DE69529745T2

DE69529745T2 - Vorrichtung zur feststellung einer relativen bewegung

Info

Publication number: DE69529745T2
Application number: DE69529745T
Authority: DE
Inventors: K. Donald MITCHELL; G. William THORBURN
Original assignee: MicroE Inc
Current assignee: Novanta Inc
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1995-05-25
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2015-05-26
Also published as: CA2191329C; DE69529745D1; WO1995033179A1; EP0760932B2; US5486923A; EP0760932A4; EP0760932B1; JPH10501334A; US5646730A; ATE233397T1; DE69529745T3; JP4037903B2; EP0760932A1; CA2191329A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung beschäftigt sich mit einem optischen Instrument zur Messung von örtlichen Veränderungen und insbesondere mit einem Instrument, welches die Beugung monochromatischen Lichts durch ein Gitter benutzt, welches relativ zu einer Lichtquelle oder einem Aufnahmekopf beweglich ist.
Eine Anzahl von Systemen wurden bisher zum Messen relativer örtlicher Veränderungen vorgeschlagen, welche die Lichtbeugung an einem optischen Gitter ausnutzen. Beispiele bekannter Systeme gehen hervor aus den US-Patentschriften 4,776,701 (Pettigrew), 4,815,850 (Kanayama et al.), 4,676,645 (Taniguchi et al.) und 5,098,190 (Wijntjes et al.).
Ein im Handel erhältliches System dieser Art wird vertrieben von der Optra, Inc., Beverley, MA, USA unter der Marke „Nanoscale", welches mit der US Patentschrift 5,098,190 zusammenhängen dürfte. Jedes dieser bekannten Systeme enthält jedoch eine Vergrößerung oder Trennung der verschiedenen Beugungsordnungen, die aus dem Beugungsgitter erhalten werden, und die dann zusammengeführt und interferiert werden. Typischerweise wird eine ziemlich große Anzahl von optischen Komponenten benötigt, und die zahlreichen Komponenten müssen genau beabstandet und ausgerichtet werden, damit die Instrumente bestimmungsgemäß arbeiten können.
Die Schrift WO 93/22615 zeigt eine Vorrichtung zum Erfassen einer relativen Bewegung mit einem Gitter, das Licht von einer vorgewählten Wellenlänge in positive und negative erste Ordnungen konzentriert und die nullte Ordnung minimiert. Die vorliegende Erfindung zeigt jedoch verbesserte Eigenschaften in vielerlei Hinsicht.
In vielen hochtechnisierten Unternehmen werden Produkte unter Reinraumbedingungen hergestellt oder bearbeitet. Zu nennen sind beispielsweise die Miniaturisierung mechanischer Systeme oder die zunehmende Dichte integrierter Schaltungen, die teilweise den Eigenschaften solcher Reinräume zu verdanken sind. Andererseits sind Reinraumbedingungen aufwendig zu realisieren, können die Herstellungsprozesse komplizieren und die Kosten von Testeinrichtungen und Kompo-nenten in die Höhe treiben, die im Reinraum erforderlich sein können. Es ist daher erwünscht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu haben, mit denen die Bewegung von Komponenten in einem geschlossenen Raum von einem Ort außerhalb des geschlossenen Raumes aus beobachtet und gesteuert werden kann.
Aus den zahlreichen Aufgaben, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen, können die Schaffung einer Vorrichtung zur Feststellung einer relativen örtlichen Veränderung erwähnt werden, die mit einem Minimum an Komponenten auskommt; ferner die Schaffung eines derartigen Systems, in welchem die. Toleranz der Beabstandung und der Ausrichtung der Systemkomponenten relativ groß ist; ferner die Schaffung einer leicht herstellbaren Vorrichtung; ferner die Schaffung einer derartigen Vorrichtung, bei der die Erfassungskomponenten durch Benutzung der integrierten Schaltungstechnik verwirklicht werden können; ferner die Schaffung einer solchen Vorrichtung, die hochgenaue Messungen liefern kann; und schließlich die Schaffung einer solchen Vorrichtung, die äußerst zuverlässig und von relativ einfacher und wenig aufwendiger Bauweise ist. Weitere Aufgaben und Merkmale sind teilweise offensichtlich und teilweise gehen sie aus dem Nachstehenden hervor.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet mit einem Gitter, das Licht einer vorgegebener Wellenlänge hauptsächlich in die positiven und negativen ersten Ordnungen beugt. Das Gitter ist relativ zu einer Quelle beweglich, die monochromatisches Licht der vorgegebenen Wellenlänge liefert und einen Bereich des Gitters bestrahlt, der eine Breite W längs der Länge des Gitters besitzt. Ein periodischer Viel- oder Mehrphasendetektor ist nahe zum Gitter angeordnet, so daß jede Detektorphase oder Element prinzipiell auf die Interferenz zwischen den positiven und negativen ersten Ordnungen anspricht, die von dem Gitter ohne Zwischenreflexion oder -verstärkung gebeugt werden.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß auf der Abstromseite des Gitters (hinter dem Gitter) keine beugungsverändernden Komponenten vorhanden sind. Dies ermöglicht, daß die Erfindung in sehr vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden kann, wobei jeweils die gleichen einfachen Teile benutzt werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet auf der Aufstromseite des Gitters (vor dem Gitter) eine Wellenfront-Korrekturstruktur, um das Licht aus der Quelle vorzukonditionieren, so daß die charakteristischen Eigenschaften der hinter dem Gitter (auf der Abstromseite des Gitters) erzeugten natürlichen oder Eigen-Interferenz so zugeschnitten werden können, daß sie vorgegebenen Detektoreigenschaften angepaßt sind oder einen weiten Bereich von Gittereigenschaften kompensieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die optischen Techniken der Erfindung dazu benutzt, einen außerhalb eines geschlossenen Raumes befindlichen Detektor mit einer innerhalb des geschlossenen Raumes befindlichen Komponente optisch zu verriegeln, wobei die Komponente von einem in dem Raum lokalisierten Motor oder Betätiger bewegt werden kann. Die interne Komponente, der externe Detektor und der Komponentenbetätiger sind in eine Servoschleife eingebunden, so daß die interne Komponente so gesteuert ist, daß sie im Verriegelungsschritt der Bewegung des externen Detektors folgt. Darnach kann durch genaues Steuern der Position des externen Detektors durch einen externen. Präzisionspositionierer die Position der Komponente innerhalb des geschlossenen Raumes genau gesteuert werden.
Erfindungsgemäß wird ein Beugungsgitterfragment auf der internen Komponente positioniert. In einem Gehäuse, das den geschlossenen Raum definiert, ist ein Fenster vorgesehen, so daß das Beugungsgitterfragment für einen extern positionierten Interferenzstreifendetektor über den Bewegungsbereich der Komponente sichtbar ist. Die Bewegung der Komponente wird so gesteuert, daß ein ausgewählter Ausgang aus dem extern positionierten Interferenzstreifendetektor erhalten bleibt.
Weiterhin wird die Position des Interferenzstreifendetektors durch einen Präzisionspositionierer gesteuert, der einen optischen Kodierer oder ein Laserinterferometer benutzt und eine Bewegungsachse hat, die koaxial oder parallel zur Bewegungsachse der internen Komponente ist.
Die Eigenschaften des Beugungsgitterfragmentes sind so gewählt, dass von dem Fragment, wenn es von Licht einer Wellenlänge λ bestrahlt wird, Beugungsstreifen an Stellen außerhalb des Gehäuses erzeugt werden, so daß der Interferenzstreifendetektor außerhalb des Gehäuses positioniert werden kann, um die erzeugten Interferenzstreifen zu erfassen. Eine spezielle Stelle in den Interferenzstreifen wird als Ausgangsposition ausgewählt, und die interne Komponente wird dann als Funktion des Ausgangs des Interferenzstreifendetektors für diese Ausgangs-position gesteuert, um den Ausgang des Interferenzstreifendetektors gleich, d. h. an diese Ausgangsposition verriegelt, zu halten, selbst wenn die Position des Interferenzstreifendetektors durch Bewegung des Präzisionspositionierers verändert wird. Ein Differentialpositionsmerkmal der Erfindung erlaubt es, die interne Komponente optisch mit dem Interferenzstreifendetektor zu verriegeln, so daß die interne Komponente um einen anzeigbaren Betrag aus der Ausgangsposition differentiell versetzt wird.
Auf diese Weise ist die interne Komponente mit dem Interferenzstreifendetektor optisch verriegelt, so daß die interne Komponente die gleiche Position hat wie die Position des Interferenzstreifendetektors oder eine Position hat, die zu der Position des Interferenzstreifendetektors um einen anzeigbaren Betrag versetzt ist. Durch Verwenden eines Präzisionspositionierers, um die Position des Interferenzstreifendetektors genau zu steuern, kann die interne Komponente innerhalb des geschlossenen Raumes genau quer bewegt werden. Eine Kontamination wird dadurch verringert und die Anforderungen an den Reinraum vermindert. Weiterhin muß das Gitterfragment nicht von hoher Präzision sein und kann daher preiswert sein, da es nur dazu benutzt wird, das Verriegeln der internen Komponente mit dem Interferenzstreifendetektor zu unterstützen. Vor der Bewegung der internen Kompo-nente kann eine Kalibrierstufe dazu dienen, den Einfluß von Herstellungsvariationen im Gitterfragment zu reduzieren.
In anderer Betrachtung werden bei dieser Ausführungsform der Erfindung zwei Servoschleifen verwendet. Eine interne Servoschleife verriegelt optisch die interne Komponente mit einem extern zu dem geschlossenen Raum positionierten Detektor. Der Detektor erfaßt Interferenzstreifen, die extern zum geschlossenen Raum durch eine Interferenzerzeugungsstruktur erzeugt worden sind, die auf der internen Komponente in dem geschlossenen Raum positioniert ist. Die Position des Detektors wird durch eine externe Servoschleife präzise gesteuert, so daß daher die Position der internen Komponente, weil sie mit dem Detektor optisch verriegelt ist, präzise gesteuert ist. Das alles ist möglich, ohne daß in den geschlossenen Raum körperlich eingedrungen werden oder daß ein Positionsdetektor im geschlossenen Raum angeordnet sein muß.
Es liegt daher eine weitere Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Steuern der Bewegung einer Komponente, die in einem geschlossenen Raum lokalisiert ist, von einem Ort außerhalb des geschlossenen Raumes aus.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Komponentenpositionssteuerverfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung, welche die Reinraumanforderungen während der Produktherstellung oder des Betriebes reduziert.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens sowie einer Vorrichtung, bei denen eine sich in einem geschlossenen Raum befindende Komponente mit einem extern lokalisierten und präzise positionierbaren optischen Detektor optisch verriegelt ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist zu sehen in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, bei denen ein Beugungsgittersegment, das auf einer in einem geschlossenen Raum befindlichen Komponente positioniert ist, Interferenzstreifen außerhalb des geschlossenen Raumes erzeugt und bei denen die erzeugten Interferenzstreifen von einem externen Interferenzstreifendetektor erfaßt und zum optischen Verriegeln der Komponente in dem geschlossenen Raum mit dem Interferenzstreifendetektor derart verwendet werden, dass sich die Komponente in Verriegelungsschritten mit dem Interferenzstreifendetektor bewegt.
Kurze Angaben zu den Figuren
1 zeigt eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung zur Erfassung örtlicher Veränderungen entsprechend den Merkmalen der Erfindung;
2 zeigt diagrammatisch eine Darstellung dazu, wo verschiedene Interferenzordnungen in Bereichen nahe einem in der Vorrichtung nach 1 benutzten Beugungsgitter auftreten;
3 zeigt diagrammatisch eine Darstellung mit vergrößertem Gitterabstand und Beugungswinkeln zur Erläuterung des Betriebsverhaltens eines periodischen Mehrphasendetektors aus der Vorrichtung nach 1 im Verhältnis zu dem von einem Gitter gebeugten Licht;
4 zeigt schematisch die Frontseite des Detektors aus 3;
5 zeigt eine diagrammatische Darstellung mit vergrößertem Gitterabstand und Beugungswinkeln einer Doppelstrahlversion der Erfindung;
6 zeigt eine binäre Kollimatorlinse, die in der Doppelstrahlversion der Erfindung gemäß 5 benutzt werden kann;
7 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der natürlichen oder Eigen-Interferenz zwischen verschiedenen Beugungsordnungen in Bereichen, die nahe einem Beugungsgitter sind, welches in einer Arbeitsprototyp-Ausführung der Vorrichtung nach 1 benutzt wird;
8A zeigt eine Draufsicht auf einen Kopf, der die Laserdiode, die Kollimatorlinse, den Spiegel, den Detektor und eine Verarbeitungselektronik eines Prototyps der Erfindung beherbergt, wobei ein reflektierendes Gitter benutzt wird, betrachtet von derjenigen Seite des Kopfes, die auf das Gitter blickt;
8B zeigt eine Querschnittsansicht des Prototypkopfes gemäß 8A längs der Linie 8B-8B, auch zur Erläuterung der Orientierung des Gitters zum Kopf;
8C zeigt eine Rückansicht des Prototypkopfes aus 8A;
8D zeigt eine Draufsicht auf diejenige Seite des Prototypkopfes aus 8A, die dem Gitter gegenüber liegt;
8E zeigt eine Querschnittsansicht des Prototypkopfes aus 8D längs der Linie 8E-8E;
9 zeigt ein alternatives Layout für eine reflektive Ausführungsform der Erfindung;
10 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, mit einem transmissiven Gitter;
11A, 11B, 11C, und 11D zeigen den Mehrphasendetektor und die Maskierung in einem Prototypen der Erfindung;
12A und 12B zeigen eine Flex-Schaltungsstruktur in einem erfindungsgemäßen Prototypen;
13 zeigt die Verarbeitungsschaltung in dem erfindungsgemäßen Prototypen;
14 zeigt den Querschnitt einer in einem Glassubstrat ausgebildeten Zonenlinse, die für die Verwendung in der Erzeugung des 20 μm Streifens geeignet ist, der zur Gewinnung eines Indexes im Rahmen der Erfindung dient;
15A und 15B zeigen das Anpassen der im Rahmen der Erfindung verwendeten Aperturen;
16 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein polarisierender Strahltrenner und ein λ/4 Wellenverzögerer für normalen Einfall am Gitter in einer reflektiven Auslegung verwendet werden;
17 vergleicht die Beugung erster Ordnung aus einem linearen Gitter mit einer Beugung erster Ordnung aus einem radialen Gitter, um eine der Wirkungen eines radialen Gitters auf die Beugungsordnungen zu erläutern;
18 zeigt die Verwendung einer erfindungsgemäßen Wellenfrontkorrektur, um den Winkel zu modifizieren, bei welchem die Beugung erster Ordnung das Gitter 13A verläßt;
19A, 19B und 19C sowie 20A und 20B zeigen Wellenfrontkorrekturmöglichkeiten, wobei Beugungs- und Brechungsstrukturen verwendet werden, und 20A und 20B Beispiele von Geometrien und räumlichen Gitterfrequenzen geben, die erhalten werden können, wenn eine Wellenfrontkompensation vorgesehen wird;
20C zeigt die Verwendung eines Gitters, das höhere Ordnungen unterdrückt;
21 zeigt eine Seite eines durch eine Brechungsoptik laufenden Eingangsstrahls zur Vorkorrektur von Verdrehungen aufgrund einer radialen Gitterstruktur;
22 erläutert Variationen in der Form der Oberflächen der Brechungsoptik zur Kompensierung der anderen Effekte der radialen Gitterstruktur;
23 zeigt ein optisches Element, das vor dem Gitter 13A zur Vorkorrektur von radialen Gittereffekten benutzt werden kann, die auf Variationen in der Gitterperiode quer zum Gittermuster zurückzuführen sind;
24 erläutert eine Brechungswellenfrontkorrekturstruktur zur Verwendung mit einem linearen Detektor. 25 erläutert, wie das Anwinkeln der Oberflächen der Brechungsoptik und der Abstand, der die Brechungsoptik vom Gitter 13A trennt, die Trennung und Winkel beeinflusst, unter dem die Strahlen auf das Gitter 13A fallen;
26A, 26B und 26C erläutern ein optisches. Beugungselement zur Verwendung in der Wellenfrontkompensation für radiale Gitter;
27 zeigt eine Reflexionsausführungsform der Erfindung, die eine Wellenfrontkorrekturstruktur 215 benutzt;
28 erläutert eine Durchlässigkeits- oder transmissive Ausführungsform der Erfindung, welche eine Wellenfrontkorrekturstruktur 215 verwendet;
29 erläutert eine Durchlässigkeits- oder transmissive WFC-Ausführungsform der Erfindung, die zur Steuerung der Position einer beweglichen Stufe 300 dient;
30 ist ein vereinfachtes Funktionsdiagramm zur Erläuterung der optischen Servosteuerung einer drehenden Komponente innerhalb eines geschlossenen Raumes entsprechend der Erfindung;
31 ist ein vereinfachtes Funktionsdiagramm zur Erläuterung der optischen Servosteuerung einer linear betätigten Komponente innerhalb eines geschlossenen Raumes entsprechend der Erfindung;
32 erläutert die Beziehung zwischen den Interferenzstreifen und dem Detektorsegmentabstand;
33 zeigt ein erläuterndes Flussdiagramm zur Kalibrierung der optischen Servoausführungsform der Erf indung; und
34 zeigt ein Beispiel einer Gitterausführungsform, die höhere Ordnungen unterdrückt.
Entsprechende Bezugszeichen bedeuten entsprechende Teile innerhalb der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Zur Vereinfachung der Beschreibung zeigt 1 eine Draufsicht, obgleich, wie dem Fachmann bekannt, die Vorrichtung in irgendeiner Orientierung betrieben werden kann. Wie bereits angegeben, arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung so, dass sie eine relative Bewegung oder räumliche Veränderung zwischen einem Erfassungskopf, der allgemein durch das Bezugszeichen 11 bezeichnet ist, und einem Gitter 13 feststellt oder erfasst. Der Erfassungskopf 11 umfasst eine monochromatische Lichtquelle, vorzugsweise einen Halbleiterlaser 15. Der Halbleiterlaser 15 liefert im wesentlichen monochromatisches, kohärentes Licht der Wellenlänge λ. Weiterhin wird zur Vereinfachung der Beschreibung die Richtung der Relativbewegung als X-Achse bezeichnet, die sich längs des Gitters erstreckt, während der Abstand von der Oberfläche des Gitters in der Y-Achse gemessen wird. Dementsprechend ist die Z-Achse vertikal oder orthogonal zur Ebene der Zeichnung. Das Gitter 13 ist parallel zur Z-Achse liniert.
Wie sich aus der folgenden Beschreibung ergeben wird, arbeitet das erfindungsgemäße verwendete Gitter 13 in Reflexion und ist darauf zugeschnitten, Licht einer vorgegebenen Wellenlänge primär in die positiven und negativen ersten Ordnungen zu zerlegen und die nullte Ordnung zu minimieren. Wie dem Fachmann bekannt, wird eine derartige Charakteristik prinzipiell durch Verwendung einer Tiefe erreicht, die λ/4, d.h. eine viertel Wellenlange beträgt, wie auch durch eine Formgebung der Oberfläche, die in 3 dargestellt ist und ein abgestuftes Profil aufweist. Selbstverständlich kann ein im wesentlichen äquivalentes Gitter geschaffen werden, das in Durchlässigkeit oder Transmission mit einer Phasenverzögerung von λ/2 arbeitet.
Licht aus dem Halbleiterlaser 15 wird durch eine Linse 17 gesammelt und durch einen Spiegel 19 ungefähr orthogonal zu der Oberfläche des Gitters 13 gerichtet, das einen Bereich 20, der Breite W längs der Länge des Gitters beleuchtet. Das von dem Gitter 13 gebeugte und reflektierte Licht wird von einem mehrphasigen periodischen Detektor 25 erfasst. Die Periode des Detektors längs der X-Achse entspricht der Periode des Interferenzmusters, das durch eine Interferenz der positiven und negativen ersten Ordnung entsteht, die von dem Gitter 13 gebeugt werden und beträgt somit P/2. Die Breite der aktiven Fläche des Detektors 25 ist vorzugsweise wesentlich kleiner als die Breite des bestrahlten Gebietes auf dem Gitter 13, beispielsweise hinreichend schmal, um eine Toleranz von etwa ±1/2° zu ermöglichen. Die ideale Stelle . tritt auf, wo die Beugung dritter Ordnung von der Beugung der plus und minus ersten Ordnung divergiert, und die Beugungen der plus und minus ersten Ordnung werden, soweit möglich sich überlappen. Dies tritt beispielsweise bei einer 50%igen Überlappung der plus und minus ersten Ordnungen auf. Daher. würde für einen Detektor mit ungefähr 400 μm Breite ein Überlappungsbereich von ungefähr 600 μm geeignet seien. Dies führt zu einer Punktgröße von ungefähr 1,2 mm. Während der Detektor 25 so dargestellt ist, dass er sich im Wege des von dem Spiegel 15 zum Gitter 13 fortschreitenden Lichtstrahls befindet, kann er oberhalb oder unterhalb des Strahles angeordnet sein, da eine exakte Orthogonalität des Strahles bezüglich der Gitteroberfläche in der Z-Richtung nicht erforderlich ist.
Gemäß 2 wird ein Bereich der Breite W längs der Länge des Gitters 13 durch einen Parallelstrahl 29 aus der Laserlichtquelle beleuchtet. Die nullte Ordnung wird im wesentlichen direkt reflektiert, der Strahl ist mit dem Bezugszeichen 31 versehen. Die positive erste Ordnung ist gemäß der Darstellung unter einem Winkel Θ nach rechts gebeugt, der zugehörige Strahl ist mit 33 bezeichnet, während die negative erste Ordnung 35 nach links um den gleichen Winkel gebeugt ist. Wie bekannt ist der Winkel Θ definiert durch
Θ = sin-1 (λ/P) 1)
wobei P die Periode des Gitters in X-Achsenrichtung bedeutet.
Wie man aus 2 entnimmt, ist ein dreieckiger Bereich 37 vorhanden, in welchem die positiven und negativen ersten Ordnungen direkt ohne irgendwelche Zwischenreflexion oder Verstärkung interferieren. Dieser Bereich erstreckt sich bis zu einem Abstand vom Gitter, der gleich ist
W/(2tanΘ) 2)
und kann als ein Bereich von Nahfeldinterferenz betrachtet werden. Um eine Konfusion mit dem Ausdruck "Nahfeldinterferenz" in dem Frenel'schen Interferenzsinn zu vermeiden, ist der erfindungsgemäß benutzte Interferenzbereich genauer als eine natürliche oder Eigeninterferenz beschrieben, d. h. eine Interferenz, ehe die plus und minus Ordnungen divergieren. In diesem Bereich interferieren die plus und minus Ordnungen direkt. Erfindungsgemäß ist der Detektor 25 innerhalb dieses Bereichs 37 lokalisiert.
Während die Gittereigenschaften so ausgeführt werden können, dass sie die nullten und geradzahligen Ordnungen der Beugung aus dem Gitter 13 im wesentlichen eliminieren, wird merkbare Energie typischerweise in den ungeraden Ordnungen bleiben. Unter Bezugnahme auf 2 sind die Strahlen positiver und negativer dritter Ordnung mit den. Bezugszeichen 41 und 43 bezeichnet. Es ist klar, dass der Winkel zur Normalen, unter welchem jeder dieser Strahlen weggeht, φ betragt, wobei
φ = arcsin(3λ/P) 3)
ist. Entsprechend besteht ein dreieckiger Bereich von Eigeninterferenz der positiven und negativen dritten, Ordnungen, wobei dieser Bereich mit 47 bezeichnet ist. Dieser Bereich erstreckt sich vom Gitter ausgehend über einen Abstand von
Vorzugsweise ist der Detektor 25 von dem Gitter weiter entfernt lokalisiert als der Bereich der Eigeninterferenz zwischen den positiven und negativen dritten Ordnungen, so daß die erhaltenen Signale am engsten der Sinuswellen-Charakteristik des reinen Interferenzmusters erster Ordnung entsprechen. Vorzugsweise ist der Detektor 25 gerade außerhalb der Spitze des Bereichs 47 lokalisiert, um maximale Detektorbreite zu ermöglichen. Wie man sieht, sollte der ganze aktive Bereich des Detektors in dem Gebiet der gewünschten Interferenz sich befinden. Beugungen höherer Ordnung können durch die Verwendung komplexerer Gittermuster unterdrückt werden, die ihrerseits es ermöglichen, dass der Detektor näher an das Gitter 13 bis zu der Stelle bewegt werden kann, an der die ersten nicht unterdrückten Ordnungen aus der Eigeninterferenz der plus und minus ersten Ordnungen herausdivergiert sind. 34 zeigt den Querschnitt eines Gitters, das höhere Ordnungen unterdrückt und imstande ist, alle höheren Ordnungen bis zur 7. zu unterdrücken. Eine derartige Gitterstruktur ist gegenwärtig am besten geeignet für grobere Gitterstrukturen, da die Stufenbreiten durch die gegenwärtigen lithographischen Möglichkeiten beschränkt sind. Da die Divergenzwinkel weiterhin mit groberen Gitterstrukturen zu Ungenauigkeit neigen, wird die Unterdrückung höherer Ordnungen in solchen Grobgittern zu einer wesentlichen Verbesserung in der Gitterlokalisierung führen.
Derjenige Bereich, in dem nur eine Interferenz zwischen den Beugungen der plus und minus Ordnungen auftritt, ist eine optimale Stelle für den Detektor 25. Wenn der Detektor 25 oder Teile von ihm außerhalb dieses optimalen Bereichs positioniert sind, werden Beiträge von höheren Ordnungen auftreten, die das von dem Detektor 25 gelieferte Signal verschlechtern. Diese Verschlechterung ist graduell und führt nicht zu einem Ausfall der Funktion. Wenn die Punktgröße W größer wird, bewegt sich der optimale Bereich für den Detektor 25 vom Gitter 13 weg. Eine derartige Beziehung zwischen der optimalen Stelle des Detektors und der Größe der Beleuchtung des Gitters 13 ermöglicht eine signifikante Gestaltungsfreiheit für Vorrichtungen, die erfindungsgemäß gebaut sind, weil der Detektor 25 an unterschiedlichen Stellen weg vom Gitter 13 plaziert werden kann um verschiedene unterschiedliche Anforderungen einfach dadurch zu befriedigen, dass die Größe des, Punktes W, der das Gitter 13 beleuchtet, verändert wird.
Im einzelnen besteht ein signifikanter Vorteil der Erfindung gegenüber bekannten geometrischen Positionskodierern, dass die Eigeninterferenz zwischen den positiven/negativen Ordnungen orthogonal zum Gitter 13 liegt und der Detektor irgendwo innerhalb dieser Eigeninterferenz plaziert werden kann und dennoch exakt örtliche Veränderungen messen kann. Die Eigeninterferenzstreifen sind überall sinusförmig. Im Gegensatz dazu hängen bekannte geometrische Kodierer von einer exakten Tiefensteuerung ab, da das Signalprofil sich mit verändernder Tiefe verändert, wodurch eine genaue Interpolation nur äußerst schwierig erreicht werden kann.
Wie bereits angegeben, ist die Breite des aktiven Bereichs des Detektors 25 kleiner als die Breite des auf dem Gitter beleuchteten Bereichs. Somit kann gemäß 3 eine Beugung positiver erster Ordnung aus einem Bereich auf der linken Seite des Bereichs 20 ein negatives gebeugtes Licht erster Ordnung aus einer Zone auf der rechten Seite des Bereichs 20 treffen und mit diesem interferieren und die sich trefffenden Lichtkomponenten können an der Fühlerebene des Detektors 25 interferieren.
Wie bereits angegeben, sind die Abmessungen und die Winkel in den 2 und 3 zu Erläuterungszwecken vergrößert dargestellt. Die Abmessungen und Winkel für eine praktische Ausführungsform können beispielsweise die folgenden sein. Die Lichtquelle ist ein Halbleiterlaser, der Licht von einer Wellenlänge von 780 nm emittiert. Das Gitter ist liniert mit 424 Linien pro Zoll (16,64 Linien pro Millimeter), so dass die Periode P einen Wert von 60 μ hat. Dementsprechend ist der Winkel der Θ der Beugung erster Ordnung 0,74° und der Winkel φ der Beugung dritter Ordnung betragt 2,2°. Nimmt man an, dass die Breite des beleuchteten Gebietes 1,0 mm beträgt, erstreckt sich die Eigeninterferenz der ersten Ordnung im Bereich von 38,5 mm vom Gitter, während die Eigeninterferenz dritter Ordnung sich 12,8 mm vom Gitter erstreckt.
Bei der Ausführungsform der Erfindung, bei der das Gitter 13 ein solches ist, das gemäß 34 höhere Ordnungen unterdrückt, beginnt der nutzbare Bereich der Eigeninterferenz zwischen den plus und minus ersten Ordnungen signifikant näher am Gitter. Im einzelnen wird die Stelle der Interferenz neunter Ordnung die innere Grenze repräsentieren. Die Gleichung (3) ergibt einen Winkel von 6,72°. Weiterhin zeigt die Gleichung (4), dass die Interferenz neunter Ordnung sich nach außen bis auf einen Abstand von nur 4,25 mm erstreckt. Man bemerke, dass bei einem Gitter ohne Unterdrückung höherer Ordnung der Minimalabstand 12,8 mm beträgt, wie das durch die Stelle der Interferenz dritter Ordnung definiert ist.
Wie dem Fachmann deutlich ist, wird das Muster der Lichtintensität, das durch die Interferenz der Beugungskomponenten positiver und negativer erster Ordnung eine Periodizität haben, die doppelt so groß wie diejenige des Gitters selbst ist. Der Detektor 25 ist so ausgelegt, dass er eine passende Periodizität hat, d. h. P/2, so dass die Beiträge aus mehreren Elementen in jeder Phase des Detektors sich additiv kombinieren. Vorzugsweise ist der Detektor 25 als eine integrierte Schaltung mit einer Reihe schmaler schlanker Fotodioden ausgelegt. Solch eine Reihe von Fotodioden ist in 4 dargestellt. Die einzelnen Fotodioden sind mit dem Bezugszeichen 51 versehen. Wie bereits angegeben sollte die Reihe mehrphasig sein. Beispielsweise könnten zwei Reihen, die Quadratursignale liefern, die relative örtliche Veränderung definieren. Ein Überlappen der Reihen bringt einen wichtigen Vorteil im Mitteln räumlicher Variationen in der Intensität des auf die Reihen fallenden Lichtes. Eine einfache herzustellende Anordnung kann eine Verschiebung der beiden Phasen in Z-Achsen-Richtung vorsehen, um die Verbindung der verschiedenen Fotodetektorelementen zu vereinfachen. Eine andere Alternative besteht in der Verwendung relativ großflächiger Fotodetektoren, von denen jeder mit einer geeigneten Maske für den Zutritt von Licht der geeigneten Phase aufweist. Während diese Bauart einfacher zu verwirklichen ist, ist sie weniger effizient in der Verwendung der zur Verfügung stehenden Lichtenergie.
Eine weitere Alternative besteht darin, einen länglich runden Schirm an der Fühlerebene vorzusehen, welcher die verschiedenen Phasen bei verschiedenen Winkeln nach der Interferenz an der Fühlerebene zerstreut, so dass beabstandete Detektoren verwendet werden können. Der länglich-runde Schirm wird somit eine Periodizität von P/2 längs der X-Achse haben. In diesem Fall müssen die fotoelektrischen Detektoren selbst nicht innerhalb des sogenannten Bereichs der Eigenfrequenz 37 plaziert werden, sondern die Fühlerebene und der Interferenzpunkt liegen am länglich runden Schirm, der sich innerhalb des Bereichs befindet.
Während es bevorzugt ist, dass die Interferenz reiner erster Ordnung erreicht wird, um die reinstmögliche Sinuswelle aus jeder der Dektektorphasen zu erhalten, werden in ähnlicher Weise einige Interferenzen durch andere Ordnungen in einigen Anwendungsfällen in nicht zu beanstandender Weise überlagert werden, indem durch Verwendung von passenden Mustertabellen genügend genaue Interpolationen vorgesehen sein können.
Während die als Beispiel beschriebene Ausführungsform ein Fühlen oder Erfassen längs einer einzigen Achse vorsieht, ist klar, dass die Erfindung auf eine kombinierte Zweiachsenfühlervorrichtung angewandt werden kann, indem ein in orthogonalen Richtungen limitiertes Gitter benutzt wird, zusammen mit einem Detektor für jede Richtung. Eine einzige Lichtquelle kann beide Achsen bedienen. Aufgrund der Orthogonalität wird eine minimale Wechselwirkung zwischen der Bewegung längs einer Achse mit den Fühlersignalen, die durch die Bewegung längs der anderen Achse erzeugt werden, auftreten.
Wenn die Detektoren und die Gitter geeignet geformt sind, um passende Krümmungen für das gebeugte Signal zu erhalten, oder wenn genügend enge Gitter verwendet werden, kann die Erfindung wirksam auch auf einen Drehkodierer angewandt werden.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Wellenfrontkorrekturstruktur vor dem Gitter 13 vorgesehen sein, um das auf das Gitter 13 fallende Licht vorzukonditionieren. Wie weiter unten in dem folgenden Abschnitt im einzelnen ausgeführt werden wird, kann ein solches Vorkonditionieren so ausgeführt werden, dass die Charakteristiken der durch das Gitter 13 erzeugten Interferenz geändert werden. Beispielsweise können zu beschreibende Wellenfrontkorrekturstrukturen es erlauben, lineare Detektorreihen zu verwenden mit Drehkodierer-Gittern (radiale Gitter) zu verwenden, oder die den Einsatz von Detektoren mit grober Periodizität mit Gittern relativ hoher Auflösung ermöglichen.
Zweistrahl-Ausführungsform
Bezugnehmend auf 5 wird jetzt eine Zweistrahl-Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Während 5 einen zweireihigen Detektor 25 darstellt, ist klar, dass andere Detektorkonfigurationen, wie sie nachfolgend beschrieben werden, in gleicher Weise für die Verwendung in der Zweistrahl-Ausführungsform geeignet sind.
Eine Aperturstruktur 60 ist zwischen dem einfallenden Strahl 62 und dem Gitter 13 positioniert. Die Aperturstruktur 60 besitzt zwei separate Aperturen 64 und 66, die den einfallenden Strahl 62 in zwei separate und gesonderte Strahlen 66 und 68 aufspaltet, wobei der Abstand zwischen den Strahlen 66 und 68 geringfügig größer als die Breite des Detektors 25 ist. Bei einer derartigen Konfiguration wird auf den Detektor 25 keine Null-Ordnung einfallen.
Vorzugsweise sind die Aperturen angepasst. Das heißt, dass die Kanten der Apertur so modifiziert sind, dass sich graduelle, im Gegensatz zu abrupten Übergängen zwischen lichtundurchlässig und transparent ergeben, um unerwünschte Interferenz zwischen der kantenproduzierten Beugung und der gewünschten plus und minus Beugungsordnungen zu reduzieren.
Wie man 5 entnimmt, interferiert die negative erste Ordnung 70 aus dem Strahl 68 mit der positiven ersten Ordnung 72 aus Strahl 66 in dem Eigen-Bereich 73. Wenn der Detektor innerhalb des Eigen-Bereichs 73 positioniert ist, kann die Relativbewegung zwischen dem Gitter 13 und dem Detektor 25 gemessen werden.
Ein Vorteil der Zweistrahlausführungsform besteht darin, dass sie eine totale Unterdrückung der nullten Ordnung ermöglicht. Die Zweistrahlausführungsform ist eine Alternative zur Verwendung eines Phasengitters zur Unterdrückung der nullten Ordnung, und kann in Verbindung mit einem derartigen Phasengitter verwendet werden, um die vollständige Unterdrückung der nullten Ordnung sicher zu stellen.
Einer der Vorteile des Zweistrahlkonzepts besteht weiterhin darin, dass ein breiterer Strahl verwendet wird. Da die aufgeteilten Strahle um die Breite des Detektors voneinander getrennt sind, werden sie typischerweise in Strahlen erster Ordnung resultieren, die weiter beabstandet sind, als bei der Einstrahlausführungsform. Dies bedeutet, dass der Bereich der Eigenfrequenz zwischen den Strahlen erster Ordnung um einen größeren Abstand vom Gitter beabstandet ist als bei der Einstrahlausführungsform. Weiter wird die Größe der Vorrichtung größer. Natürlich kann ein Gitter mit einer kleineren Periode zur Erhöhung der Beugungswinkel verwendet werden, wodurch der Eigeninterferenzbereich näher am Gitter auftritt. In einem derartigen Fall muss die Auflösung des Detektors verhältnismäßig erhöht werden.
Zweistrahlausführungsform mit bibinären Sammellinsen
Eine binäre Sammellinse 74 kann anstelle der Aperturstruktur 60 zur Aufspaltung des Strahles eingesetzt werden. Eine binäre Sammellinse ist eine attraktive Alternative, da nahezu das gesamte einfallende Licht verwendet werden kann. Dagegen wird bei einer Apertur nur das durch die Apertur gehende Licht verwendet, während der Rest entfällt. Binäre Sammellinsen können so ausgelegt werden, dass sie ein einziges optisches Element bilden, ein Kolimations-Intensitätsprofil, glatte, angepasste und Wellenfrontkompensation besitzen.
Gemäß 6 ist eine binäre Sammellinse 74 ein optisches Beugungselement, welches eine Strahlformung und Kolimation des Ausgangs aus einer Laserquelle wie etwa einem Halbleiterlaser 15 liefert. 6 ist eine perspektivische Darstellung einer binären Sammellinse 74, die vier separate Strahlen liefert: Strahlen 76 und 78 als Messstrahlen, die auf das Gitter 13 fallen sollen und Strahlen 80 und 82 zum Indexen.
Arbeitsprototyp–reflektive Ausführungsform (w/o WFC)
Anhand der 7 bis 13 wird ein erfindungsgemäßer Arbeitsprototyp erläutert, der ohne Wellenfrontkorrektur arbeitet. Wellenfrontkorrektur-Ausführungsformen der Erfindung werden weiter unten erläutert.
7 zeigt gültige Parameter für das Gitter, die Beugungswinkel, und den Eigeninterferenzbereich für diesen Prototyp. Wie bei Fig. 2 ist die nullte Ordnung durch das Bezugszeichen 31 angedeutet, die positive erste Ordnung und die negative erste Ordnung durch die Bezugszeichen 33 und 35 und die positive und negative dritte Ordnung durch die Bezugszeichen 41 und 43. Der schraffierte Bereich 90 zeigt den Anteil des Bereichs von Eigeninterferenz zwischen der positiven und der negativen ersten Ordnung 33 und 35, der frei von Interferenzen dritter Ordnung ist.
Gemäß 7 beträgt die Arbeitswellenlänge λ 785 nm, und die Periode P des Gitters 13 beträgt 20μm. Dies führt zu einem Beugungswinkel Θ erster Ordnung von 2,25° und einem Beugungswinkel ψ zweiter Ordnung von 6,76°. Die Fleckbreite betragt 1,5 mm.
Folglich erstreckt sich der Bereich 90 von einer Stelle 6,33 mm vom Gitter 13 bis zu einer Stelle 19,09 mm vom Gitter 13. Das bedeutet, dass die Eigeninterferenz erster Ordnung bei der Stelle 19,09 mm vom Gitter und die Eigeninterferenz dritter Ordnung an der Stelle 6,33 mm vom Gitter enden. Die optimale Detektorstelle in dem Arbeitsprototyp wurde zu 10,58 mm vom Gitter bestimmt.
Gitter 13
Wie sich weiterhin aus 7 ergibt, liegt ein Reflexionsgitter vor, das auf der entfernten Seite der Stützstruktur 14 positioniert ist. Dieses letztgenannte Merkmal dient zum Schutz des Gitters gegenüber Schäden vom Kopf 92 und reduziert weiterhin die räumlichen Gesamtdimensionen des Prototyps einschließlich des Trägersubstrats 14 im optischen Weg der verschiedenen Strahlen. Typischerweise ist die Stützstruktur 14 aus Glas gebildet.
Das Reflexionsgitter 13 hat eine Periode von 20 μm und eine Stufentiefe von λ/4 oder 0,196 μm. In der praktischen Ausführungsform kann das Gitter 13 durch Innenstrahlen, gestempelt oder durch Eindrücken eines Gitter-Masters in ein nachgiebiges Material gewonnen werden oder durch Guss-Wiedergabe oder durch Verwendung eines Fotowiderstandes mit Präzisionsstärke erhalten werden. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht eine kostengünstige Alternative in einer Herstellung des Gitters durch ein Verfahren, das von der American Bank Note Holographics aus Elmsford, New York, USA angeboten wird.
Präzisions-Schichtfotowiederstände können ebenfalls zur Bildung von Beugungsgittern herangezogen werden, die zum Zwecke der Erfindung geeignet sind. Beispielsweise wird zur Bildung eines Gitters gemäß 7 ein Fotowiderstand zunächst präzisionsbeschichtet auf der Rückseite des Substrats 14 zu einer Tiefe, die der gewünschten Stufentiefe, beispielsweise 0,356 μm entspricht. Das Substrat kann ein Glasmaterial sein. Der Fotowiderstand wird dann in Druckkontakt mit einer Maske gebracht, die das gewünschte Gittermuster erzeugt. Der Fotowiderstand wird dann zur Entfernung der nicht belichteten Flächen weiterverarbeitet, so dass ein Fotowiderstand-Muster mit der gewünschten Stufentiefe verbleibt.
Eine Stufentiefe von 0,356μm wird bevorzugt ausgewahlt, um eine Unterdrückung der nullten Ordnung zu erhalten. Der benutzte Fotowiderstand besitzt einen Brechungsindex von 1,64, so dass die Wellenlänge in dem Medium auf 0,467 μm reduziert ist. Da λ/4 für diese Wellenlänge zu dünn ist, um praktisch auf Glas aufgebracht zu werden, kann die gleiche Unterdrückung der nullten Ordnung erreicht werden durch Herstellen einer Tiefe von 3λ/4 oder 0,356 μm.
Danach wird der Fotowiderstand eingekapselt. Für ein Reflexionsgitter besteht die Kapselung vorzugsweise aus Aluminium. Für Durchlassgitter besteht die Verkapselung vorzugsweise aus einer entspiegelten Schicht von Magnesiumfluorid, die beispielsweise eine Stärke von ?/4 besitzt. Vorzugsweise wird das Verkapseln bei einer Temperatur ausgeführt, die nicht größer ist als die Hartbacktemperatur des Fotowiderstandes um eine Beschädigung des Fotowiderstandsgitters zu vermeiden.
Eine weitere Verkapselung kann durch eine zweite Platte gebildet sein, die mit dem Substrat 14 ein Sandwich bildet, in dessen Mitte sich der Fotowiderstand befindet. Das Sandwich wird um die Ecken herum hermetisch abgedichtet.
Es ist klar, dass entweder positive oder negative Fotowiderstände für die Zwecke der Erfindung verwendet werden können.
Die gestrichelte Linie 16 stellt das Interface zwischen dem Substrat 14 und dem Gitter 13 für Gitter dar, die durch Gießen repliziert worden sind. Man bemerke, dass die Stärke eines solchen Gitters 13 zwischen 10 und 20 μm liegt, um die Welligkeit des Substrats 14 zu ermöglichen. Das Interface ist eine vollbenetzte Oberfläche und der Brechungsindex des Substrats und des Gitters sind nahezu gleich. Gitter 13, die durch ein Präzisions-Fotowiderstand oder durch Ionenbestrahlung gewonnen worden sind, werden ein derartiges Interface 16 nicht besitzen.
Kopf 92:
Mit Bezugnahme auf die 8A, 8B, 8C, 8D und 8E wird jetzt eine reflektive Arbeitsprototyp-Ausführungsform im einzelnen beschrieben. Ein Kopf 92 trägt eine Laserdiode 15, eine Kollimatorlinse 17, einen Spiegel 19, einen Detektor 25 und eine Verarbeitungselektronik 106.
Wie bei 1 läuft ein Parallellichtstrahl 29 von der Laserdiode 15 zu Beginn in einer Richtung parallel zum. Gitter 13. Der Spiegel 19 dient zur Ablenkung des Parallelstrahls 29, so dass er auf das Gitter 13 unter dem richtigen Winkel, vorzugsweise unter einem rechten Winkel in der in 8B angegebenen X-Y Ebene einfällt. Gemäß 8B ist der Spiegel 19 relativ zur Y-Achse um etwa 45° geneigt, so dass der ankommende Parallellichtstrahl 29 das Gitter 13 bezüglich der X-Achse ungefähr unter 90° trifft.
Nach Verlassen des Spiegels 19 läuft der Parallellichtstrahl 29 durch ein Fenster 94, das vom Kopf 92 getragen ist. Der Parallellichtstrahl 29 läuft dann durch das Substrat 14 auf die entfernte Fläche 96 zu, an der das Gittermuster 13 lokalisiert ist.
In der Arbeitsprototyp-Ausführungsform wird eine gestufte Gitterstruktur verwendet, wobei die Tiefe der Stufe bei λ/4 liegt, um die nullte Ordnung in Reflektion zu unterdrücken. Die positive und negative erste Ordnung werden somit über den Spiegel 19 zurück zum Detektor 25 reflektiert.
Gemäß 8B ist der Spiegel 19 leicht, d. h. etwa um 5° relativ zur X-Achse geneigt. Dies ermöglicht, dass die Eigeninterferenz und damit der Detektor 25 an einer Stelle außerhalb des Weges des Parallelstrahlbündels 29 positioniert werden kann. Dies ergibt sich deutlicher aus 8C, in welcher die Apertur 98 um einen kurzen Abstand unterhalb des Detektors 25 beabstandet dargestellt ist. Die Apertur 98 formt den Parallellichtstrahl 29, nach dem er aus der Kollimatorlinse 17 auf seinem Weg zum Spiegel 19 hervorgegangen ist.
Die Neigung des Spiegels 19 und der Weg 100 der Eigeninterferenz können deutlicher aus 8E entnommen werden. Der Weg des einfallenden Parallellichtstrahl 29 und der Weg 100 der Eigeninterferenz zwischen Spiegel 19 und Gitter 13 liegen beide innerhalb der Y-Z Ebene, innerhalb welcher sie relativ zueinander geneigt sind.
Anders als in 1 ist der Detektor 25 des Arbeitsprototyps gemäß 8A-8E auf der Laserdiodenseite des Spiegels 19 positioniert. Jedoch lenkt der Spiegel 19 nur den Weg 100 der Eigeninterferenz zwischen der positiven und negativen ersten Ordnung ab und verändert nicht die relativen Ausbreitungsrichtungen zwischen der positiven und negativen ersten Ordnung 33 bzw. 35.
Gemäß 8B und 8E zeigt der Kopf 92 eine tubusförmige Struktur 102, welche die Laserdiode 15 an einem Ende und die Kollimatorlinse 17 am gegenüber liegenden Ende tragt. Die tubusförmige Struktur 102 trägt weiterhin eine Flexschaltung 104, die ihrerseits den Detektor 25 hält, sowie die Verarbeitungselektronik 106, die für die Spannungsversorgung für die Laserdiode 15 sorgt.
Alternative Kopfgestaltung:
9 zeigt eine alternative Gestaltung für eine reflektive Ausführungsform der Erfindung. Eine Wellenfrontkorrekturstruktur (WFC) ist in 9 nicht angegeben, jedoch versteht es sich, dass eine solche Struktur leicht hinzu gefügt werden kann, und zwar ohne wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung. Gemäß 9 ist die Spiegelanordnung 99 durch eine nach oben weisende Öffnung in dem Gehäuse angeordnet und umfasst zwei Spiegel 101 und 103. Der Spiegel 101 nimmt den geformten Parallellichtstrahl aus der Apertur 98 auf und richtet den Strahl durch die Öffnung 105 auf das nicht dargestellte Gitter. Die sich ergebenden Beugungsstrahlen werden von Spiegel 103 so abgelenkt, dass die Eigeninterferenzstreifen auf den Detektor 25 durch die Öffnung 107 gerichtet sind.
Es ist leicht zu erkennen, das die Ausführungsformen gemäß 8A bis 8E und 9 in die transmissive Form dadurch umgewandelt werden können, dass auf der gegenüberliegenden Seite des Gitters positioniert wird und dass das Gitter 13 so konstruiert wird, dass es in Transmission statt in Reflektion arbeitet.
Arbeitsprototyp ..Transmissiv (w/o WFC)
Ehe die Merkmale des Arbeitsprototyps gem. 8A–8E im einzelnen beschreiben werden, wird kurz auf einen zweiten Arbeitsprototyp im Zusammenhang mit 10 bezug genommen. Der Arbeitsprototyp aus 10 ist eine transmissive Ausführungsform der Erfindung. Das Gitter 13A hat ein Stufenprofil, das ähnlich demjenigen aus 3 ist, wobei jedoch die Stufentiefe so gewählt ist, dass das Gitter 13A in Transmission mit einer Phasenverzögerung von λ/2 arbeiten kann, d. h. einer Tiefe von 0,39 μm für eine Arbeitswellenlänge von 785 nm. Daher wird das Licht aus der Laserdiode 15 durch die Sammellinse (Kollimatorlinse) 17 parallel gemacht, gelangt dann durch die Apertur 98 und dann auf das Gitter 13A. Hier erzeugt das Gitterprofil die positive und negative erste Ordnung, die miteinander interferieren. Diese Eigeninterferenz ist durch das Bezugszeichen 108 bezeichnet und tritt in dem Bereich zwischen der Seite 96A des Gitters 13A und dem Detektor 110 auf.
Wie bei der Reflektions-Ausführungsform der Erfindung nach 8A bis 8E besitzt das Gitter 13A ein Stufenprofil auf der Seite 96A, nämlich auf der der Laserdiode 15 gegenüber liegenden Seite.
Ein Spiegel 106 dient zur Ablenkung der Eigeninterferenz 108, so dass sie einen Weg parallel zur Achse des Gitters 13A nimmt. Der Detektor 110 ist längs dieses parallelen Weges und innerhalb des Bereichs der Eigeninterferenz zwischen der positiven und negativen ersten Ordnung positioniert.
Die gleiche Flexschaltung 104 wie in der Ausführungsform nach 8A-8E kann zum Halten des Detektors 110 und der Verarbeitungselektronik 106 in der transmissiven Version von 10 verwendet werden. Man bemerke jedoch, dass derjenige Teil der Flexschaltung 104, der den Detektor 110 trägt, um einen Winkel von 90° zur Oberfläche des restlichen Teils der Flexschaltung gefaltet ist. Bei 8E jedoch ist der den Detektor tragende Abschnitt um ein Winkel von 270° abgefaltet. Diese Doppelnutzen Gestaltung trägt zum Senken von der Herstellungskosten der transmissiven und reflektiven Ausführungsformen der Erfindung bei.
Eine Alternative zur Gestaltung der Flexschaltung gemäß 10 besteht in einer Zusammenfassung des Detektors und der Verarbeitungselektronik in hybrider Form in einer keramischen Packung. Dies reduziert den für den Detektor und die Verarbeitungselektronik erforderlichen Raum und vereinfacht den Zusammenbau des Kopfes.
Für den Deektor in der transmissiven Ausführungsform gemäß 10 wird das Bezugszeichen 110 benutzt, da diese Ausführungsform typischerweise mit einem Dreh-Kodierer verwendet wird. Der Detektor 110 als solcher kann zu einer solchen Kurve geformt sein, die in gebogenen Effekten entspricht, die sich aus der Rotationscharakteristik des Gitters 13A ergeben.
Alternativ kann die gleiche lineare Detektorreihe wie oben beschrieben auch mit einem Dreh-Kodierer eingesetzt werden, wenn eine Wellenfrontkorrekturstruktur vor dem Gitter 13A benutzt wird, um das durch das Gitter 13A in den erzeugten Beugungsordnungen bewirkte Verdrehen zu kompensieren. Derartige Wellenfrontkorrekturstrukturen werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben.
Detektor:
In den verschiedenen Arbeitsprototyp-Ausführungsformen der Erfindung wird ein Mehrphasendetektor verwendet, der mehrere parallele, langgestreckte, interdigitalisierte Dektektorsegmente aufweist. Diese Segmente sind von einander um den gleichen Betrag beabstandet, wobei jede Gruppe von vier aufeinander folgenden Segmenten einen separaten Detektor repräsentiert. Wenn somit acht Segmente verwendet werden, ergeben sich zwei Detektorquadranten, von denen der erste durch die ersten vier Segmente und der zweite Quadrant durch die verbleibenden vier Segmente repräsentiert werden.
Innerhalb eines Quadranten liefert jedes Segment ein Signal, dessen Phase von derjenigen der Signale aus den anderen Segmenten innerhalb des Quadranten verschieden ist. In der üblichen Verwendungsweise solcher Quadranten-Detektoren entspricht die räumliche Breite des Quadranten einem Zyklus des zu erfassenden Signals. Daher wird das erste Segment in dem Quadranten ein Signal liefern, das um 90° demjenigen des zweiten Segments voraus eilt, und das zweite Segment wird seinerseits ein Signal liefern, was um 90° demjenigen aus dem dritten Segment voraus eilt, usw.
Wenn mehrfache Quadranten verwendet werden, werden entsprechende Segmente in jedem Quadranten miteinander verbunden. Wenn somit beispielsweise acht Quadranten verkettet werden, werden die ersten Segmente in jedem der Quadranten miteinander verbunden, die zweiten Segmente in jedem der Quadranten miteinander verbunden usw., um vier Summensignale zu liefern: 1) eine erste Segmentensummation; 2) eine zweiten Segmentensummation; 3) eine dritte Segmentensummation; und 4) eine vierte Segmentensummation. Ein etwaiger Gleichstromversatz kann durch Subtrahieren des dritten Segmentensummationsignals vom ersten Segmentensummationsignal und durch Subtrahieren des vierten Segmentensummationsignals von zweiten Segmentensummationsignal eliminiert werden, wodurch die Sinus- und Kosinus-Signale in Quadratur geliefert werden.
Prime X Detektor Abstand:
Lithographische Prozessbeschrankungen bewirken eine praktische Grenze dafür, wie nahe die Segmente des Detektors 25 gemacht werden können, und daher für die kleinste Periode, die von einem Quadranten der Detektorsegmente aufgenommen werden kann. Eine hier als „Prime X Methodology" genanntes Verfahren erlaubt die Verwendung grober Detektoren mit relativ feinen Gitterstrukturen. Entsprechend der Prime X Methodology wird die Periode jedes Detektorsegments (einschließlich beider aktiven und inaktiven Teile) so gewählt, dass sie 270° des zu erfassenden Interferenzstreifenmusters überspannt. Auf diese Weise erfassen vier aufeinander folgende Detektorsegmente drei Interferenzstreifenperioden und liefern um 270° getrennte Signale. Die zusätzlichen 180° Phase können unbeachtet bleiben und die Signale können in genau der gleichen Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen Detektors summiert werden. Diese 180° Phasenverschiebung bedeutet schlicht und einfach, dass Sinus und Kosinus vertauscht sind und dass die Richtung der Signale aus dem Detektor entgegengesetzt zu jener der eines 90° Phasenverschiebungsdetektors ist.
Mit dem oben beschriebenen Prime X Verfahren kann die Periode des Modulationsmusters dreimal so groß sein wie jede des Detektormusters. Der gleiche Effekt wird mit einem 5X und 7X Streifen-Detektorabstand erreicht, was zu Phasenverschiebungen von 450° bzw. 630° zwischen benachbarten Detektoren führt.
Ein Nachteil eines derartigen Konzepts besteht darin, dass die erhaltenen Signalmodulationspegel niedriger sind, weil von jedem Detektorsegment eine derart große Menge an Phasen erfasst wird. Während geeignetes Maskieren der Detektorsegmente die erhaltende Modulation erhöhen kann, erhöht das Maskieren die Komplexität, reduziert die Ausbeute bei der Detektorherstellung und reduziert die Menge an für den Detektor verwendbarem einfallenden Licht, wodurch die Bandbreite begrenzt wird.
Detektor IC:
Anhand der 11A und 11B wird jetzt der Detektor 25 gemäß der Erfindung im einzelnen beschrieben. Der Detektor 25 wird vorteilhafterweise als integrierte Schaltung (IC) ausgeführt. Daher zeigt 11A den Detektor 25 auf einem Halbleitersubstrat mit Indexsegmenten 118.
Gemäß 11B sind die den Detektor 25 bildenden Detektorsegmente 112 vergrößert dargestellt. Der Detektor 25 ist zweckmäßig aus einer Reihe von langgestreckten aktiven Regionen 120 gebildet, die durch unaktive Regionen 122 separiert sind. An jedem Ende der Reihe sind langgestreckte aktive Segmente 121 angeordnet, die nicht verwendet werden. Diese werden blinde Segmente genannt und dienen zur Kompensation für Leckageeffekte an den Enden der Reihe.
Gemäß 11B ist jedes vierte Segment mit einer Metallspur verbunden. Diese summiert die Signale aus jedem dieser verbundenen Segmente auf. Diese Verbindung erzeugt Phasenschiebersignale, die über einen Bereich zur räumlichen Mittelung summiert werden.
Somit ist die Spur 124 mit jedem der langgestreckten Segmente 120-A verbunden und liefert ein Signal AS. In ähnlicher Weise sind die Segmente 120-B miteinander durch die Spur 126 verbunden, so dass ein Signal BS auf Spur 126 erzeugt wird. In der bevorzugten Ausführungsform werden eine Wellenfrontkorrekturstruktur und die Periode des Gitters 13 so gewählt, dass die von den Interferenzen der positiven und negativen ersten Ordnung erzeugte Modulation eine 30 μm Periode besitzt, und die langgestreckten Segmente 120 gemäß 11B in Quadranten von jeweils 30 μm Weite angeordnet sind. In dem gegenwärtigen Arbeitsprototypen beträgt die Periode der Detektorsegmente 120 vorzugsweise 7,5 μm. Die Gitterperiode beträgt 10 μm und die Wellenfrontkorrekturstruktur gemäß 18, 19A, 19B oder 19C dient dazu, die Eigeninterferenz zwischen der positiven und negativen ersten Ordnung mit einer Periode von 30 μm zu liefern. Innerhalb jedes Detektorsegment-Zyklus eines Quadranten ist der aktive Teil 120 vorzugsweise 2,5 μm breit und der inaktive Teil hat 5,0 μm Breite. Die Länge jedes Segments 120 beträgt ungefähr 400 μm.
Detektormaskierung
Das Maskieren kann eingesetzt werden, um Licht aus der Fotodetektorreihe 25 auszublenden. Diese Maskierung zeigt 11B als engschraffierte Bereiche 128 zwischen den aktiven Segmenten 120, und in 11A durch den weitschraffierten Bereich, der den Detektor 25 und die Indexsegmente 118 umgibt.
Das Maskieren der Fläche um den Detektor herum kann dazu beitragen, die von dem Detektor erhaltbaren Modulationspegel zu verbessern, weil sich erwiesen hat, dass ein derartiges Maskieren zur Steuerung der von den Detektorsegmenten eingefangenen Phasenmenge wirksam ist. Obgleich die Bereiche zwischen den aktiven Segmenten 120 der Detektorreihe 25 „inaktiv" genannt werden, werden wenigstens 80% des auf den inaktiven Bereich fallenden Lichtes ein Elektronen-Loch-Paar freisetzen, das zu einem „aktiven" Bereich wandern und zum Ausgangssignal beitragen wird.
Die in 11C dargestellte Kurve zeigt die Beziehung zwischen der von einem Detektorsegment eingefangenen Phasenmenge, der resultierenden Modulation und den Signal- oder Intensitätsspitzen und -minima. Der optimale Phaseneinfang für die maximale Modulation beträgt 0°, jedoch wird die entsprechende Signalstärke Null sein. Für maximale Signalstärke ist der optimale Phaseneinfang 180°. Wenn mehr als 180° eingefangen werden, werden sowohl das Signal wie auch die Modulation reduziert, bis nur ein Gleichspannungssignal (bei 360° Phaseneinfang) festgestellt wird. Ein unmaskierter Detektor fängt exakt 90° Phase in einer konventionellen Quadrantenkonfiguration ein, die oben beschrieben worden ist, so dass die erreichbare Modulation etwa 85% beträgt. Ein gemäß 11B maskierter Detektor fängt etwa 45° Phase für einen Modulationspegel von etwa 95% des Maximums ein.
Wenn eine Prime-X-Konfiguration verwendet wird, wird eine unmaskierte Detektorzelle 270° Phase sehen und ein sehr schwach moduliertes Signal erzeugen. Der in dem Arbeitsprototypen verwendete Detektor benutzt das Prime-X-Verfahren mit einer Maske, die etwa 50% der Detektorfläche abdeckt, um die eingefangene Phase auf etwa 126° zu beschränken. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Bereich zwischen den aktiven Segmenten 120 so gebildet, dass er einen hohen Widerstand besitzt und so vorgespannt ist, dass das Übersprechen von einem Segment zum anderen minimiert ist. Die Verwendung eines hohen Widerstandmaterials erhöht die Durchbruchspannungen der Verbindungen.
Aufgrund der Lichtempfindlichkeit der isolierenden Bereiche um die aktiven Segmente 120 des Detektors zeigen die Endsegmente größere Empfindlichkeit als die inneren Segmente. Dies bewirkt eine Erhöhung der Signalpegel in den A und D Kanälen. Wenn die äußeren Segmente in der gleichen Weise maskiert werden wie die inneren Segmente, würden sie reduzierte Empfindlichkeit zeigen, weil Stromleckagen von den äußeren Segmenten größer sein würden als von denen im inneren der Reihe. Mit einer maskierten Blindzelle, die zu jedem Ende der Reihe hinzugefügt wird, ergibt sich eine gewisse Reduzierung der Leckageeffekte. In dem Detektor des Arbeitsprototyps wurden Blindzellen hinzugefügt, jedoch unmaskiert gelassen. Weiterhin wurde die Verstärkung auf den A und D Kanälen um 2,6% über diejenige der B und C Kanäle angehoben.
Eine andere Variante des erfindungsgemäßen Detektors besteht in der Variierung der Größe des Maskierens um die aktiven Segmente 120 herum an jedem Ende der Reihe anstelle der Verwendung von Blindsegmenten 121.
Raumfilter
Ein weiterer Vorteil der Phasenfeldkonfiguration des im Arbeitsprototypen gemäß der Erfindung verwendeten Detektors besteht in der Entfernung der Komponenten nullter Ordnung aus der Eigeninterferenz zwischen den ersten und zweiten Beugungsordnungen. Wenn ein Detektor 25 ein mehrphasiger hinterdigitalisierter Detektor ist, kann sein Periodizität so gewählt werden, dass die Effekte nullter Ordnung reduziert sind. 11D erläutert das Raumfiltern, welches durch die Phasenfeldkonfiguration des Detektors erreicht worden ist. Derartige Ergebnisse wurden erhalten, wenn die Phase des Detektors und die Interferenzstreifen exakt passen. Das Einfangen von 180° wird alle Harmonischen höherer Ordnung unterdrücken, die ganzzahlige Vielfache der primären Ordnung sind.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dienen Wellenfrontkorrekturen dazu, die nullte Ordnung vom Detektor 25 wegzulenken. Andere Ausführungsformen können es jedoch erlauben, dass einige Komponenten nullter Ordnung auf den Detektor fallen, so dass dann Raumfiltern durch das gephase Feld zum Reduzieren von Effekten nullter Ordnung auf dem Detektor beitragen kann.
12A und 12B zeigen das Flexkabel 104, ehe es gebogen und am Kopf 92 installiert worden ist. Der Abschnitt 132 trägt die Apertur 98 und den Detektor 25. Der Abschnitt 134 trägt die Verarbeitungselektronik 106. Der Abschnitt 136 liefert elektrische Spannung für die Laserdiode 25 und schließlich liefert Abschnitt 138 die elektrischen Leiter zur Herbeischaffung von Strom und Signalen. 12B zeigt diejenige Weise, in der ein Abschnitt 132 und 134 von dem Substrat 140 und 142 getragen wird. Diese sind vorzugsweise als gedruckte Schaltungsplatinenmaterial wie etwa FR4 Epoxy ausgeführt und sorgen für die strukturelle Festigkeit für das Flexkabel 104.
Anhand von 13 wird die Verarbeitungselektronik im einzelnen beschrieben. Die linke Seite der Figur zeigt, in welcher Weise die einzelnen langgestreckten Segmente aus dem Detektor 25 ineinander zur Lieferung der Summensignale AS, BS, CS und DS verbunden sind. Jedes dieser Signale wird einem Vorverstärker 144 zugeführt, der das Signal konditioniert und verstärkt.
Differenzverstärker 143 nehmen die Differenz zwischen den Signalen CS und AS und zwischen den Signalen DS und BS auf, um Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen. Diese Sinus- und Kosinussignale werden anschließend einem Interpolierer 146, der auf einem Digitalsignal-Prozessor (DSP) basiert oder einem Interpolationschip zugeführt, welches eine Interpolation auf den Signalen vornimmt. Für hohe Endinterpolation kann das DSP-Chip ein Analog-Devices ADSP 2100 Series DSP Chip sein, oder für eine Interpolation mittleren Bereichs kann es ein 40X-Interpolator Chip sein, das in Produkten der Computer Products Division der Anmelderin verwendet wird. Schließlich kann das Vearbeiten von 4 X Quadratur-Ausgängen durch Verwendung eines Quadratur-Chips mit der Nummer ET 9580, hergestellt von der East Texas Integrated Circuits, Dallas, Texas, erreicht werden.
13 zeigt weiterhin die Komponenten, die auf der Hybridschaltung 147 in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lokalisiert sind. Dies umfasst das Detektorchip 25 sowie die Vorverstärker 144 und 145. Die Vorverstärker 145 dienen der Konditionierung von Signalen aus den Index-Detektorsegmenten 118 (IA und IB) und zum Bereitstellen von Ausgängen „Index A" und „Index B". Die Vorverstärker 144 und 145 können Bauteile TLC 272C der Texas Instruments; Dallas, Texas, sein. Schließlich sei bemerkt, dass die Hybridschaltung 147 einen Substratvorspannungseingang zur Verwendung im Aufbringen von Vorspannungssignalen auf das Detektorchip 25 wie bereits erläutert, zur Reduzierung des Übersprechens umfasst.
Differenzverstärker 143 sind auf einer analogen Platine zusammen mit einer Indexschaltung lokalisiert, die ein Indexsignal erzeugt, das auf dem Index A, Index B, AS, BS, CS und DS Signalen aus den Vorverstärkern 144 und 145 basiert. Weiter ist auf der Analogplatine ein Vorspannungsregulator angeordnet, der das Substratvorspannungssignal für das Detektorchip 25 erzeugt. Schließlich umfasst die Analogplatine auch einen üblichen Lasertreiber, eine übliche Pulsschaltung, um den abgegebenen Laserausgang unter Klasse 1 Pegel falls nötig zu halten, sowie konventionelle Plus oder Minus 5V Regelschaltung.
Beugungszonenlinse für Index
Erfindungsgemäß wird ein Indeximpuls unter Verwendung einer binären Zonenlinse erzeugt, die Licht auf einen Streifen von 20 μm Breite und über eine Tiefe von ± 0,5mm fokussiert. Zwei Detektoren 118, Fig. 11A, dienen dazu, den Indexpuls zu gattern. Man vergleiche 13 und die Verstärker 145. Die 14 zeigt den Querschnitt einer Zonenlinse, die in einem Glassubstrat gebildet ist, welches zur Verwendung für die Erzeugung von 20 μm Streifen geeignet ist. Diese Zonenlinse ist in dem Gitter 13 über dem primären Referenzgitter bei der Herstellung ausgebildet. Parallelstrahlbündel 29 überfüllt das Gitter und fällt auf die Zonenlinse, die oberhalb und/oder unterhalb dem primären Referenzgitter lokalisiert sein kann. Die Zonenlinse fokussiert das Licht in einen 20 μm Streifen und fällt auf die Indexdetektorzellen 118 des Detektors 25.
Gemäß 14 entsprechen die Dimensionen den Positionen jedes Übergangs an der radialen Mitte jedes binären Indexes, wenn die Linse mit radialen Gitterstrichen verwendet wird, so dass die Linien radial, nicht linear verlaufen. Wenn die Beugungszonenlinse in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, in welcher Wellenfrontkorrektur vorgesehen ist, um das Parallellicht zur Verwendung mit einem radialen Gitter vorzukompensieren, sollte die Zonenlinse die Notwendigkeit berücksichtigen, die Vorkompensation zu entwirren. Die Wellenfrontkompensationsstruktur kann so ausgebildet sein, dass sie den Bereich der Zonenlinse ausschließt, so dass normal einfallendes Licht auf die Zonenlinse fällt. Alternativ kann die Zonenlinse so ausgelegt sein, dass sie die beiden Strahlen aus der Wellenfrontkompensationsstruktur aufnimmt.
Angepasste Aperturen
Wie bereits erläutert, werden Aperturen gelegentlich zur Formung der Lichtstrahlen benutzt, um die Form des Strahles klar zu definieren. Aufgrund der benutzten Wellenlänge des Lichtes und der Größe der erfindungsgemäß verwendeten Aperturen kann eine Kantenbeugung das dem Detektor 25 angebotene optische Signal schwerwiegend beeinträchtigen und kann weiterhin die Ausrichtungstoleranzen reduzieren. Durch weichmachende Kanten der Apertur mit einem variierenden Muster, wie etwa einem Punktmuster konnten die, so hat sich erwiesen, Kantenbeugungseffekte reduziert werden. 15A erläutert eine Apertur 230 und einen angepassten Bereich 232, der längs der Kanten der Apertur ausgebildet ist, einschließlich der Ecken. Für Aperturen der Abmessungen im Bereich von 1000 bis 2000 μm sollte der angepasste Bereich etwa 100 μm Breite besitzen.
15B erläutert die Art und Weise, in welcher ein Punktmuster zur Schaffung eines glatten Übergangs von lichtundurchlässig zu klar verwendet werden kann. Bei Annäherung an die Aperturkante nimmt entweder der Durchmesser der Punkte ab und/oder die Dichte der Punkte wird kleiner. Vorzugsweise sollte der Übergang in der Transmission durch die Anpassung einer Sinusquadratfunktion folgen. Alternativ kann eine Supergauss-Funktion verwendet werden.
Polarisierender Strahlteiler
16 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform benutzt einen polarisierenden Strahlteiler 148 und einen λ/4 Verzögerer 152, um den Strahl 150 längs eines Pfades zu lenken, der normal zum Gitter verläuft. Dies wird wie folgt erreicht: Der Parallelstrahlbündel 150 wird nach seinem Austritt aus der Laserdiode linear polarisiert. Die Laserdiode wird auf eine Polarisationsebene orientiert, die senkrecht zur Papierebene der 16 liegt. Aufgrund dieser Polarisation reflektiert der Strahlteiler 148 nahezu alle Energie durch den λ/4 Verzögerer 152, der die Polarisation in eine zirkulare Form transformiert. Der Strahl setzt sich zum Gitter 13 fort, auf welches er mit einem Winkel von 0° auffällt. Die Beugungsstrahlen erster Ordnung laufen durch den Verzögerer zurück, in welchem das Licht zurück in eine linear polarisierte Form umgesetzt wird, wobei jedoch der Polarisationswinkel orthogonal zu demjenigen des ausgehenden Strahls steht. Aufgrund dieser Drehung und Polarisation läuft nahezu alle Energie durch den Strahlteiler und auf den Detektor 25. Die Weglängen sind so gewählt, dass die Eigeninterferenz erster Ordnung auf den Detektor fällt. Dieses Verfahren bietet zwei Hauptvorteile. Der senkrechte Einfall auf das Gitter minimiert die Empfindlichkeit gegen Gitterauslauf und der Detektor kann mit seinen aktiven Elementen senkrecht zu den Gitterlinien ausgerichtet werden im Gegensatz zur Forderung einer Detektordrehung um 5° in anderen Ausführungsformen. Weiterhin bestehen fertigungstechnische Vorteile für den polarisierenden Strahlteiler, da alle Flächen orthogonal oder unter einem Winkel von 45° hergestellt werden können, was die Anzahl von Maschineneinstellungen bei der Herstellung des die Komponenten tragenden Gehäuses reduziert.
Wellenfronkorrektur
Wenn die Periode des Gitters 13A abnimmt, besteht eine praktische Erwägung in Anbetracht der Gestaltung entsprechend der Erfindung darin, die Verfügbarkeit und die Kosten mehrphasiger Detektoren, deren Perioden klein genug sind, um die Streifen aufzunehmen, die durch die kleinere Gitterperiode erzeugt werden, zu berücksichtigen. Wie bereits erörtert, haben die Interferenzstreifen, die durch das Gitter 13A erzeugt werden, typischerweise eine Periode, die die Hälfte derjenigen des Gitters 13A beträgt. Wenn die Gitterperiode reduziert wird, beginnen die praktischen Grenzen der Detektorherstellung die Kosten und das Betriebsverhalten des Systems zu beeinflussen. Daher ist es erwünscht, eine Systemarchitektur zu gewinnen, die für eine große Verschiedenheit von Anwendungsfällen und einen weiten Bereich von Gitterperioden geeignet ist, und in welcher die Detektorgestaltung festliegt und eine Periode benutzt, die nicht an die Grenzen der Detektorherstellung anstößt.
Es ist ferner zu bedenken, dass die Feststellung der Interferenzstreifen aus einem radialen Gitter mit einer linearen Detektorreihe schwierig ist. Dies deshalb, weil die von einem radialen Gitter erzeugte Beugung als Funktion der Stelle längs des Radius des Beugungsbildes verdreht ist, bei welchem die Beugung entspringt. 17 vergleicht die Beugung 200 erster Ordnung aus einem linearen Gitter 202 mit einer Beugung 204 erster Ordnung aus einem radialen Gitter 206, um einen der Effekte eines radialen Gitters auf die Beugungsordnungen zu erläutern. Die Beugung 200 erster Ordnung besitzt einen Winkel Θ1 zu einer Linie, die normal zum Gitter 202 verläuft.
Auf der rechten Seite der 17 ist die Beugung 200 erster Ordnung aus dem linearen Fall in gestrichelten Linien über die Beugung 204 erster Ordnung aus einem radialen Gitter überlagert. Die Periode P1 des radialen Gitters an seinem äußersten Punkt wird gleich der Periode P1 des linearen Gitters angenommen.
Man sieht, dass die Beugung aus dem inneren Abschnitt des radialen Gitters 206 vom Gitter unter einem größeren Winkel ausgeht, während die Beugungsordnungen aus dem äußeren Abschnitt des radialen Gitters 206 unter dem gleichen Winkel wie für ein lineares Gitter abgehen. In 17 ist der Unterschied dieser Winkel mit ΔΘ2 bezeichnet. Dieser Unterschied liegt vor, weil die Periode des Gitters als Funktion des Radius mit der Periode P2 sich verändert in Richtung auf den inneren Teil des Gitters, der eine kleinere als die Periode P1 hat zum äußeren Teil. Je größer die Periode des Gitters desto kleiner ist der Winkel. Umgekehrt, je kleiner die Periode des Gitters ist, desto größer ist der Winkel. Daraus folgt, dass für das radiale Gitter 206 der Winkel der Beugungsordnungen mit zunehmendem Radius abnimmt und somit die Interferenz zwischen solchen Strahlen eine Streifenperiode besitzt, die mit zunehmendem Radius größer wird.
Ein weiterer Effekt des radialen Gitters besteht darin, dass wegen der Positionierung der obersten Kante des radialen Gittermusters längs eines Bogens 208, während die oberen Kanten der Segmente eines linearen Detektors längs einer geraden Linie angeordnet sind, ähnlich der Linie 210 für das lineare Gitter 202 das radiale Gitter ein Interferenzstreifenmuster auf einem linearen Detektor erzeugt, dessen Periode kleiner ist in der Mitte des Detektors und größer ist an den Enden des Detektors. Dies kann durch die Beobachtung erkannt werden, dass die Periode des Gitters längs der gerade Linie 212 in 17 variiert, die parallel zu einer Tangenten an den Bogen 208 verläuft. Die Periode ist am kleinsten in der Mitte der Linie und größer an jeder der Enden.
Ein weiterer Effekt besteht darin, dass bei einer Punktbeleuchtung des Gitters das Gitterbild am linken Abschnitt des beleuchteten Punktes eine nominale NNW Schräge zeigt, während der rechte Abschnitt eine nominale NNE Schräge besitzt.
Alle diese Effekte addieren sich zu der Schwierigkeit in der Verwendung eines rechtwinkligen linearen Detektorfeldes zur Erfassung der Interferenzstreifen aus radialen Gittern. Es kann daher angenommen werden, dass lineare Detektorstrukturen gemäß 4 zur adäquaten Verarbeitung von Interferenzstreifen aus radialen Gittern nicht verwendet werden können.
Erfindungsgemäß wurde ein Verfahren entwickelt, welches erlaubt, dass die Periode der Interferenzstreifen aus einem Gitter so geändert werden kann, dass Detektoren mit relativ groben Segmentperioden mit Gittern verwendet werden können, die relativ kleine Perioden haben, und so dass lineare Detektoren dazu dienen können, Interferenzstreifen von radialen Gittern zu erfassen. Erfindungsgemäß dient dazu eine Struktur vor dem Gitter in einer Position, die bezüglich der Lichtquelle festliegt. Die Struktur vorkompensiert oder vorkorrigiert das parallele Licht aus der Lichtquelle, ehe derartiges Licht auf das Gitter fällt. Diese Vorkompensation oder Vorkorrektur wird so gewählt, dass die sich ergebenden Interferenzstreifen, die von dem Gitter erzeugt werden, linear sind und die gewünschte Periode haben.
Die Vorkompensation oder Vorkorrektur umfasst die Ableitung zweier separater Strahlen aus dem Parallellicht und Richten der separaten Strahlen auf ein Gitter 13A unter vorgewählten Winkeln. Die vorgewählten Winkel sind so bestimmt, dass sie dem Verdrehen entgegenwirken, das von einem radialen Gitter erzeugt wird, oder den Winkel, unter welchem die Beugung erster Ordnung das Gitter 13A verlässt, modifizieren. Erfindungsgemäß können reflektierende Beugungsgitter und binäre optische Strukturen dazu eingesetzt werden, eine Vorkompensation oder Vorkorrektur zu schaffen.
18 erläutert die Verwendung einer erfindungsgemäßen Wellenfrontkorrektur, gemäß welcher der Winkel, unter welchem die Beugung erster Ordnung das Gitter 13A verlässt, modifiziert wird. Die Laserdiode 15 liefert kohärentes Licht, was durch die Linsenstruktur 17 parallel gemacht wird. Die Wellenfrontkorrekturstruktur 214 ist vor dem Gitter 13A positioniert und liefert zwei Parallelstrahlen 216 und 218, die durch das 13A gebeugt werden. Die Beugung 220 der positiven ersten Ordnung aus dem Parallelstrahl 216 und die Beugung 220 negativer erster Ordnung aus dem Parallelstrahl 218 interferieren miteinander in dem gestrichelt dargestellten Bereich 221 zwischen den Strahlen 216 und 218. Der Detektor 25 ist in diesem Interferenzbereich positioniert.
Zunächst bemerke man, dass die Strahlen 216 und 218 nullter Ordnung so abgewinkelt sind, dass sie auf den Detektor 25 insgesamt nicht auftreffen. Weiter sind die Beugungen höherer Ordnung noch stärker scharf abgewinkelt, so dass die von dem Detektor 25 erfaßte Interferenz im wesentlichen reine Interferenz plus oder minus erster Ordnung ist.
Zum zweiten sei bemerkt, dass die Periode des Gitters 13A nicht länger die Periode des Detektors 25 diktiert. Somit kann ein Entwickler einen einzigen, sehr gut entwickelten Detektor benutzen, der in großer Stückzahl eingekauft werden kann, und eine große Vielfalt von Gitterperioden und Radien abdeckt. Der Detektor muss die Grenzen der Herstellung nicht tangieren, so dass volle Beachtung der Verbesserung des Betriebsverhaltens, den Kosten und der Ausbeute des Detektors geschenkt werden kann.
18 zeigt, wie das Wellenfrontkorrekturverfahren, die Interferenzstreifenfrequenz von einem linearen Gitter mit einer kleinen Periode von z. B. 10 micron so erhöht, dass ein grober Detektor, beispielsweise ein Detektor, der für 30 micron Streifenperiode geeignet ist, eingesetzt werden kann: Entsprechend Gleichung (1) für eine Wellenlänge von λ = 785 nm werden 30 μm Interferenzstreifen von den Beugungsstrahlen erster Ordnung produziert, die zueinander einen Winkel haben von
Wenn daher die Beugungsstrahlen 220 erster Ordnung aus dem Gitter 13A einen effektiven Winkel von β = 1,498° haben, wird die gewünschte Streifenperiode erzeugt.
Da andererseits für das Gitter 13A gemäß 18 eine Periode von 10 μm angenommen wurde, wird auf das Gitter 13A unter einem Winkel von 0° einfallendes Parallellicht Strahlen erster Ordnung produzieren, die bei einem Winkel von etwa 9,0° zueinander (4,5° zu einer Normalen zum Gitter) auftreten und Interferenzstreifen mit einer Periode von 5 μm erzeugen.
Wie in 18 erläutert ist, besteht eine Funktion der Wellenfrontkorrekturstruktur 214 darin, den Winkel, unter welchem das Parallellicht auf das Gitter 13A einfällt, so einzustellen, dass der effektive Winkel Θ_e der Strahlen erster Ordnung aus dem Gitter 13A der gewünschte Winkel, von z.B. 1,498° ist. Während 18 einen Wellenfrontkorrekturstruktur 214 in der Form eines refraktiven Elements zeigt, ist klar, dass ein Phasengitter wie auch eine Binäroptik dazu dienen können, eine derartige erfindungsgemäße Korrektur durchzuführen.
Die Wellenfrontkorrekturstruktur 214 liefert zwei separate Parallellichtbündel 216 und 218, die zueinander einen Winkel von α = 2Θ_wfc haben. Daher fällt jeder der Parallelstrahlen 216 und 218 auf das Gitter 13A unter einem Winkel von –Θ_wfcbzw. +Θ_wfc jeweils zur Normalen ein. Da das Gitter 13A eine Beugung erster Ordnung unter einem Winkel Θ_g = sin^–1 λ/d zum Weg des einfallenden Lichts 216 und 218 liefert, wird der effektive Winkel λ_e der Beugung 220 erster Ordnung bezüglich einer Normalen auf das Gitter 13A geändert, und zwar
Θe = Θg – Θwfc (5)
oder
β/2 = sin–1 (λ/d) – α/2 (6)
Dabei bedeuten λ die Wellenlänge des Parallellichtes, d die Periode des Gitters 13A, β = 2Θ_g , und α = 2Θ_wfc. Durch geeignete Einstellung von a ist es daher möglich, die gewünschte Winkeltrennung β zwischen den Beugungsstrahlen der ersten Ordnung aus dem Gitter 13A zu erhalten, was seinerseits die gewünschte Interferenzstreifenperiode am Detektor 25 erzeugt. Eine genauere Gleichung lautet:
α = 2sin–1 (λ/d) – sin(β/2) (7)
18 zeigt weiter das Verhältnis der Interferenzstreifenperiode zu den Segmenten 120 des Detektors 25. Wie im einzelnen in Verbindung mit den 11A, 11B, 11C und 11D erläutert worden ist, benutzt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine Reihe von, Detektorsegmenten 120, in welcher alle vier aufeinander folgende Detektorsegmente einen Quadranten des Detektors repräsentieren. Die Detektorsegmente 120 sind so dimensioniert, dass ein Quadrant. die gleiche Breite hat wie die Periode der zu erfassenden Interferenzstreifen. Wie somit in 18 dargestellt ist, entspricht die Gesamtbreite der vier Segmente 120 dem Term λ/sin (Θ_e), der Periode der Interferenzstreifen im Bereich 221.
Mit einer derartigen Anordnung liegt der Pegel der Signalmodulation, der von dem Detektor 25 erhalten kann, bei 85%, was eine wesentliche Verbesserung gegenüber anderen Detektoranordnungen darstellt, die von den Erfindern erwogen worden sind. Das Maskieren der inaktiven Teile der Detektorsegmente 120 zur Reduzierung der erfassten Phase auf 45° erhöht die maximal erhaltbare Modulation auf 95%. In den meisten Anwendungsfällen jedoch reicht ein unmaskierter Detektor aus und erhöht die Ausbeute und vereinfacht und reduziert die Kosten der Detektorherstellung.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wellenfrontkorrektur besteht in der Reduzierung des Einflusses auf die Signalmodulation aufgrund örtlicher Oberflächen-Unregelmäßigkeiten von reflektiv reproduzierten Gittern. Dies deshalb, weil die Wellenfrontkorrektur den Winkel der Brechungsordnungen verändert, so dass die Interferenzstreifen aufgeweitet sind, jedoch nicht zu einer entsprechenden Erhöhung in der effektiven Größe der Oberflächenunregelmäßigkeiten führen.
Bei der Aufweitung der Interferenzstreifen durch Wellenfrontkorrektur kann ein einziger Vierstrichdetektor, der von kommerziell erhältlichen Detektorzellen hergestellt worden ist, zur Erfassung der auf geweiteten Streifen dienen. Durch die Verwendung solch größerer, kommerzieller Detektoren kann eine größere Bandbreite erhalten werden.
19A, 19B und 19C und 20A, 20B und 20C erläutern Ausführungsformen der Wellenfrontkorrektur mit Beugungs- und Reflexionsstrukturen. 19A ist eine vereinfachte Version von 18 und erläutert die Verwendung einer Beugungsstruktur 214 mit Gitter 13A, das von der Beugungsstruktur 214 beabstandet ist, so dass Parallelbündel 216 und 218 sich an der Stelle, an der sie auf das Gitter 13A auftreffen, nicht überlappen. Man bemerke, dass das Gitter 13A an anderen Entfernungen von der Struktur 214 positioniert werden kann, beispielsweise an einer Stelle, an der die Parallelstrahlen 216 und 218 total überlappt sind, d. h. überlagert sind. Durch Verwendung eines Beugungslayouts mit überlagerten Strahlen 216, 218 kann das Gitter eine Periode von 5μm haben, die Punktgröße kann 1,0 mm betragen und die Interferenzstreifenperiode kann 30 μm sein. Die Wellenfrontkorrekturstruktur 214 kann ein Phasengitter sein mit einer Periode von etwa 5,45 im. 20A zeigt ein Beispiel einer relativen Trennung zwischen der. Wellenfrontkorrekturstruktur 214, dem Gitter 13A und dem Interferenzbereich 221, in Millimetern, was durch eine solche Anordnung erhalten werden kann.
Während eine Beugungswellenfrontkorrekturstruktur mit einem einfachen Binärstufendesign weniger aufwendig für die Herstellung sein kann als eine refraktive Gestaltung, kann eine restliche nullte Ordnung, die in solch einer Gestaltung vorhanden ist, optisches Rauschen auf den Signalen aus dem Detektor 25 erzeugen und den Grad, bis zu welchem die Signale interpoliert werden können, verschlechtern.
19B, 19C und 20B erläutern eine refraktive Ausführungsform. Da es erforderlich ist, dass die Strahlen 216 und 218 sich kreuzen, ehe sie auf das Gitter 213 auftreffen, besteht eine größere Trennung zwischen den Komponenten. Man bemerke jedoch, dass ein längeres Interferenzgebiet erhalten wird: ungefähr 5 mm (brechend) gegen ungefähr 3 mm (beugend). Das refraktive Layout benutzt ein optisches Element wie etwa ein Prisma 215 und eine duale Apertur 217. Das refraktive Wellenfrontkorrektur-Layout gemäß 20B nimmt für das Gitter 13A eine Periode von 10 μm, eine Fleckgröße von 1 mm und ein Prisma 215 an, das die einfallenden Strahlen auf das Gitter 13A so ablenkt, dass im Bereich 221 Interferenzstreifen von 30 μm erzeugt werden.
19C erläutert den Einfluss eines sich auf das Prisma 215 zu bewegenden Gitters 13A einschließlich der Reduktion in der Breite des Interferenzstreifenbereichs 221.
Schließlich erläutert 20C eine erfindungsgemäße Ausführungsform, die keine Wellenfrontkorrekturstruktur verwendet. Eine viel grobere Gitterperiode wird benutzt (60 μm), um die gleiche 30 μm Interferenzstreifenperiode zu erzeugen. Weiterhin muss das Gitter 13A alle Ordnungen von der zweiten bis zur achten unterdrucken und der Detektor 25 kann von der Divergenz der neunten Ordnung weg bis zu 50% Überlappung plaziert werden.
Radialgitter Wellenfrontkorrektur
Unter erneuter Bezugnahme auf 17 wird die Wellenfrontkorrekturstruktur für radiale Gitter jetzt im einzelnen beschrieben. Das Verdrehen des gebeugten Strahles 204 kann durch Formgebung der Wellenfront am Eingang zum Gitter in ähnlicher, jedoch entgegengesetzter Weise kompensiert werden. 23 zeigt ein optisches Element, das vor dem Gitter 13A zur Ausführung dieser Funktion benutzt werden kann. Der Parallelstrahl tritt in die brechende Optik 222 über die Bodenfläche 224 ein und verläßt sie durch die beiden verdrehten Seiten 226 und 228 auf der anderen Seite. Man bemerke, dass die Flächen 226 und 228 des brechenden Elements 222 eine niedrige Spitze und schmalen Anstieg an einem Ende haben, was zu einer hohen Spitze und einem steilen Anstieg am anderen Ende linear ansteigt.
21 zeigt auf einer Seite den Eingangsstrahl, der durch eine Optik dieses allgemeinen Typs läuft und dann durch das Gitter 13A läuft. Die Zeichnung auf der linken Seite der 21 erläutert die Verdrehung des gebeugten Strahles aufgrund des radialen Gitters. Man bemerke, dass die nahen und fernen Kanten der Strahlen erster Ordnung längs unterschiedlicher Richtungen hervortreten. Die Zeichnung auf der rechten Seite der Figur erläutert, wie die Brechungsoptik 222 die Verdrehungen der Strahlen vor deren Auftreffen auf dem Gitter 13A umkehrt, um parallele Beugungsstrahlen zu erzeugen.
22 erläutert Variationen in der Form der Flächen der Brechungsoptik, um die anderen Effekte radialer Gitter zu kompensieren. Hier ist die Neigung der Flächen dargestellt als variierend von links nach rechts wie auch von oben nach unten. Beispielsweise kann die von links nach rechts weisende Anstiegsvariation benutzt werden, um die Veränderung in der Periode des radialen Gitters längs einer Linie zu korrigieren, die parallel zur Peripherie des Musters ist. Man vergleiche Linie 212 in 17. Weiter können die Neigungen der Flächen so gewählt werden, dass sie erforderliche Einfallsstrahltrennungen für Raumfiltern der nullten Ordnung oder für Optik-Gitter-Abstände aufnehmen können.
24 erläutert eine reflektive Wellenfrontkorrekturstruktur zur Verwendung mit einem linearen Detektor. Der Anstieg der Flächen ist so gewählt, dass die gewünschte Streifenperiode aus dem Gitter erzeugt wird, was bereits beschrieben wurde. 25 erläutert, wie das Abwinkeln der Flächen der Brechungsoptik und der Abstand, den die Brechungsoptik vom Gitter 13A besitzt, die Trennung und die Winkel beeinflusst, unter denen die Strahlen auf das Gitter 13A fallen.
26A, 26B und 26C erläutern ein optisches Beugungselement zur Verwendung in der Wellenfrontkompensation für radiale Gitter. In 26A überlagert ein radiales Gittermuster ein binäres Optikmuster, das verwendet werden kann. Das binäre Optikmuster nimmt ein von oben nach unten vertauschtes radiales Gittermuster an. 26B und 26C erläutern, wie die binäre Optik vorzugsweise aufgeflammt oder mehrfach abgestuft ist, um die Effizienz hochzuhalten und unerwünschte Ordnungen räumlich auszufiltern. Die Raumperiode des Beugungsmusters ist eine Funktion sowohl der Gitterstruktur wie auch der Eigenschaften der Detektorreihe, und kann unterschiedlich von derjenigen des Gitters sein.
Ein binäres optisches Muster für die Wellenfrontkorrektur kann mit dem Kollimator und der angepassten Apertur integriert werden, so dass ein optisches Beugungselement den divergierenden Ausgang von der Laserdiode 15 aufnimmt und zwei parallele und angepasste Strahlen der geeigneten Dimensionen erzeugt, und zwar mit einem ausgezeichneten Intensitätsprofil.
WFC Reflexionsausführung
Eine Reflexionsausführung der Erfindung ist in 27 gezeigt und benutzt eine Wellenfrontkorrekturstruktur 215. Die Struktur 215 ist vom Beugungstyp und ist genau vor der Apertur 98 positioniert. Die Ebene der 27 soll parallel zu den Stufen des Gitters 13 sein. Der vorkorrigierte Parallelstrahl aus der Wellenfrontkorrekturstruktur 215 wird dann auf das Gitter 13 unter einem leichten Winkel in der Ebene von 27 gelenkt, so dass die reflektierten und gebeugten Ordnungen vom einfallenden Parallelstrahl weggewinkelt sind. Der Spiegel 250 lenkt die gebeugten Ordnungen auf den Detektor 25. Der Detektor 25 ist in der Keramikpackung der Hybridschaltung 147 positioniert.
WFC Transmissive Ausführungsform
28 zeigt eine transmissive Ausführungsform der Erfindung mit einer Wellenfrontkorrekturstruktur 215. Wie im Fall der reflexiven Ausführungsform ist eine Brechungs-Wellenfrontkorrekturstruktur 215 vor dem Gitter 13A positioniert und zwar gerade vor der Apertur 98. Das Parallelstrahlbündel aus Linse 17 wird durch den Spiegel so abgelenkt, dass es auf die Apertur 98 gerichtet ist. Der Spiegel 254 lenkt den vorkompensierten Strahl aus der Wellenfrontkorrekturstruktur 215 ab und richtet ihn durch das Gitter 13A, so dass die Beugungen der ersten Ordnungen auf den Detektor 25 in der Hybridschaltung 147 einfallen. Die Doppelablenkung der Strahlen in dieser reflektiven WFC Ausführungsform führt zu einem kompakten Kopfprofil.
Transmissive WFC–bewegte Stufe
29 erläutert eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer transmissiven WFC, die zur Steuerung der Position einer sich bewegenden Stufe 300 dient. Die Stufe 300 wird auf Schienen 302 beweglich getragen, wobei ein transmissives Gitter 13A unterhalb der Schiene 302 nähest zu dem Laserlinsensubsystem 304 positioniert ist. Eine Encoder-Klammer 306 ist an der Stufe 300 von unten angebracht und trägt das Laser/Linsen-Subsystem 304 und das Sensorsubsystem 308 zur Bewegung mit der Stufe 300. Die Encoder-Klammer 306 trägt auch die Apertur 98 und die Wellenfrontkorrekturstruktur 215, so dass ein paralleler, vorkorrigierter Lichtstrahl von der Wellenfrontkorrekturstruktur 215 durch den Spiegel 256 abgelenkt und durch das transmissive Gitter 13A gerichtet wird. Die durch das transmissive Gitter 13A erzeugten Beugungsordnungen fallen dann auf das Sensorsubsystem 308 auf der anderen Seite der Stufe 300.
Optische Servosteuerung innerhalb geschlossener Strukturen
30 zeigt ein vereinfachtes Funktionsdiagramm der optischen Servoannwendung der Erfindung. Wie bereits erörtert, ist in einem Gehäuse 400 eine Komponente 402 und ein Motor oder Betätiger 404 zur Bewegung der Komponente 402 beherbergt. Die Komponente 402 dreht um eine Rotationsachse 406 in Abhängigkeit von einer vom Motor 404 gelieferten Antriebskraft. Während die Komponente 402 symmetrisch um den Motor 404 positioniert ist, ist klar, dass die Erfindung auch auf andere Komponentenkonfigurationen anwendbar ist, die innerhalb des Gehäuses 400 drehbeweglich sind.
Gemäß 30 ist zur Vereinfachung nur der Spulenabschnitt 408, der Magnetabschnitt 410 und Lager 412 des Motors 404 gezeigt, wobei klar ist, dass bei einer praktischen Verwirklichung andere Motorkomponenten zur Vervollständigung des Motors 404 vorgesehen sein können. Die elektrischen Signale, die den Spulenabschnitt 408 des Elektromotors 404 mit Energie versorgen, werden von einer Schaltung versorgt, die extern zum Gehäuse 400 vorgesehen ist und eine Treiberschaltung 414 numfasst. Andere Motor- oder Betätigerstrukturen können ebenfalls Verwendung finden, um die Komponente 402 erfindungsgemäß in Drehung zu versetzen.
Erfindungsgemäß sind zwei Servoschleifen ausgebildet: eine interne Servoschleife, die die Komponente 402 an einen Fühler 416 optisch verriegelt, und eine externe Servoschleife, die den Fühler 416 relativ zur Rotationsachse 406 präzise positioniert um die Position der Komponente 402 genau zu steuern.
Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die interne Servoschleife wie folgt ausgeführt. Ein Gitterfragment 418 ist an der Komponente 402 befestigt. Weiterhin ist ein Fenster 420 in dem Gehäuse 400 ausgebildet, so dass das Gitterfragment 418 vom Äußeren des Gehäuses 400 her über den gesamten Bereich der gewünschten Bewegung der Komponente 402 optisch sichtbar ist.
Das Gitterfragment 418 wird mit Licht der Wellenlänge ? aus dem Fühler 416 beleuchtet, der sich außerhalb des Gehäuses 400 befindet. Das Gitterfragment 418 ist so konstruiert, dass es Eigenfrequenzstreifen erster Ordnung durch das Fenster 420 und außerhalb des Gehäuses 400 erzeugt, so dass der Fühler 416 zur Erfassung der Interferenzstreifen eingesetzt werden kann.
Für eine ausgewählte Zielposition auf dem Gitterfragment 418, erfasst durch den. Fühler 416, erhält die interne Servoschleife die Position der Komponente 402 aufrecht und damit die Position des Gitterfragments 418 relativ zum Sensor 416, so dass der Ausgang aus dem Fühler 416 unverändert bleibt. Somit wird der Ausgang aus dem Fühler 416 gemäß 30 einem digitalen Signalprozessor 422 zugeführt, der den Ausgang in Positionsinformation umsetzt. Die servoverarbeitende Schaltung 424 benutzt dann diese Positionsinformation, um den Motor 404 über den Treiber 414 zu steuern.
Wie üblich vergleicht die Servoverarbeitungsschaltung 424 die vom Fühler 416 und dem digitalen Signalprozessor 422 erhaltene aktuelle Positionsinformation mit der Positionsinformation, die der Zielposition entspricht. In Abhängigkeit von irgendeiner Veränderung der aktuellen Position außerhalb der Zielposition gibt die Servoverarbeitungsschaltung 424 ein Korrektursignal auf den Motor 404, der veranlasst, dass die Komponente 402 und damit das Gitterfragment 413 wieder in die richtige Position gelangen. Auf diese Weise verriegelt die interne Servoschleife das Gitterfragment 418 und die Komponente 402 optisch fest mit dem Sensor 416.
Die externe Servoschleife dient zur präzisen Steuerung der Position des Sensors 416 um die Rotationsachse 406. Gemäß 30 ist der Fühler 416 direkt von der Codescheibe 426 eines optischen Präzisionskodierers 428 getragen. Der optische Kodierer 428 wird von einem Betätiger 430 gedreht. Alternativ kann der Fühler 416 von einem Arm getragen sein, der auf einer Welle befestigt ist, die eine gemeinsame Achse mit dem Betätiger 430 hat, so dass der Fühler 416 in der gleichen Weise wie die Codescheibe 426 dreht.
Während die Einrichtung so dargestellt ist, dass die Position des Fühlers 416 von einem optischen Präzisionskodierer geliefert wird, versteht es sich, dass andere Präzisionspositionsfühler erfindungsgemäß verwendet werden können. Beispielsweise kann der Fühler 416 auf einem Arm sitzen, der von einem Michelson Laser Inferometer gesteuert wird.
Die externe Servoschleife steuert die Kodierscheibe 426 und daher den Fühler 416, damit er präzise an Positionen positioniert werden kann, die von einem konventionellen Steuerer (nicht dargestellt) bezeichnet sind. Diese bezeichneten Positionen werden von der Servoverarbeitungsschaltung 424 aufgenommen und mit der aktuellen Positionsinformation verglichen, die sie beispielsweise von transmissiven Lesestationen 440 über Summierer 434 und Interpolierer 436 erhalten hat. Die Servoverarbeitungsschaltung 424 gibt Steuersignale auf den Betätiger 430 über einen Treiber 438, um die Position der Kodierscheibe 426 so lange zu modifizieren, bis die tatsächliche Positionsinformation mit der bezeichneten Position übereinstimmt.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Sensor 416 und das Gitterfragment 418 von einer Art, die weiter oben beschrieben worden ist. Beispielsweise können die in 8A–8E und 9 dargestellten Köpfe für den Fühler 416 verwendet werden. Es ist jedoch klar, dass das Gitterfragment 418, das in dieser Ausführungsform der Erfindung benutzt wird, nicht so präzise konstruiert sein muss, wie das in Verbindung mit den früher dargestellten Ausführungsformen erläutert worden ist. Dies deshalb, weil das Gitterfragment 418 zur Anzeige einer Positionsveränderung dient, statt präzise den Betrag anzugeben, um den eine Position sich verändert hat. Daher kann das Gitterfragment billig sein.
Vorzugsweise ist die Position der Kodierscheibe 426 durch Verwendung zweier transmissiver Lesestationen 440 wie etwa den transmissiven Kopf der 10 exakt bestimmt.
Wie in Verbindung mit 13 dargestellt worden ist, werden die Ausgangssignale (Kanäle A, B, C, D) aus dem mehrphasigen Detektor verstärkt und in einer konventionellen Weise verarbeitet, wobei die Gleichspannungsverschiebung durch Subtrahieren des Kanals C vom Kanal A sowie des Kanals B vom Kanal D entfernt wird. Dies erzeugt Sinus-Kosinus-Analoge-Ausgangssignale. Diese Sinus-Kosinus Signale werden in einem Summierer zusammen addiert und können danach in einer vielfältigen Weise dahingehend verarbeitet werden, dass die Feinpositionsinformation interpoliert wird. Bezug genommen wird hierzu beispielsweise auf Digital Linear and Analog Metrology, 1992, Verlar Verlag in Zusammenarbeit mit Heidenhain, Seiten 23–28.
Vorzugsweise wird die digitale Signalverarbeitung und Servoverarbeitungsfunktion für den externen Positionierer 428 gemäß 30 mittels einer kommerziell erhältlichen Digitalsignalverarbeitungsservoplatine, Modell Nr. MEI PC DSP, hergestellt von der Motion Engineering Inc., Santa Barbara, Kalifornien, USA, erreicht, welche auf einem IBM kompatiblen PC läuft. Mit der gelieferten Software kann eine Positionsauflösung von 12 Bits erhalten werden.
Alternativ kann die Positionsinformation durch Verwendung Arcustangens-Multiplizier-Funktionalblocks anstelle der Digitalsignalprozessoren 422 und 436 erhalten werden.
Geeignete Arcustangens-Multiplizierer umfassen solche, die in den Optical Encoder Model RAL 24/158 der BEI Precision Systems and Space Division, Little Rock, Arkansas, USA eingebaut sind.
Vorzugsweise sind die beiden transmissiven Lesestation 440 relativ zueinander um 180° auseinander positioniert, um irgendeine fehlende Konzentrizität der Scheibe 426 zu korrigieren. Die Scheibe 426 wird vorzugsweise von einem Dreh-Betätiger 430 in Umdrehung versetzt, wie etwa. das Modell Nr. RA29-11-002A der Kimco Magnetics Division der BEI Motion Systems Company, Carlsbad, Kalifornien ,USA. Weiterhin wird der Drehbetätiger 430 durch Signale aus dem Verstärker 438 getrieben, der Modellnr. 12A der Advanced Motion Controls, Camarillo, Kalifornien, USA sein kann.
Lineare optische Servoausführungsform
31 zeigt eine lineare Version der optischen Servoausführungsform der Erfindung. Dort, wo die Elemente die gleichen sind wie diejenigen, die in der Rotationsausführungsform gemäß 30 auftreten, werden die gleichen Bezugszeichen für diese verwendet.
Gemäß 31 ist die in dem geschlossenen Raum des Gehäuses 400 lokalisierte Komponente 450 linear beweglich. Beispielsweise kann die Komponente 450 eine Stufe sein, und ein konventioneller Positioniermechanismus, der nicht dargestellt ist, kann in dem Gehäuse 400 untergebracht sein und durch Signale aktiviert werden, die auf Leitung 452 geliefert werden, so dass die Komponente 450 längs eines durch eine Gruppe von Schienen definierten Weges bewegt werden kann, von denen eine in 31 als Schiene 454 dargestellt ist. Geeignete Räder an der Komponente 450 rollen längs der Schienen und veranlassen dadurch, dass die Komponente 450 längs eines linearen Pfades läuft. Man versteht, dass die Erfindung auch auf andere Anordnungen anwendbar ist, durch welche eine Komponente längs eines linearen Weges innerhalb eines geschlossenen Raumes bewegt werden kann.
Ein Gitterfragment 418 ist auf der Komponente 450 positioniert. Der Fühler 416 richtet einen Strahl kohärenten Lichtes auf Gitterfragment 418 durch ein Fenster 420 und erfasst die durch das Gitterfragment 418 erzeugten Eigeninterferenzen.
Der Fühler 416 ist auf einer Stufe 458 befestigt, die ihrerseits längs eines linearen Pfades präzise gesteuert beweglich ist. Beispielsweise kann die in 29 dargestellte Struktur einen Präzisions-Linearpositionierer darstellen, der für die Verwendung in der Ausführungsform der 31 geeignet ist.
Differentieller Versatz
Ehe das Kalibrierverfahren nach der Erfindung gemäß 33 beschrieben wird, wird zunächst die Natur der aus dem Gitterfragment 418 und Positionsfühler 416 zur Verfügung stehende Positionsinformation genauer in Verbindung mit 32 erörtert.
Beispielsweise kann ein Gitterfragment 418 von etwa 3/8 Zoll Breite Verwendung finden. Wenn. ein Gitter mit einer Periode von 20 μm mit koharentem Licht von ungefähr 785 nm Wellenlänge beleuchtet wird, wird eine Interferenz zwischen der Beugung positiver und negativer erster Ordnung ein Interferenzbild mit einer Periode von 10 μm erzeugen.
32 erläutert drei solcher Interferenzstreifen. Detektorsegmente innerhalb des Fühlers 416 sind oberhalb der Interferenzstreifen mit einer angenäherten räumlichen Beziehung zur Periode der Interferenzstreifen angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein. mehrphasiger Detektor verwendet, in welchem die Detektorsegmente in 90° Intervallen relativ zur Interferenzstreifenperiode beabstandet sind, und eine Gruppe von vier Detektorsegmenten pro Zyklus der Interferenzstreifen bilden. Wie bereits. erläutert in Verbindung mit Detektor 25 und Fig. 11A und 11B werden die Ausgänge der Detektorsegmente in einer periodischen Weise summiert.
Die Ausgänge aus den Detektorsegmenten werden unter Verwendung des DSP Interpolators 422 oder durch einen anderen geeigneten Interpolator verarbeitet, um die am unteren Teil der 32 dargestellten interpolierten Positionen zu erzeugen. Aus Gründen der besseren Darstellung ist die in 32 dargestellten Auflösung der interpolierten Positionen viel grober als sie in einem tatsächlichen System erzeugt werden würden.
Beispielsweise kann eine geometrische oder mathematische Interpolation jedes Streifens mit einer Auflösung von zwölf Bits ausgeführt werden, um 4096 Positionen für jeden Streifen zu erhalten. Somit kann die Komponente 402 (450) optisch nicht nur an eine spezielle Stelle in einem Streifen sondern auch zu irgendeinem der 4096 unterschiedlichen interpolierten Positionen auf jeder Seite eines solchen Punktes verriegelt werden.
Da in diesem Beispiel etwa 3000 Streifen über der Breite des Gitterfragments 418 zur Verfügung stehen würden, kann die Position der Komponente 402 (450) genau um bis zu 750 Streifen auf jeder Seite einer Ausgangsposition des Gitterfragments 418 verschoben werden. Mit anderen Wörtern, ein Versatz kann auf die innere Servoschleife derart aufgebracht werden, dass die relative Position der Komponente 402 (450) bezüglich des Fühlers 416 von der nominellen Ausgangsposition versetzt ist, welche die interne Servoschleife normalerweise zwischen ihnen aufrecht erhalten würde. Durch Verwendung eines Versatzes würde die interne Servoschleife beispielsweise auf eine Position zehn (10) interpolierten Inkrementen weg von der Gitterausgangsposition gemäß 32 verriegelt werden.
Dieser differentielle Versatz ist beispielsweise dann erwünscht, wenn der externe Präzionspositionierer weniger Steifheit oder größere Masse hat als das Objekt 402 innerhalb des Gehäuses 400. An sich wäre es erwünscht, die Position des externen Positioniers aufrecht zu erhalten und die Komponente 402 in Bezug zu dem externen Positionier differentiell zu versetzen. Die interne Komponente 402 würde somit mit viel größerer Geschwindigkeit bewegt werden, als wenn beide interne und externe Positionierer lediglich optisch miteinander verriegelt wären, und beide müssten sich zusammenbewegen bei jeder Bewegung der internen Komponente 402.
Kalibrierung
Anhand von 33 wird das Kalibrierverfahren im einzelnen beschrieben.
Gemäß 33 beginnt das Kalibrierverfahren mit dem Schritt 460, in welchem die interne Servoschleife abgeschaltet und die Komponente 402 (450) gegen einen Stop an einem Ende ihres Bewegungsbereichs positoniert wird. Dann wird im Schritt 462 die externe Schleife benutzt, um den Fühler 416 über den Positionsbereich zu bewegen, an welchem die Komponente 402 (450) gefunden werden könnte, um das Gitterfragment 418 zu suchen. In Abwesenheit eines Gitterfragments 418 wäre der Ausgangspegel aus dem Fühler 416 sehr niedrig. Wenn der Fühler 416 Interferenzstreifen von dem Gitterfragment 418 erfasst, wird vom Fühler 416 ein feststellbarer Ausgang geliefert. Im Schritt 464 wird das Vorliegen eines solchen Ausgangs zur Ausführung des Schrittes 466 führen.
Schritt 466 bestimmt, ob der Ausgang aus dem Fühler 416 eine gewisse Minimalschwelle überschreitet. Ein Ausgangspegel kleiner als diese Schwelle kann einen Gitterfehler 468 anzeigen, wie beispielsweise ein fehlpositioniertes oder schadhaftes Gitter.
Wenn andererseits der Ausgang des Fühlers 416 die Schwelle überschreitet, lässt Schritt 470 den Fühler 416 zu einer Kante des Gitterfragments 418 sich bewegen. Der Schritt 472 dient zur Bestimmung, wenn eine Kante erreicht ist, dadurch dass ermittelt wird, wenn der Fühlerpegel unter eine vorgewählte Schwelle absinkt. Wenn diese Stelle erreicht ist, wird die Fühlerposition, wie sie von dem externen Servopositonierer angezeigt ist, gelesen, und in Schritt 474 notiert. Im Schritt 474 wird der Fühler 416 dann gegen die. gegenüberliegende Kante des Gitterfragments 418 gefahren. Schritt 476 stellt fest, wann die gegenüberliegende Kante erreicht ist und Schritt 480 liest dann und notiert die Position des Fühlers 416 für die gegenüberliegende Kante. Dann wird weiterhin als Teil des Schrittes 480 eine Gitterausgangsposition ausgewählt, die zwischen den Kantenpositionen liegt. Diese Ausgangsposition wird dann als null oder Zentrierposition des Gitterfragments 418 verwendet. Alternativ kann ein Spitzenerfassungsschema verwendet werden, wo der größte Streifen in der Mitte der Modulationsenvelope aus dem Gitterfragment 418 festgestellt und zur Bestimmung der Ausgangsposition verwendet wird.
Schritte 482–490 tabulieren die Korrespondenz zwischen Positionssignalen aus dem Fühler 416, angezeigt durch Ausgang des DSP Interpolators 422, und der entsprechenden Position der externen Servoschleife, angezeigt durch den Ausgang des DSP Interpolators 436. In der radialen optischen Servoschleife gemäß 30, in welcher der externe Servoschleifenpositionierer ein Brechungsgitter verwendet, das längs eines Weges mit einem Durchmesser positioniert ist, der von dem Durchmesser des Weges für das Gitterfragment 418 und Fühler 416 verschieden ist, wird die Auflösung des externen Servoschleifenpositionierers verschieden sein von derjenigen des Fühlers 416, und zwar als Funktion des Verhältnisses dieser beiden Durchmesser. Somit wird eine unterschiedliche Anzahl von Streifen auf dem Weg des Fühlers. 416 verglichen mit dem Weg des externen Servopositionierers vorhanden sein. Dieser Unterschied sollte während dieses Tabulierverfahres in Betracht gezogen werden.
Im Schritt 482 wird ausgehend von der Ausgangsposition des Gitterfragments 418 die Position des Fühlers 416 um einen vorbestimmten Betrag relativ zum Gitterfragment 418 verändert, beispielsweise um einen Betrag, der 256 Korrekturen über vier Streifen zu beiden Seiten der Ausgangsposition, oder jede 11,25° Phase umfasst. Danach wird der Schritt 484 ausgeführt, bei dem der Unterschied zwischen der Ablesung am externen Servoschleifenpositonierer und der Ablesung aus dem Fühler 416 bestimmt wird. Dieser Unterschied wird als Funktion der entsprechenden externen Servoschleifenposition gespeichert.
Schritt 486 lässt die Schritte 482 und 484 wiederholen, bis mehrere volle Streifen auf diese Weise verarbeitet worden sind. Wenn dies eingetreten ist, bestimmt Schritt 488, ob Streifen auf beiden Seiten der Ausgangspositon verarbeitet worden sind. Wenn nicht, bewirkt Schritt 490, dass der Fühler 416 zurück zur Ausgangspositon bewegt wird und die Tabulierung in der umgekehrten Richtung durchgeführt wird. Wenn mehrere Streifen auf beiden Seiten der Ausgangsposition verarbeitet worden sind, ist die Kalibrierprozedur abgeschlossen.
Die Aufgabe der Kalibrierstufen 482 bis 490 besteht darin, eine Fehlerkorrekturtabelle zu schaffen, so dass dann, wenn ein Lese-/Schreibarm relativ zum externen Servoschleifenpositionierer verschoben ist, Fehler im Gitterfragment eliminiert werden können und die korrekte Position beibehalten wird.
Bei Abschluss des Kalibrierverfahrens gemäß 33 werden mehrere Aufgaben erledigt sein: 1) Prüfung auf defektes Gitter, 2) Wahl einer Gitterausgangsposition, 3) Korrelation von externen Schleifenpositionsablesungen mit internen Schleifenpositionsablesungen in der Nachbarschaft der Gitterausgangsposition.
Das Gitterfragment 418 wird mit dem gesamten Gehäuse geliefert, so dass eine preiswerte Wiederherstellung oder Stanzprozedur erforderlich ist. Da das Gitter sowohl zur Lieferung einer Ausgangsposition oder kalibriert worden ist, erfordert es keine inhärente Genauigkeit und kann durch Verwendung einer großen Vielfalt von Standardprozessen hergestellt werden. Beispielsweise kann das Gitterfragment 418 ein repliziertes Gitter auf Plastik, oder geprägt oder direkt in die Komponente 402 eingeschliffen werden. Auch kann Elektroauftrag in Betracht kommen.
Nach dem Vorstehenden sieht man, dass mehrere Aufgaben der Erfindung erfüllt und andere Vorteile erreicht worden sind.

Claims

Vorrichtung zur Feststellung einer relativen Bewegung mit einem Beugungsgitter (13, 13A), das bezüglich einer Quelle (15) relativ beweglich ist, eine Periode P besitzt und eine Eigenschaft aufweist, welche Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge e in positive und negative erste Ordnungen (72, 70) beugt, welche sich in einem Bereich naturlicher Interferenz (73) neben dem Beugungsgitter (13, 13A) überlagern; mit Mitteln (60, 74, 148, 214) zum Aufspalten des einfallenden Lichtbündels in erste und zweite Lichtbündel (66, 68) der Wellenlänge ?; mit einem periodischen Detektor (25), dessen Fühlerebene im Bereich der natürlichen Interferenz (73) des Beugungsgitters zwischen den positiven und negativen ersten Ordnungen (72, 70) aus dem ersten und zweiten Lichtbündel angeordnet ist; wobei der periodische Detektor (25) eine Periode aufweist, die eine Funktion der Wellenlänge ? und der Periode P des Beugungsgitters (13) ist, und wobei der periodische Detektor (25) ein Ausgangssignal als Reaktion auf einfallendes Licht liefert, wodurch der periodische Detektor (25) prinzipiell auf die Interferenz an der Fühlerebene zwischen der positiven und negativen ersten Ordnungen 72, 70 anspricht, die von dem Beugungsgitter (13) gebeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zum Bestrahlen eine Laserdiode (15), die Licht der Wellenlänge e liefert, sowie eine Kollimatorlinse (17), die das Licht aus der Laserdiode (15) aufnimmt und ein Bundel parallelen Lichts (29) der Wellenlänge ? liefert, sowie eine Mehrfachaperturstruktur (60) aufweisen, die das Parallelstrahlenbündel (29) in die ersten und zweiten Bündel (66, 68) umformt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in welcher die Mittel zum Bestrahlen eine Lichtquelle (15), die einen Parallellichtstrahl (29) der Wellenlänge ? liefert, sowie eine Wellenfrontkorrekturstruktur (214) aufweisen, die so positioniert ist, dass sie den Parallellichtstrahl (29) der Wellenlänge ? aufnimmt und die ersten und zweiten Bündel (66, 68, 216, 218) unter vorgegebenen Winkeln zu einer Achse des Parallellichtsstrahls (29) der Wellenlänge ? liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, in welcher die Wellenfrontkorrekturstruktur (214) ein mit einem Brechungsindex behaftetes optisches Element (215) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, in der die Wellenfrontkorrekturstruktur (214) ein Beugungsgitter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5 mit einer Kopfstruktur (92); einer von der Kopfstruktur (92) gehaltenen Trägerstruktur (104), in welcher der periodische Detektor (25) auf der Trägerstruktur (104) positioniert ist; einer Lichtquelle (15), die paralleles kohärentes Licht der vorgegebenen Wellenlänge ? liefert und von der Kopfstruktur (92) gehalten ist; einer auf der Trägerstruktur (104) positionierten elektronischen Schaltung (106) zum Konditionieren des Ausgangssignals aus dem periodischen Detektor (25); und einer von der Kopfstruktur (92) getragenen Spiegelstruktur (19), die auf der Kopfstruktur (92) bezüglich der Lichtquelle (15) eine derartige Position einnimmt, dass sie auf den periodischen Detektor (25) die natürliche Interferenz zwischen den positiven und negativen ersten Ordnungen (72, 70) richten kann, die von dem Beugungsgitter (13) aufgrund von auf das Beugungsgitter (13) einfallendem Licht aus der Lichtquelle (15) gebeugt werden, wenn die Kopfstruktur (92) neben dem Beugungsgitter (13) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, bei der die Trägerstruktur (104) ein flexibles Kabel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, in welcher die Trägerstruktur (104) ein Hybrid-Substrat ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–8, in welcher die Spiegelstruktur (19) eine derartige Position auf der Kopfstruktur (92) hat, dass sie Licht aus der Lichtquelle auf das Beugungsgitter (13) lenkt und auf den periodische Detektor (25) die natürliche Interferenz zwischen positiver und negativer ersten Ordnungen (72, 70) lenkt, die von Beugungsgitter (13) aus dem aus der Lichtquelle (15) stammenden Licht gebeugt werden, wenn die Kopfstruktur (92) neben dem Beugungsgitter (13) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–9, in welcher die Spiegelstruktur (19) zwischen der Lichtquelle (15) und der Trägerstruktur (104) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–10, in welcher die Trägerstruktur (104) derart positioniert ist, dass der periodische Detektor (25) zwischen der Lichtquelle (15) und der Spiegelstruktur (19) lokalisiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–11, in welcher die Lichtquelle (15), die Trägerstruktur (104) und die Spiegelstruktur (19) auf der Kopfstruktur (92) derart positioniert sind, dass sie alle auf einer Seite des Beugungsgitters (13) lokalisiert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–12, in der die Kopfstruktur einen Durchgangsweg aufweist, durch welchen das Bauteil sich bewegen kann, und in welcher die Trägerstruktur (104) auf einer Seite des Durchgangswegs positioniert ist und die Spiegelstruktur (19) auf einer. gegenüberliegenden Seite des Durchgangswegs positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–13, in der die Kopfstruktur (92) einen Durchgangsweg aufweist, durch welchen das Bauteil (14) sich bewegen kann, und in welcher ferner die Trägerstruktur (104) und die Spiegelstruktur (19) auf einer Seite des Durchgangswegs positioniert sind und die Lichtquelle auf einer gegenüberliegenden Seite des Durchgangswegs positioniert ist.
Verfahren zum Steuern der Position einer Komponente (402, 450), die in einem geschlossenem Raum innerhalb eines Gehäuses (400) lokalisiert ist, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–14, in welcher die Komponente (402, 450) längs eines Weges innerhalb des geschlossenen Raumes durch einen Positioniermechanismus (404, 454, 456) in Abhängigkeit von Positioniersignalen positionierbar ist, wobei der Positioniermechanismus in dem geschlossenem Raum lokalisiert ist und das Gehäuse (400) eine Öffnung (420) aufweist, durch welche wenigstens ein Teil der Komponente (402, 450) vom Äußeren des Gehäuses (400) her über den gesamten Weg der Komponente sichtbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: eine Interferenzstruktur (418) wird auf dem Teil der Komponente (402, 450) angeordnet, die vom Äußeren des Gehäuses (400) her durch dessen Öffnung (420) sichtbar ist, wobei die Interferenzstruktur (418) Interferenzstreifen an Stellen außerhalb des Gehäuses erzeugt, wenn Licht einer Wellenlänge ? auf die Interferenzstruktur (418) fällt; die Interferenzstruktur wird mit Licht der Wellenlänge ? bestrahlt; ein Interferenzdetektor (416) wird in den Interferenzstreifen derart positioniert, dass der Interferenzdetektor ein Referenzsignal als einen Ausgang liefert; der Positionismechanismus (404, 454, 456) wird derart gesteuert, dass das Referenzsignal als Ausgang des Interferenzdetektors (416) für irgendeine Position des Interferenzdetektors (416) aufrechterhalten wird, und der Interferenzdetektor (416) wird zu einer bezeichneten Position bewegt, wodurch der Positioniermechanismus (404, 454, 446) derart gesteuert wird, dass die Komponente (402, 450) sich in ähnlicher Weise zu der bezeichneten Position bewegt.
Verfahren nach Anspruch 15, in welchem als Interferenzstruktur ein Beugungsgitterfragment auf der Komponente (402, 450) vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Beugungsgitterfragment auf der Komponente (402, 450) angebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–17, bei welchem zum Steuern des Positioniermechanismus (404, 454, 456) eine geschlossene Regelschleife umfassend den Interferenzdetektor, den Positioniermechanismus und die Interferenzstruktur (418) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–18, in welchem die Bewegung des Interferenzdetektors (416) unter der Steuerung der geschlossenen Regelschleife gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem innerhalb der Steuerung durch die geschlossene Regelschleife die tatsächliche Position des Interferenzdetektors (416) mittels eines Positionsfühlers erfasst wird, die tatsächliche Position des Interferenzdetektors (416) mit einer Sollposition des Interferenzdetektors verglichen wird und die Position des Interferenzdetektors (416) eingestellt wird, bis seine tatsächliche Position der Sollposition entspricht.
Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die Bestimmung der tatsächlichen Position das Messen der tatsächlichen Position des Interferenzdetektors (416) mittels eines optischen Verschlüsslers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem die tatsächliche Position des Interferenzdetektors (416) mittels eines Michelson-Interferometers gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15–22, bei dem von einer Servosteuerschaltung (424) Positioniersignale geliefert werden und bei welchem die Komponente eine Rotationsachse (406) besitzt und bei welchem die Interferenzstruktur (418) eine Gitterstruktur aufweist, und wobei ein Interferenzdetektor (416) und eine Lichtquelle (15) der Wellenlänge ? auf einer drehbaren Struktur (416) gehalten werden, deren Rotationsachse (406) mit der Rotationsachse der Komponente (406) zusammenfällt, und wobei die drehbare Struktur (426) so positioniert wird, dass das Licht aus der Quelle (15) die Gitterstruktur (418) bestrahlt und zum Positionieren des Interferenzdetektors (416) dient, wobei ferner ein Ausgang des Interferenzdetektors (416), der einem ausgewählten Segment der Interferenzstreifen, die von dem Interferenzdetektor (416) erfasst werden, entspricht als Gitterausgangsstelle bezeichnet wird, und wobei der der Gitterausgangsstelle entsprechende Interferenzdetektorausgang der Servosteuerschaltung zugeführt wird, so dass die Positionieranordnung derart gesteuert wird, dass die Gitterausgangsstelle als Ausgang des Interferenzdetektors (416) während irgendeiner Bewegung der Komponente (402) beibehalten wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–14 mit einem Gehäuse (400), welches mit einem Positioniersystem verwendet werden kann, welches einen Interferenzdetektor (418) aufweist, der auf einer Positionierstruktur beweglich gehalten ist, wobei die Positionierstruktur in ausgewählte Positionen bewegt werden kann, und wobei das Positioniersystem eine Verarbeitungsschaltung (424) aufweist, die Signale aus dem Interferenzdetektor (416) analysieren und Steuersignale liefern kann, die für die Differenz zwischen den Signalen aus dem Interferenzdetektor (416) und einem gewünschten Signal repräsentativ sind, wobei das Gehäuse (400) eine einen geschlossenen Raum definierende Behausung, eine innerhalb der Behausung positionierte Komponente (402, 450), die längs eines Weges innerhalb der Behausung beweglich ist, und einen Positioniermechanismus (404, 454, 456) aufweist, welcher auf Steuersignale aus der Steuerschaltung anspricht und die Komponente (402, 450) längs des Weges positionieren kann; wobei das Beugungsgitter (418) auf der Komponente (402, 450) innerhalb der Behausung positioniert ist, wobei weiterhin die Behausung ein Fenster (420) aufweist, durch welches das Gitter (418) bei einer vorgegebenen Wellenlänge optisch vom äußeren der versiegelten Behausung sowie über den Weg der Komponente (402, 450) sichtbar ist, und wobei ferner das Gitter (418) Interferenzstreifen außerhalb der versiegelten Behausung erzeugen kann, wenn es mit Licht der vorgegebenen Wellenlänge bestrahlt wird, so dass der Interferenzdetektor (416) bezüglich des Fensters (420) der Behausung positionierbar ist, um die Interferenzstreifen zu erfassen, und wobei schließlich die Steuerschaltung Steuersignale dem Positioniermechanismus (404, 454, 456) derart zuführen kann, dass die Komponente (402, 450) längs des Weges in Abhängigkeit von den Steuersignalen positionierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–14. oder 24, bei der die Gitterstruktur (418) ein Gitterfragment ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–14 oder 24 oder 25, bei welcher die Gitterstruktur (418) ein reproduziertes Gitterfragment ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–14 oder 24–26, bei der die Gitterstruktur (418) durch eine Präzisionsbeschichtung eines Photowiderstandes gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der eine Schicht einkapselnden Materials über die Beschichtung des Photowiderstands aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–14 oder 24–28, bei der das Beugungsgitter (418) aus einer Präzisionsbechichtung eines Photowiderstandes gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der über die Beschichtung des Photowiderstandes eine Lage aus einkapselndem Material aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Beschichtung des einkapselnden Materials eine Aluminiumschicht für die Lichtreflexion ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Schicht aus einkapselndem Material entspiegelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6–14, bei der die Lichtquelle (15) eine Wellenfrontkorrekturstruktur (214) aufweist, die auf der Kopfstruktur (92) zur Aufnahme eines Parallellichtbündels (29) der Wellenlänge? aus der Lichtquelle (15) positioniert ist und die erste und zweite Bündel (216, 218) von Licht der Wellenlänge unter vorbestimmten Winkeln zu einer Achse der Parallellichtstrahlen (29) der Wellenlänge ? erzeugen, und wobei die ersten und zweiten winkeligen Bündel (216, 218) auf das Beugungsgitter (13A) fallen, wenn die Kopfstruktur (92) neben dem Beugungsgitter (13A) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, in der die Wellenfrontkorrekturstruktur (214) ein optisches Element (215) mit Brechungsindex ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33 oder 34, in der die Wellenfrontkorrekturstruktur ein Beugungsgitter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3–5, in welcher das Beugungsgitter (13A) bezüglich der Wellenfrontkorrekturstruktur (214) relativ beweglich ist und so positioniert wird, dass ein Bereich des Beugungsgitters durch die ersten und zweiten Bündel (216, 218) aus der Wellenfrontkorrekturstruktur beleuchtet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3–5 oder 36, in welcher die Wellenfrontkorrekturstruktur (214) so ausgebildet ist, dass der Winkel è_wfc, bei dem die ersten und zweiten Bündel (216, 218) erzeugt werden, zu linearen Interferenzstreifen in der Interferenz zwischen den positiven und negativen ersten Ordnungen (220) im Bereich der natürlichen Interferenz (221) des Beugungsgitters (13A) führen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3–5 sowie 36 oder 37, bei der das Beugungsgitter (13A) positive und negative erste Ordnungsbündel (220) unter einem Winkel ?_g bezüglich deren Normalen erzeugt, und in welcher der periodische Detektor Interferenzstreifen erfassen kann, die eine Periode von ë/sinè_e haben, und in der die Wellenfrontkorrekturstruktur erste und zweite Bündel (216, 218) erzeugt, die unter dem Winkel ?_wfc bezüglich der Normalen derart gewinkelt sind, dass èe = èg – èwfc ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–14 oder 24–38 mit einem polarisierenden Bündelteiler, einem Viertel-Wellenlängen-Phasenverzögerer (152), wobei der polarisierende Bündeltrenner (148) in einem Weg des Bündels positionert ist, um im Wesentlichen das gesamte Bündel durch den Phasenverzögerer (152) auf das Beugungsgitter (13) zu reflektieren, und wobei der polarisierende Bündeltrenner (148) und der Phasenverzögerer (152) derart positioniert sind, dass die vom Beugungsgitter (13) gebeugten positiven und negativen ersten Ordnungen (72, 70) durch den Phasenverzögerer (152) und den polarisierenden Bündeltrenner (148) laufen, und wobei ferner die positiven und negativen ersten Ordnungen der gebeugten Bündel (72, 70) durch den Phasenverzögerer (152) und den polarisierenden Strahltrenner (148) gelaufen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 39, in der der Phasenverzögerer (152) und der polarisierende Bündeltrenner (148) derart positioniert sind, dass sie danach das Lichtbündel auf das Beugungsgitter (13) längs eines Weges lenken, der normal zum Beugungsgitter (13) ist.