DE4337005C2 - Längen- oder Winkelmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferentiel­ le Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach den Ober­ begriffen der Ansprüche 1 oder 4.

Derartige Meßeinrichtungen sind aus einer Vielzahl von Druckschriften bekannt. Als Beispiel sei von der DE-OS 36 33 574 ausgegangen, in der Wegmeßein­ richtungen beschrieben sind. Eines der Ausführungs­ beispiele zeigt zwei Linearteilungen zur Umlenkung der positiven und negativen Beugungsstrahlen. Zur Gewinnung der Meßsignale werden Interferenzen der positiven und der negativen Beugungsstrahlen einer Ordnung ausgewertet.

In der Dissertation "Dreigitterschrittgeber" von J. Willhelm, 1978, Technische Universität Hannover, Seite 52, ist ein sogenannter "Viergittergeber" mit hoher Empfindlichkeit, bezogen auf die Gitterkonstante, beschrieben. Dort dient ein 120°- Prisma zur Umlenkung der gebeugten Teilstrahlenbün­ del. Als vorteilhaft wird dort angegeben, daß Ein- und Austrittsfeld getrennt sind, sodaß sich innere Reflexe nicht störend auswirken.

Nachteilig ist bei derartigen Anordnungen die soge­ nannte Moiré-Empfindlichkeit. Es treten Störungen auf, die auf der Empfindlichkeit der Positionsmeß­ einrichtung gegenüber Verdrehungen der Beugungsgit­ ter zueinander beruhen.

Aus der EP 0 146 244 B1 und der EP 0 364 984 A2 sind interferentiell arbeitende Längen- oder Win­ kelmeßeinrichtungen bekannt, deren Lichtquellen als Multimode-Laserdioden ausgebildet sind, die jeweils bestimmte Charakteristika aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, eine hochauflösende, einfach aufgebaute Po­ sitionsmeßeinrichtung der beschriebenen Gattung zu schaffen, bei der die Auswertung interferierender Strahlenbündel zu phasenverschobenen Signalen mit sehr gutem Modulationsgrad führt, die unempfindlich gegen Verdrehungen und Verkippungen der optischen Bauelemente zueinander ist und bei denen keine Mul­ timode-Laserdioden verwendet werden, denn deren Moden beeinflussen sich gegenseitig, was zu einem unerwünschten Rauschen führt (sogenanntes Mode Partition Noise).

Diese Aufgabe wird von Positionsmeßeinrichtungen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 4 gelöst, die durch die Unteransprüche in vorteilhafter Weise ausgestaltet werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsmeßein­ richtung liegen im einfachen Aufbau und in der Mög­ lichkeit, relativ große Anbautoleranzen zuzulassen. Die Justierung der Bauteile ist einfach.

Mit Hilfe der Zeichnungen wird die Erfindung anhand eines stark vereinfachten Ausführungsbeispieles nä­ her erläutert. Der dargestellte Abtastbereich ist Bestandteil von an sich hinreichend bekannten Posi­ tionsmeßeinrichtungen. Die relevanten optischen Bauelemente sind zum einfacheren Verständnis nur zweidimensional dargestellt, da eine räumliche Dar­ stellung - vor allem der Strahlengänge - zu unüber­ sichtlich werden würde.

Es zeigt

Fig. 1 einen Abtastbereich einer Längenmeß­ einrichtung in stark schematisierter Form;

Fig. 2 ein Spektrums-Diagramm einer Super­ lumineszenz-Diode;

Fig. 3 den Intensitätsverlauf einer Laser­ diode und

Fig. 4 ein Halbleiter-Substrat in Draufsicht.

In Fig. 1 sind Elemente einer Positionsmeßeinrich­ tung 1 gezeigt, bei der auf die Darstellung allge­ mein bekannter Details verzichtet wurde.

An einem der nicht dargestellten, relativ zueinan­ der beweglichen Objekte ist ein Beugungsgitter in Form eines Phasengitters 2 befestigt. Das Objekt mit dem Phasengitter 2 ist parallel zu einem eben­ falls nicht dargestellten zweiten Objekt angeord­ net. An diesem zweiten Objekt ist ebenfalls ein Beugungsgitter 3 befestigt, welches sich relativ zu dem ersten bewegt.

Von einer Beleuchtungseinrichtung 4 wird Licht aus­ gesendet und am Phasengitter 2 gebeugt. Gebeugte Teilstrahlenbündel -ϕ und +ϕ treffen auf das zweite Beugungsgitter 3 und werden abermals gebeugt. Die 0. Beugungsordnung kann mittels einer Blende 5 aus­ geblendet werden, bevor dieses Teilstrahlenbündel auf das zweite Beugungsgitter 3 auftrifft.

Dem zweiten Beugungsgitter 3 ist ein sogenanntes retroreflektierendes Element nachgeordnet. Solche Elemente sind an sich bekannt und für dieses Aus­ führungsbeispiel ist ein Tripelspiegel 6 gewählt worden. Das Beugungsgitter 3 und der Tripelspiegel 6 sind so aufeinander abgestimmt, daß sich die Teilstrahlenbündel -ϕ und +ϕ in einem einzigen Punkt schneiden. Nach dem Austritt aus dem Tripel­ spiegel 6 werden die Teilstrahlenbündel -ϕ und +ϕ beim Durchtritt durch das Beugungsgitter 3 wieder gebeugt und treffen auf das Phasengitter 2, wo sie nochmals gebeugt werden. Die interferierenden und gebeugten Teilstrahlenbündel treffen auf eine De­ tektoreinrichtung 7, von der sie in Meßsignale um­ gewandelt werden, die zueinander phasenverschoben sind. Es ist nicht erfindungswesentlich, welches der Gitter 2 oder 3 bewegt wird.

Ein weiteres Kriterium betrifft die spektralen Ei­ genschaften der Lichtquelle 4. Da es sich bei der Erfindung um ein hochauflösendes, interferentiell arbeitendes Meßsystem handelt, sollten die op­ tischen Weglängen möglichst gleich sein. Aus ferti­ gungstechnischen Gründen ist dies in der Praxis jedoch kaum zu realisieren, daher muß die Wellen­ länge der Lichtquelle 4 (die Schwerpunktwellenlänge bei spektral breiten Lichtquellen) möglichst kon­ stant gehalten werden. Dies geschieht üblicherweise durch eine Stabilisierung von Injektionsstrom und Temperatur. Voraussetzung dafür ist, daß die Wel­ lenlänge bei geringen Änderungen der Betriebspara­ meter nicht springt, also keine Unstetigkeiten auf­ weisen darf.

In Fig. 2 ist ein Spektrum einer Superlumines­ zenz-Diode gezeigt, die diese Spezifikationen er­ füllt, um in interferentiell arbeitenden Längen- oder Winkelmeßsystemen eingesetzt werden zu können.

Die Leuchtfläche dieser Halbleiter-Lichtquelle 4 ist im optischen Sinne punktförmig. Das heißt sie weist eine Leuchtfläche mit einer flächenmäßigen Ausdehnung von maximal 50 µm² und ein annähernd kon­ tinuierlich verlaufendes Spektrum auf, und zwar mit einer spektralen Halbwertsbreite H von mindestens 5 nm und nicht mehr als 50 nm wobei die Breite des Spektrums bei einem Intensitätsverhältnis von 0,5 als Halbwertsbreite H bezeichnet wird. Unter konti­ nuierlichem Spektrum soll ein Verlauf der spektra­ len Leistungsdichte verstanden werden, bei der der Abstand der longitudinalen Schwingungsmoden vonein­ ander möglichst kleiner ist als die Breite jeder einzelnen Schwingungsmode.

Dadurch wird gewährleistet, daß das Licht (auch mit hier nicht gezeigter kurzbrennweitiger Linse) hin­ reichend gut kollimiert werden kann, also der Strahlquerschitt sich über den optischen Weg nicht wesentlich vergrößert. Für die interferentielle Längen- oder Winkelmeßeinrichtung sind Lichtquellen mit einem Durchmesser der aktiven Fläche < 50 µm geeignet.

Eine weitere geeignete Lichtquelle 4 ist die in dem Artikel von Schubert, Wang, Cho, Tu, Zydzik, Appl. Phys. Lett. 60(1992)921 beschriebene "Resonant Cavi­ ty Light Emitting Diode" (RCLED). Sie weist ein breites, strukturloses (und damit modensprungfrei­ es) Spektrum zusammen mit einem kleinen Durchmesser der aktiven Zone (30 µm) bei hoher Ausgangsleistung (0.2 mW) auf.

In Fig. 3 ist der Intensitätsverlauf einer weite­ ren geeigneten Lichtquelle 4 dargestellt. Dies ist eine Laserdiode mit speziellem Aufbau, eine soge­ nannte "Vertical Cavity Surface Emitting Laser Dio­ de" (VCSEL). Eine VCSEL ist ganz ähnlich wie die oben erwähnte RCLED aufgebaut. Allerdings weist das Spektrum nur eine einzige Mode M auf, ganz analog zu einer herkömmlichen Singlemode-Laserdiode. Der Unterschied zu einer gängigen Singlemode-Laserdiode besteht darin, daß die Cavity - also die Resonator­ länge - der VCSEL nur wenige µm lang ist. Das führt dazu, daß der Modenabstand so groß ist, daß die nächste (theoretisch) anregbare Mode M' außerhalb des Verstärkungsprofils A (- welches beispielsweise einer Gaußschen Glockenkurve entspricht -) liegt und somit nicht auftreten kann. Ohne hier auf den exakten Aufbau einer derartigen Lichtquelle 4 ein­ zugehen sei grundsätzlich erläutert: Neben einer Verstärkungsbandbreite von typisch 50 bis 200 nm existiert eine sogenannte Reflektivitätsbandbreite von typisch 10 bis 50 nm. Die die Reflexionsband­ breite bestimmende Bragg-Reflektoren können in ein­ fachstem Modell als schmalbandige Spiegel für einen bestimmten Ort betrachtet werden, der die Resona­ torlänge bestimmt. Die extrem kurze Resonatorlänge von ca. 1. . .10 µm bewirkt einen Modenabstand von ≳ 20 nm bei einer Wellenlänge von beispielsweise 0,9 µm. Da in einem Abstand von < 20 nm der Maxima der Verstärkungs A- bzw. Reflexionskurve R die Ver­ stärkung bzw. Bragg-Reflexion bereits stark abge­ nommen hat, kann nur die longitudinale Mode M an­ laufen, die am nächsten zu beiden (möglichst iden­ tischen) Maxima liegt (longitudinaler Einmodenbe­ trieb).

Bei einer Änderung von Strom und Temperatur ver­ schiebt sich die Wellenlänge der entsprechenden Mode M nur wenig (Raten 0,01 nm/mA bzw. 0,06 nm/mA). Dagegen verlagert sich das Verstärkungs­ maximum bei Temperaturänderung sehr stark (Rate 0,3 nm/K). Da aber der Modenabstand so groß ist, sind extreme Temperaturänderungen möglich, ohne daß eine benachbarte Mode M' näher an das Verstärkungs­ maximum reicht und ein Modensprung auftritt. Bei VCSEL mit kurzen Resonatorlängen kann der moden­ sprungfreie Bereich den gesamten zulässigen Bereich der Betriebsparameter Temperatur und Strom umfas­ sen.

Da ferner eine geringe Verlustleistung aufgrund des sehr geringen Schwellstromes eine geringe thermi­ sche Aufheizung des Abtastkopfes bewirkt, ist auch im Bereich von Nanometermessungen ein exakter und störungsfreier Betrieb möglich.

Bei einer VCSEL handelt es sich also um eine (lon­ gitudinal) modensprungfreie Singlemode-Laserdiode, die damit nach dem oben Gesagten als Lichtquelle für eine interferentiell arbeitende Längen- oder Winkelmeßeinrichtung in Frage kommt.

Diese Halbleiteranordnungen emittieren die Laser­ strahlung von der Oberfläche des Halbleiterlasers. Das räumliche Profil der abgestrahlten Leistung weist widerum die Form einer Gaußschen Glockenkurve und eine geringe Divergenz auf, was durch das Dia­ gramm deutlich gemacht werden soll.

Ein weiterer Vorteil dieses Oberflächenstrahlers besteht darin, daß die Detektoren 7 gemeinsam mit der Lichtquelle 4 auf einem Halbleitersubstrat an­ geordnet können, was in Fig. 4 dargestellt ist.

Ferner ist es vorteilhaft, eine Monitor-Diode (nicht dargestellt) zur Leistungsregelung der Halb­ leiter-Lichtquelle 4 vorzusehen.

Claims (5)

1. Interferentielle Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit minde­ stens einer Halbleiter-Lichtquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Lichtquelle (4) eine Super-Lumineszenz-Diode ("SLD") oder eine Resonant Cavity Light-Emitting Diode ("RCLED") ist, die eine Leuchtfläche mit einer flächenmäßigen Ausdehnung von maximal 50 µm² besitzt und die ferner ein annähernd kontinuierlich verlaufendes Frequenzspektrum mit einer spektralen Halbwertsbreite (H) von nicht mehr als 50 nm und mindestens 5 nm aufweist.

2. Interferentielle Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit minde­ stens einer Halbleiter-Lichtquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Lichtquelle (4) eine Laserdiode in Form einer Ver­ tical Cavity Surface Emitting Laser Diode ("VCSEL") ist, die eine punktförmige Strahlcharakteristik mit einem Durchmesser von maximal 50 µm besitzt und von einer longitudinal moden­ sprungfreien Singlemode-Laserdiode gebildet wird.

3. Interferentielle Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Halblei­ ter-Lichtquelle (4) durch Beugung Teilstrahlenbündel (-ϕ, +ϕ) mittels wenigstens einem Gitter (2) erzeugt und von einem weite­ ren Gitter (3) so abgelenkt werden, daß sie konvergierend aus diesem Gitter (3) austreten, in wenigstens ein retroreflektieren­ des Element (6) eintreten und nach Durchlaufen des retroreflek­ tierenden Elementes (6) divergierend wieder auf das Gitter (3) auftreffen und so abgelenkt werden, daß sie interferieren und auf Detektoren (7) treffen.

4. Interferentielle Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Lichtquelle (4) gemeinsam mit Detektoren (7) auf ei­ nem Halbleitersubstrat angeordnet ist.

5. Interferentielle Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsregelung der Halbleiter-Lichtquelle (4) mindestens eine Monitor-Diode vorgesehen ist.