1 und der gebeugte Strahl Lb2, die durch das Beugungsgitter 11 gebeugt werden, sind zum Zeitpunkt der Beugung in der gleichen Richtung polarisiert. Einer der gebeugten Strahlen, hier der gebeugte Strahl Lb1, tritt durch die ¼-Wellenplatte, die die Polarisationsrichtung vor dem Einlaufen in den ersten polarisierenden Strahlteiler 61 um 90° dreht. Der andere gebeugte Strahl, hier der gebeugte Strahl Lb2, tritt in den ersten polarisierenden Strahlteiler 61 des optischen Lichtempfangssystems 42 mit der ursprünglichen Polarisationsrichtung ein.
Daher treten die beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die sich um 90° relativ zueinander im Bezug auf die Polarisationsrichtung unterscheiden, in den ersten polarisierenden Strahlenteil 61 des optischen Lichtempfangssystems 62 ein. Zu bemerken ist, daß der gebeugte Strahl Lb1 P-polarisiert ist während der gebeugte Strahl Lb2 S-polarisiert ist. Der polarisierende Strahlenteiler 61 veranlaßt die beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 sich zu überlagern durch Transmission (Durchlassen) des gebeugten Strahls Lb1 und Reflektieren des gebeugten Strahls Lb2. Wenn ein P-polarisierter kohärenter Strahl La ausgebildet ist zum Eintreten in den nichtpolarisierenden Strahlteiler 22 kann die ¼-Wellenplatte 71 auf der Seite des gebeugten Strahls Lb2 angeordnet sein.
Die beiden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die sich gegenseitig überlagern, werden dann veranlaßt, durch die ¼-Wellenplatte 62 zu treten. Die ¼-Wellenplatte 62 ist mit ihrer optischen Achse 45° relativ zu der Polarisationsrichtung jeder der gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 geneigt angeordnet. Daher werden die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 zirkularpolarisierte Strahlen, die in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind wenn sie durch die ¼-Wellenplatte 62 treten.
Die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die in entgegengesetzten Richtungen zirkularpolarisiert sind, werden dann veranlaßt durch das dritte fokussierende Element 63 zu treten. Das dritte fokussierende Element 63 fokussiert die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf den lichtempfangenden Ebenen des ersten Paars der lichtempfangenden Elemente 67a, 67b und des zweiten Paars der lichtempfangenden Elemente 68a, 68b mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser.
Nach Durchdringen des dritten fokussierenden Elements 63 wird jeder der gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 durch den nichtpolarisierenden Strahlteiler 64 in zwei Strahlen aufgeteilt.
Einer der erhaltenen beiden Strahlen wird ferner in zwei Strahlen aufgeteilt, die in unterschiedlichen Richtungen, die senkrecht zueinander sind, durch den zweiten polarisierenden Strahlteiler 65 polarisiert sind. Dann werden diese veranlaßt, in das erste Paar der lichtempfangenden Elemente 67a, 67b einzutreten. Der andere der beiden erhaltenen Strahlen wird auch in zwei Strahlen, die in unterschiedlichen Richtungen, die senkrecht zueinander sind, polarisiert sind, durch den dritten polarisierenden Strahlteiler 66 aufgeteilt, der um 45° relativ zu dem zweiten polarisierendent Strahlteiler 65 gekippt ist. Dann werden sie veranlaßt, in das zweite Paar der lichtempfangenden Elemente 68a, 68b einzutreten.
Wie oben beschrieben, kann das optische Verschiebungs-Meßsystem 70 des fünften Beispiels den Einfluß der spezifischen Durchlässigkeit, der Reflektivität und des Beugungsgrades des Beugungsgitters 11 von dem erfaßten Interferenzsignal beseitigen. Zusätzlich kann das optische Verschiebungs-Meßsystem 60 die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 11 bestimmen.
Nun wird ein sechstes Beispiel eines optischen Verschiebungs-Meßsystems unter Bezugnahme auf die 33 beschrieben. Zu bemerken ist, daß die Bauteile des sechsten Beispiels eines optischen Verschiebungs-Meßsystems durch teilweises Modifizieren einiger der Bauteile des vierten Beispiels erhalten werden, und daher werden die Bauteile, die gleich oder ähnlich zu den Gegenstücken des oben beschriebenen vierten Beispiels sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen und werden nicht weiter beschrieben.
Das sechste Beispiel eines optischen Verschiebungs-Meßsystems 80 verwendet einen polarisierenden Strahlteiler für den Halbspiegel 22 des optischen Bestrahlungssystems 41.
Daher wird auf den Halbspiegel 22 als polarisierender Strahlteiler 22 in der folgenden Beschreibung des sechsten Beispiels Bezug genommen.
Wie in 33 gezeigt, werden in dem optischen Verschiebungs-Meßsystem 80 die ¼-Wellenplatte 71 des lichtempfangenden optischen Systems 42, der polarisierende Strahlteiler 61, die ¼-Wellenplatte 62 und das dritte fokussierende Element 63 jeweils durch eine erste ¼-Wellenplatte 81, eine zweite ¼-Wellenplatte 82, ein viertes fokussierendes Element 83 und ein fünftes fokussierendes Element 84 ersetzt.
Der kohärente Strahl La, der von der kohärenten Lichtquelle 12 emittiert wird, tritt in den nichtpolarisierenden Strahlteiler 22 des optischen Bestrahlungssystems 41 ein. Der nichtpolarisierende Strahlteiler 22 des optischen Bestrahlungssystems 41 teilt den eintreffenden kohärenten Strahl La in zwei kohärente Strahlen La1, La2, die in derselben Richtung polarisiert sind.
Der gebeugte Strahl Lb1 und der gebeugte Strahl Lb2, die durch das Beugungsgitter 11 gebeugt werden, sind zum Zeitpunkt der Beugung in der gleichen Richtung polarisiert. Einer der gebeugten Strahlen, hier der gebeugte Strahl Lb1, tritt durch die erste ¼-Wellenplatte 81, welche die ursprüngliche Polarisationsrichtung beibehält. Zu bemerken ist, daß die erste ¼-Wellenplatte 81 ihre optische Achse um 45° relativ zu der Polarisationsrichtung des eintreffenden gebeugten Strahls Lb1 geneigt hat. Daher wird der gebeugte Strahl Lb1 ein zirkularpolarisierter Strahl, der in einer vorbestimmten Rotationsrichtung gedreht ist.
Der gebeugte Strahl Lb1, der zirkularpolarisiert ist, tritt durch das vierte fokussierende Element 83. Das vierte fokussierende Element 83 weist typischerweise ein optisches Element auf, wie eine Linse, die einen variablen Bereich einer numerischen Apertur hat. Das vierte fokussierende Element 83 fokussiert den gestreuten Strahl Lb1 auf die lichtempfangende Ebene des ersten Paars der lichtempfangenden Elemente 67a, 67b und das zweite Paar der lichtempfangenden Elemente 68a, 68b. Der Brennpunkt muß nicht notwendigerweise der Punkt sein, wo der Strahldurchmesser minimal ist. Ein Punkt auf der lichtempfangenden Ebene, der die Differenz der Längen des optischen Weges der Strahlen minimiert, kann alternativ für den Brennpunkt gewählt werden.
Der andere gebeugte Strahl, hier der gebeugte Strahl Lb2, tritt durch die erste ¼-Wellenplatte 82 des lichtempfangenden optischen Systems 42, wobei die ursprüngliche Polarisationsrichtung aufrechterhalten wird. Zu bemerken ist, daß die erste ¼-Wellenplatte 82 ihre optische Achse um 45° relativ zu der Polarisationsrichtung des eintreffenden gebeugten Strahls Lb2 geneigt hat. Daher wird der gebeugte Strahl Lb2 ein zirkular polarisierter Strahl, der in einer vorbestimmten Drehrichtung gedreht ist.
Der gebeugte Strahl Lb2, der zirkularpolarisiert ist, tritt durch das fünfte fokussierende Element 84. Das fünfte fokussierende Element 84 weist typischerweise ein optisches Element, wie eine Linse, die einen variablen Bereich einer numerischen Apertur hat, auf. Das fünfte fokussierende Element 84 fokussiert den gebeugten Strahl Lb2 auf die lichtempfangenden Ebenen des ersten Paars der lichtempfangenden Elemente 67a, 67b und des zweiten Paars der lichtempfangenden Elemente 68a, 68b. Der Brennpunkt muß nicht notwendigerweise der Punkt sein, wo der Strahldurchmesser minimal ist. Ein Punkt auf der lichtempfangenden Ebene, der die Differenz der Längen der optischen Wege der Strahlen minimiert, kann alternativ für den Brennpunkt gewählt werden.
Die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, die in entgegengesetzten Richtungen zirkularpolarisiert sind, treten dann durch das vierte fokussierende Element 83 und das fünfte fokussierende Element 84 bevor sie in den nichtpolarisierenden Strahlteiler 64 eintreten.
Der nichtpolarisierende Strahlteiler 64 bewirkt, daß die zwei einlaufenden gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 sich gegenseitig überlagern und teilt jeden von diesen in zwei Strahlen auf.
Einer der erhaltenen beiden Strahlen wird ferner in zwei Strahlen aufgeteilt, die in unterschiedlichen Richtungen, die senkrecht relativ zueinander sind, durch den zweiten polarisierenden Strahlteiler 65 polarisiert sind. Dann werden diese veranlaßt, in das erste Paar der lichtempfangenden Elemente 67a, 67b einzutreten. Der andere der erhaltenen beiden Strahlen wird auch in zwei Strahlen aufgespalten, die in unterschiedlichen Richtungen, die relativ zueinander senkrecht sind, durch den dritten polarisierenden Strahlteiler 66 polarisiert werden, der um 45° relativ zu dem zweiten polarisierenden Strahlteiler 65 gekippt ist. Dann werden diese zum Eintreten in das zweite Paar der lichtempfangenden Elemente 68a, 68b veranlaßt.
Wie oben beschrieben, kann das siebte Ausführungsbeispiel des optischen Verschiebungs-Meßsystems 80 den Einfluß der spezifischen Durchlässigkeit, der Reflektivität und der Beugungswirkung des Beugungsgitters 11 von dem erfaßten Interferenzsignal beseitigen. Zusätzliche kann das optische Verschiebungsmeßsystem 60 die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 11 bestimmen.
Erstes bis sechstes Beispiel eines optischen Verschiebungsmeßsystems sind oben beschrieben. Während ein Beugungsgitter 11, das Gitterstäbe aufweist, die in gleichen Abständen und parallel zueinander angeordnet sind, in jedem der Beispiele eines optischen Verschiebungsmeßsystems verwendet werden, kann ein anders gestaltetes Beugungsgitter alternativ verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Beugungsgitter, das radial angeordnete ”Gitterstäbe”, wie in 34 gezeigt, aufweist, verwendet werden. Die verschobene Stellung eines bewegbaren Teils der Werkzeugmaschine kann auch durch Verwendung eines Beugungsgitters erfaßt werden, das radial angeordnete Gitterstäbe aufweist. Eine weitere Alternative ist es, daß ein Amplituden-Beugungsgitter mit variierender Helligkeit, ein Phasen-Beugungsgitter mit variierendem Brechungsindex oder einem variierendem Profil für den Zweck der Erfindung verwendet werden kann. Kurz gesagt ist die Art des Beugungsgitters für den Zweck der Erfindung nicht eingeschränkt.
Während das Beugungsgitter 11 auf einem bewegbaren Teil der Werkzeugmaschine befestigt ist und mit dem bewegbaren Teil in jedem der oben beschriebenen Beispiele eines optischen Verschiebungsmeßsystems bewegt wird, ist es ausreichend für den Zweck der Erfindung, daß sich das optische Bestrahlungssystem und das optische Interferenzsystem relativ zu dem Beugungsgitter 11 bewegen. Zum Beispiel kann es für den Zweck der Erfindung ausreichend sein, daß das Beugungsgitter 11 stationär ist und sich das optische Bestrahlungssystem und das optische System mit den bewegbaren Teilen der Werkzeugmaschine bewegen.
Der Halbspiegel, der Strahlteiler und die fokussierenden Elemente, die in allen der Beispiele eines optischen Verschiebungsmeßsystems gemäß der Erfindung verwendet werden, sind nicht auf solche, die aus Dünnfilm oder einer Linse hergestellt sind, beschränkt und sie können alternativ aus einem optischen Beugungselement hergestellt sein.
Es ist für das erste fokussierende Element bei jedem der oben beschriebenen Beispiele eines optischen Verschiebungsmeßsystems ausreichend, daß es in einer Stellung angeordnet ist, in der es den kohärenten Strahl La auf die Gitterebene 11a des Beugungsgitters 11 fokussieren kann, und daher können mehrere solcher Elemente an zweckmäßigen Positionen für den Zweck der Erfindung angeordnet sein. Zum Beispiel kann das fokussierende Element so angeordnet sein, daß es die kohärenten Strahlen La1, La2 fokussiert, die durch einen Halbspiegel (oder einen polarisierenden Strahlteiler) 22 erzeugt werden.
Außerdem ist es ausreichend, daß das zweite fokussierende Element 28, das dritte fokussierende Element 63, das vierte fokussierende Element 83 und das fünfte fokussierende Element 84 so angeordnet sind, daß sie die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 auf die lichtempfangende Ebene des lichtempfangenden Elements 13 oder 87, 68 in jedem der oben beschriebenen Beispiele eines optischen Verschiebungs-Meßsystem fokussieren, so daß jedes von ihnen mehrere Elemente aufweisen kann, die zweckmäßig angeordnet sind. Zum Beispiel kann ein fokussierendes Element so angeordnet sein, daß es die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2 fokussiert bevor diese durch den Halbspiegel 27 oder den Strahlteiler 61 zur Überlagerung gebracht werden. Alternativ kann ein fokussierendes Element so angeordnet sein, daß es die gebeugten Strahlen Lb1, Lb2, nach Hindurchtreten durch den nichtpolarisierenden Strahlteiler 64 zum Strahlteilen fokussiert.

Claims

Optisches Verschiebungsmeßsystem aufweisend: ein Beugungsgitter (11) zum Beugen eines kohärenten Strahls (La), das so ausgebildet ist, daß es in Richtungen relativ zu dem kohärenten Strahl (La) und parallel zu einem Gittervektor bewegbar ist; eine Lichtemissionsvorrichtung (12) zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahls (La); ein optisches Bestrahlungssystem (15) in Form der kohärentes Licht emittierenden Lichtemissionsvorrichtung (12), zweier Reflektoren (23, 24) sowie eines halbdurchlässigen Spiegels (22) zum Aufteilen des kohärenten Lichtstrahls (La), der von der Lichtemissionsvorrichtung (12) emittiert wird, in zwei erste kohärente Lichtstrahlen (La1, La2) und zum Bestrahlen des Beugungsgitters (11) mit jedem der ersten kohärenten Strahlen (La1, La2) mit einer ersten Fokussiereinrichtung (21) zum Fokussieren der zwei kohärenten Strahlen (La1, La2) auf die Gitterebene des Beugungsgitters (11), wobei das optische Bestrahlungssystem so geartet ist, daß das Beugungsgitter (11) mit jedem der beiden ersten kohärenten Lichtstrahlen (La1, La2) bestrahlt wird aus einer Richtung, die nicht senkrecht zu der Gitterebene ist; ein optisches Interferenzsystem (16), das so ausgebildet ist, daß zwei am Beugungsgitter (11) erhaltene gebeugte Lichtstrahlen (Lb₁, Lb₂) miteinander interferieren mit einem halbdurchlässigen Spiegel (27) und mit einer zweiten Fokussiereinrichtung (28) zum Fokussieren der zwei gebeugten Strahlen (Lb1, Lb2) auf eine Lichtempfangsebene (13a) einer Lichtempfangsvorrichtung (13), wobei die Lichtempfangsvorrichtung (13) zum Empfangen der gebeugten miteinander interferierenden Strahlen (Lb₁, Lb₂) und zum Erfassen eines Interferenzsignals dient; und eine Stellungserfassungsvorrichtung (14) zum Bestimmen der Position des relativ bewegten Beugungsgitters (11) aus der Phasendifferenz zwischen den gebeugten Strahlen (Lb₁, Lb₂) welche aus dem durch die Lichtempfangsvorrichtung (13) gemessenen Interferenzsignal ermittelt wird; dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtemissionsvorrichtung (12) einen Multimode-Halbleiter-Laser umfasst mit einer Kohärenzlänge von einem ganzzahligen Vielfachen von hundert Mikrometern, wodurch die Längenunterschiede der optischen Wege der beiden ersten Strahlen (La₁; La₂) sowie auch die Längenunterschiede der optischen Wege der gebeugten Strahlen (Lb1, Lb2) auf eine Größenordnung von einem ganzzahligen Vielfachen von zehn Mikrometern reduzierbar sind, wobei ferner die Positionen der halbdurchlässigen Spiegel (22, 27) so justierbar sind, dass der Modulationsfaktor der Interferenzstreifen maximiert werden kann.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fokussiereinrichtung (21) die zwei ersten kohärenten Strahlen (La1, La2) in ein und demselben Punkt auf der Gitterebene des Beugungsgitters (11) fokussiert.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bestrahlungssystem einen polarisierenden Strahlteiler (22) aufweist, durch den die beiden ersten kohärenten Strahlen (La₁, La₂) unterschiedliche Polarisationsrichtungen erhalten, die senkrecht zueinander sind.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Interferenzsystem (15) aufweist: einen ersten polarisierenden Strahlteiler (61) zum Erreichen, daß die zwei gebeugten Strahlen (Lb1, Lb2) mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die senkrecht zueinander sind, miteinander interferiert werden, eine Wellenplatte (71) zum Zirkularpolarisieren der zwei gebeugten Strahlen (Lb1, Lb2), die durch den ersten polarisierenden Strahlteiler (61) in Gegenrichtung miteinander überlagert werden, einen zweiten polarisierenden Strahlteiler (65) zum Aufteilen jedes der zwei zirkularpolarisierten, gebeugten Strahlen in zwei überlagernde Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die senkrecht zueinander sind, und einem dritten polarisierenden Strahlteiler (66) zum Aufspalten jedes der zwei zirkular polarisierten, gebeugten Strahlen in zwei überlagernde Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die senkrecht zueinander sind, wobei der zweite und dritte polarisierende Strahlteiler (65, 66) so ausgebildet sind, daß sich die Polarisationsrichtungen der überlagernden Strahlen, die durchgeleitet werden, um 45° unterscheiden; und daß die Stellungserfassungsvorrichtung so ausgebildet ist, daß sie das Differenz-Ausgangssignal der zwei überlagernden Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die von dem zweiten polarisierenden Strahlteiler (65) erzeugt werden, und das Differenz-Ausgangsignal der zwei überlagernden Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die von dem dritten polarisierenden Strahlenteiler (66) erzeugt werden, bestimmt zum Erfassen der relativverschobenen Stellung des Beugungsgitters (11).
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bestrahlungssystem einen nichtpolarisierenden Strahlteiler (22) aufweist zum Aufspalten des kohärenten Strahls (La), der von der Lichtemissionsvorrichtung (41) ausgestrahlt wird, in zwei kohärente Strahlen (La1, La2) mit gleicher Polarisation und identischer Polarisationsrichtung.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Interferenzsystem aufweist: eine erste Wellenplatte zum Transformieren der zwei gebeugten Strahlen mit gleicher Polarisation und identischer Polarisationsrichtung in zwei gebeugte Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die senkrecht zueinander sind, einen ersten polarisierenden Strahlteiler (61) zum Erreichen, daß die zwei gebeugten Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die senkrecht zueinander sind, einander überlagern, eine zweite Wellenplatte zum Zirkularpolarisieren der zwei gebeugten Strahlen, die durch den ersten polarisierenden Strahlteiler (61) in Gegenrichtung zum Einander-Überlagern gebracht sind, einen zweiten polarisierenden Strahlteiler (65) zum Aufteilen jedes der zirkularpolarisierten, gebeugten Strahlen in zwei überlagernde Strahlen mit Polarisationsrichtungen, die zueinander senkrecht sind, und einen dritten Strahlteiler (66) zum Aufteilen der zwei zirkularpolarisierten, gebeugten Strahlen in zwei überlagernde Strahlen mit Polarisationsrichtungen, die senkrecht zueinander sind, wobei der zweite und dritte polarisierende Strahlteiler (65, 66) so ausgebildet sind, daß sich die Polarisationsrichtungen der überlagernden Strahlen, die durchgelassen werden, um 45° unterscheiden; und daß die Stellungserfassungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie das Differenz-Ausgangssignal der zwei überlagernden Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die durch den zweiten polarisierenden Strahlteiler erzeugt werden, und das Differenz-Ausgangssignal der zwei überlagernden Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die durch den dritten polarisierenden Strahlteiler (66) erzeugt werden, bestimmt zum Erfassen der relativverschobenen Stellung des Beugungsgitters (11).
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Interferenzsystem (15) aufweist: eine Wellenplatte zum Zirkularpolarisieren zweier gebeugter Strahlen mit gleicher Polarisation und identischer Polarisationsrichtung derart, daß sie entgegengesetzte Polarisationsrichtungen zeigen, einen zweiten polarisierenden Strahlteiler (65) zum Aufteilen jedes der zirkularpolarisierten, gebeugten Strahlen in zwei überlagernde Strahlen mit Polarisationsrichtungen, die senkrecht zueinander sind, einen dritten Strahlteiler (66) zum Aufteilen jedes der beiden zirkularpolarisierten, gebeugten Strahlen in zwei überlagernde Strahlen mit Polarisationsrichtungen, die senkrecht zueinander sind, wobei der zweite und dritte polarisierende Strahlenteiler (65, 66) so ausgebildet sind, daß sich die Polarisationsrichtungen der überlagernden Strahlen, die durchgelassen werden, um 45° unterscheiden; und daß die Stellungserfassungseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie das Differenz-Ausgangsignal der zwei überlagernden Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die durch den zweiten polarisierenden Strahlteiler (65) erzeugt werden und das Differenz-Ausgangsignal der zwei überlagernden Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen, die durch den dritten polarisierenden Strahlteiler (66) erzeugt werden, bestimmt zum Erfassen der relativverschobenen Stellung des Beugungsgitters (11).
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (11) von einer reflektierenden Bauart ist.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (11) radial angeordnete Gitterstäbe aufweist.
Optisches Verschiebungsmeßsystem nach Anspruch 1, worin die Lichtemissionsvorrichtung (12) einen kohärenten Lichtstrahl aussendet, mit welchem die Differenz in der Länge des optischen Weges als einen Wechsel des Modulationsfaktors der Interferenzstreifen erfassbar ist.