DE69211086T2

DE69211086T2 - Messverfahren und Messgerät

Info

Publication number: DE69211086T2
Application number: DE69211086T
Authority: DE
Inventors: Koh C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo 146 Ishizuka; Tetsuharu C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo 146 Nishimura; Hiroyasu C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo 146 Nose; Seiji C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo 146 Takeuchi; Minoru C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo 146 Yoshii
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-10-03
Filing date: 1992-10-02
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2012-10-03
Also published as: EP0536655A1; DE69211086D1; US5404220A; EP0536655B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung, und insbesondere ist die vorliegende Erfindung zur Anwendung bei optischen Überlagerungsinterferenz-Anordnungen, zum Beispiel einer Vorrichtung, welche eine sehr kleine Verschiebung eines Objekts unter Anwendung einer Beugungseinrichtung wie zum Beispiel eines Beugungsgitters mißt, geeignet.

Verwandter Stand der Technik

Bisher ist auf dem Gebiet der mechanischen Steuerung ein sogenannter optischer Kode-Umsetzer verwendet worden, welcher einen Betrag der Bewegung oder Betrag der Drehung eines Objekts unter Anwendung einer optischen Skala mißt. Ein herkömmlicher optischer Kode-Umsetzer ist zum Beispiel in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 58-19190 (=DE-A-3 316 144) offenbart worden. Bei diesem optischen Kode-Umsetzer wird kohärentes Licht von einer Lichtquelle durch einen Spiegel oder dergleichen dazu gebracht, in ein Beugungsgitter einzutreten, welches eine Bezugsskala ist. Von diesem Beugungsgitter emittiertes gebeugtes Licht ± N-ter Ordnung wird mittels eines Winkelkubus in seine ursprüngliche Richtung reflektiert und wird außerdem dazu gebracht, in das Beugungsgitter einzutreten. Dann werden die gebeugten Lichtstrahlen ±N-ter Ordnung in die gleiche Richtung abgelenkt, um miteinander zu interferieren. Die Intensität des resultierenden Interferenzlichts wird mittels eines optischen Sensors erfaßt.
Da eine derartige Vorrichtung klein ist und eine hohe Auflösung erzielen kann, ist sie für unterschiedliche Zwecke und für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet worden.
Da Bearbeitung und Steuerung präziser und feiner geworden sind, wurde es erforderlich, daß eine derartige Meßvorrichtung eine höhere Auflösung als je zuvor hat.
Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. JP-A-2- 297 005 offenbart einen Überlagerungsinterferenz-Aufbau, der Strahlenteiler zur Teilung eines Lichtstrahls von zwei Wellenlängen in drei Lichtstrahlen aufweist, um eine Vielzahl von Beugungsgittern zu beleuchten, um optische Überlagerungssignale der gebeugten Lichtstrahlen zu erfassen. Durch Vergleich dieser optischen Überlagerungssignale wird eine Relativposition einer Maske und eines Wafers gesteuert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Meßvorrichtung, welche auf dem Gebiet der optischen Kode-Umsetzer bei der optischen Verschiebungsinformations-Erfassung eine höhere Auflösung als zuvor erzielt.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und mittels der Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst.
Die Erfindung wird mit Hilfe der in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale weiterentwickelt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung unter Anwendung der Technologie, welche eine Voraussetzung für die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Längenmeßvorrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer Längenmeßvorrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer Längenmeßvorrichtung eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 ist eine Ansicht, die das optische System eines Teils des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht des Hauptteils eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 ist eine Ansicht, die eine teilweise Abänderung des in Fig. 6 gezeigten Teils veranschaulicht,
Fig. 8 ist eine Ansicht, die eine teilweise Abänderung des in Fig. 6 gezeigten Teils veranschaulicht,
Fig. 9 ist eine Ansicht, die eine teilweise Abänderung des in Fig. 6 gezeigten Teils veranschaulicht,
Fig. 10 ist eine Ansicht, die eine teilweise Abänderung des in Fig. 6 gezeigten Teils veranschaulicht,
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht des Hauptteils eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und
Fig. 12 ist eine Ansicht, die eine teilweise Abänderung des in Fig. 11 gezeigten Teils veranschaulicht,

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Eine Meßvorrichtung gemäß den Ausführungsbeispielen, welche nun beschrieben werden, enthält eine Lichtstrahl-ausbildende Einheit zur Ausbildung eines ersten Paars von Strahlen, das unterschiedliche Frequenzen hat, und eines zweiten Paars von Strahlen, das unterschiedliche Frequenzen hat, welche auf eine solche Weise kombiniert werden, daß Überlagerungssignale erzeugt werden, welche die gleiche Frequenz haben,
eine Strahlungseinheit zur Abstrahlung jedes der Paare von Strahlen auf eine solche Weise, daß ein Lichtstrahl von einem der Strahlenpaare, der eine geringe Frequenz hat, und ein Lichtstrahl von dem anderen Strahlenpaar, der eine hohe Frequenz hat, mittels der Beugungseinheit mit einer ersten Ordnung gebeugt werden, und, daß ein Lichtstrahl von einem der Strahlenpaare, der eine hohe Frequenz hat, und ein Lichtstrahl von dem anderen Strahlenpaar, der eine geringe Frequenz hat, mittels der Beugungseinheit mit einer zweiten Ordnung gebeugt werden, deren Merkmal sich von dem der ersten Ordnung unterscheidet,
und eine Verschiebungsinformations-Erfassungseinheit zur Ermittlung einer Relativverschiebungs-Information der Beugungseinheit durch Vergleich eines ersten Überlagerungssignals, das dadurch erzielt wird, daß das erste Paar gebeugter Strahlen dazu gebracht wird, miteinander zu interferieren, mit einem zweiten überlagerungssignal, das dadurch erzielt wird, daß das zweite Paar gebeugter Strahlen dazu gebracht wird, miteinander zu interferieren.
Bevor die Ausführungsbeispiele erklärt werden, wird im folgenden die Technologie, welche eine Voraussetzung für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele ist, mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Längenmeßvorrichtung unter Anwendung der vorauszusetzenden Technologie.
Gemäß Fig. 1 wird zuerst ein monochromatischer Lichtstrahl aus einem Halbleiterlaser LD mittels eines Polarisationsstrahlenteilers BSL in zwei Lichtstrahlen L1 und L2 geteilt. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden jeweils dazu gebracht, in akustische optische Modulatoren AO1 und AO2 einzutreten. Die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; der abgegebenen Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen um 90º relativ zueinander geneigt sind, sind derart verschoben, daß sich die Frequenzen in einem Maße unterscheiden, daß deren Überlagerungssignale elektrisch überwacht werden können. Die Lichtstrahlen werden mittels eines Halbspiegels HM gemischt.
Ein Teil dieses gemischten Lichtstrahls wird mittels eines Strahlenteilers BS2 abgeteilt, und mittels eines Fotorezeptorelements PD1 wird ein optisches Überlagerungssignal als ein Bezugssignal erzielt. Eine Polarisationsplatte PP1, deren Polarisationsausrichtung um 45º geneigt ist, ist an einer Stelle vor dem PD1 eingesetzt, um zu bewirken, daß die Polarisationsebenen der zwei Lichtstrahlen ausgerichtet werden, und die Lichtstrahlen dazu zu bringen, daß sie zu diesem Zeitpunkt miteinander interferieren.
Wenn der mittels BS2 geteilte restliche Lichtstrahl senkrecht in das Beugungsgitter GS eintritt und gebeugt wird, wird die Phase δ des Beugungsgitters GS zu der Beugungswellenf ront addiert. Wenn angenommen wird, daß die Anfangsphase eines einfallenden Strahls 0 ist, wird die Phase der ge beugten Wellen als exp {i (wt + mδ)} ausgedrückt, wobei m die Ordnung der Beugung ist. Der Lichtstrahl + erster Ordnung und der Lichtstrahl - erster Ordnung sind zum Beispiel exp {i (wt + δ)} bzw. exp {i (wt - δ)}. Um für den Lichtstrahl L3 + erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub1; und für den Lichtstrahl L4 - erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub2; abzuteilen, sind die Polarisationsfilter PF1 und PF2 jeweils innerhalb der optischen Wege der Lichtstrahlen L3 und L4 angeordnet. Die Lichtstrahlen L3 und L4 erreichen Winkelkubusprismen CC1 und CC2, werden jeweils in eine Richtung parallel und entgegengesetzt der Einfallsrichtung reflektiert, werden dazu gebracht, zu einem Punkt P2 auf dem Beugungsgitter GS zurückzukehren, werden ein zweites Mal mit der gleichen Ordnung wie bei der ersten Beugung gebeugt, um zu einem Lichtstrahl zu werden, interferieren miteinander und erreichen das Fotorezeptorelement PD2.
Es gibt eine Phasenverzögerung einer Wellenlänge in der Phase des Lichtstrahls L3 + erster Ordnung für eine Verschiebung entsprechend einem Abstand des Beugungsgitters GS längs der x-Ausrichtung. Es gibt eine Phasenverzögerung einer Wellenlänge in der Phase des Lichtstrahls L4 - erster Ordnung. Wenn diese Lichtstrahlen noch einmal mittels der Winkelkubusprismen CC1 und CC2 reflektiert werden und mit der gleichen Ordnung wie vorher reflektiert werden, wird eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen zu den Phasen der zwei Lichtstrahlen addiert, wenn die Lichtstrahlen gemischt werden.
Wenn ein Lichtstrahl, der eine Frequenz f&sub1; hat, durch u&sub1; = a exp {i (w&sub1;t)} repräsentiert wird, und ein Lichtstrahl, der eine Frequenz f&sub2; hat, durch u&sub2; = b exp {i (w&sub2;t)} (wobei a, b Konstanten sind, t die Zeit ist und i eine imaginäre Einheit ist) repräsentiert wird, wird ein optisches Überlagerungssignal, das mittels des Fotorezeptorelements PD1 als ein Bezugssignal ermittelt wird, wie folgt ausgedrückt:
IREF = a² + b² + 2ab cos (w&sub1; - w&sub2;) t
Da bei der vorhergehenden Gleichung w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; gilt, ist dieses Signal ein Signal mit einer Frequenz, die der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2; entspricht. Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal, wenn der Lichtstrahl L3 gebeugt wird, zu dem Lichtstrahl L3 + erster Ordnung addiert wird, und der Lichtstrahl + erster Ordnung zum Schluß zweimal gebeugt ist, kann der folgende Ausdruck aufgestellt werden,
u'&sub1; = a' exp {i (w&sub1;t + 2δ)}
wobei a' eine Konstante ist.
Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal, wenn der Lichtstrahl L4 gebeugt wird, von dem Lichtstrahl L4 -erster Ordnung subtrahiert wird, und der Lichtstrahl - erster Ordnung zum Schluß zweimal gebeugt ist, trifft ein Lichtstrahl, der wie folgt ausgedrückt werden kann,
u'&sub2; = b' exp {i (w&sub2;t - 2δ)}
(wobei b' eine Konstante ist) auf dem Fotorezeptorelement PD2 auf. Deshalb kann ein mittels des Fotorezeptorelements PD2 erzieltes optisches Überlagerungssignal wie folgt ausgedrückt werden:
ISIG = a'² + b'² + 2a'b' cos { (w&sub1; - w&sub2;) t + 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist die gleiche wie die des Bezugssignals, aber die Phase des optischen Überlagerungssignals ist in bezug auf das Bezugssignal um einen Betrag von 4 δ proportional zu dem Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS, d. h. X (= δ/2π P, wobei P die Gitterkonstante ist) phasenverschoben.
Die zwei mittels der Fotorezeptorelemente PD1 und PD2 erzielten optischen Überlagerungssignale werden in eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung PDC eingegeben. Die Phasendifferenz zwischen den Signalen (als θ bezeichnet) wird erfaßt, um den Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS zu messen. Wenn die Gitterkonstante des Beugungsgitters GS auf 1,6 µm eingestellt ist und der Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS als x bezeichnet wird, wird die folgende Beziehung erfüllt:
θ = 4δ = 4 x 2πx/1,6 [rad]
Deshalb ist es offensichtlich, daß, wenn eine Phasenabweichung von einer Periode, d. h. 2π [rad] erfaßt wird, das Beugungsgitter GS um 1,6 µm ÷ 4 = 0,4 µm bewegt worden ist. Die Erfassung eines Bewegungsbetrags mit einem hohen Auflösungsgrad wird möglich gemacht, indem die minimale Erfassungs-Phasendifferenz ausreichend kleiner als eine Periode gemacht wird. Wenn eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung verwendet wird, die zur Auflösung bis hin zu beispielsweise 0,2º geeignet ist, kann theoretisch eine Verschiebung bis hin zu 0,22 [nm] gemessen werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele auf der Basis der vorhergehend beschriebenen vorauszusetzenden Technologie mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Längenmeßvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Komponenten in Fig. 2, welche die gleichen wie die in Fig. 1 gezeigten sind, haben die gleichen Bezugszeichen.
Gemäß Fig. 2 wird zuerst ein monochromatischer Lichtstrahl aus einem Halbleiterlaser LD mittels des Polarisationsstrahlenteilers BSL in zwei Lichtstrahlen L1 und L2 geteilt. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden jeweils dazu gebracht, in die akustischen optischen Modulatoren AO1 und AO2 einzutreten. Die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; der abgegebenen Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen um 90º relativ zueinander geneigt sind, sind derart verschoben, daß sich die Frequenzen in einem Grade unterscheiden, daß deren Überlagerungssignale elektrisch überwacht werden können. Die Lichtstrahlen werden mittels des Halbspiegels HM gemischt.
Der gemischte Lichtstrahl wird mittels eines Strahlenteilers BS2 in zwei Strahlen geteilt. Der durchgelassene Lichtstrahl wird mittels eines Spiegels MR3 reflektiert. Die Strahlen treten jeweils an Punkten P5 und P3 senkrecht in das Beugungsgitter GS ein und werden gebeugt. Um für den am Punkt P5 gebeugten Lichtstrahl L7 + erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub1; und für den Lichtstrahl L8 - erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub2; abzuteilen, sind die Polarisationsfilter PF5 und PF6 jeweils innerhalb der optischen Wege für die Lichtstrahlen L7 und L8 angeordnet. Um auf ähnliche Weise für den am Punkt P3 gebeugten Lichtstrahl L5 + erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub2; und für den Lichtstrahl L6 - erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub1; abzuteilen, sind die Polarisationsfilter PF3 und PF4 jeweils innerhaib der optischen Wege der Lichtstrahlen L5 und L6 angeordnet. Die Lichtstrahlen L7, L8, LS und L4 erreichen Winkelkubusprismen CC5, CC6, CC3 bzw. CC4, werden in eine Richtung parallel und entgegengesetzt der Einfallsrichtung reflektiert, werden dazu gebracht, zu Punkten P6 und P4 auf dem Beugungsgitter GS zurückzukehren, werden ein zweites Mal mit der gleichen Ordnung wie bei der ersten Beugung gebeugt, um zu einem Lichtstrahl zu werden, interferieren miteinander und erreichen das Fotorezeptorelement PD2. Die Lichtstrahlen werden an den Punkten P6 und P4 ein zweites Mal mit der gleichen Ordnung wie bei der ersten Beugung gebeugt. An jedem dieser zwei Punkte werden zwei Lichtstrahlen gemischt, um zu einem Lichtstrahl zu werden. Der gemischte Lichtstrahl von P6 wird dazu gebracht, in das Fotorezeptorelement PD3 einzutreten, und der gemischte Lichtstrahl von P4 wird dazu gebracht, in das Fotorezeptorelement PD4 einzutreten. Die Polarisationsplatten PP3 und PP4, deren Polarisationsausrichtungen um 45º geneigt sind, um zu bewirken, daß die Lichtstrahlen miteinander interferieren, wobei deren Polarisationsebenen ausgerichtet sind, sind an einer Stelle vor dem Fotorezeptorelement PD3 bzw. PD4 eingesetzt.
Es gibt eine voreilende Phasenverschiebung von einer Wellenlänge in den Phasen der Lichtstrahlen L7 und L5 + erster Ordnung für eine Verschiebung entsprechend einem Abstand des Beugungsgitters GS längs der x-Ausrichtung. Es gibt ei ne Phasenverzögerung von einer Wellenlänge in der Phase der Lichtstrahlen L8 und L6 - erster Ordnung. Wenn diese Lichtstrahlen noch einmal mittels der Winkelkubusprismen reflektiert werden und mit der gleichen Ordnung wie vorher reflektiert werden, wird eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen zu den Phasen der gemischten Lichtstrahlen L7 und L8 addiert, wenn die Lichtstrahlen an Punkt P6 erneut gemischt werden. Außerdem wird eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen zu den im Punkt P4 gemischten Lichtstrahlen L5 und L6 addiert.
Wenn angenommen wird, daß w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; gemäß Vorbeschreibung ist, wird der Lichtstrahl L1 als u&sub1; = a exp {i (w&sub1;t) } ausgedrückt, und der Lichtstrahl L2 wird als u&sub2; = b exp {i (w&sub2;t)} ausgedrückt. Die Phase 6, die dem Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS entspricht, wird wie folgt mittels der Gitterkonstante des Beugungsgitters GS als P ausgedrückt:
δ=2πx/P
Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal zu dem Lichtstrahl L7 + erster Ordnung addiert wird, wenn er gebeugt wird, und insgesamt zweimal mit + erster Ordnung gebeugt wird, kann der Lichtstrahl, wenn er auf dem Fotorezeptorelement PD3 auftrifft, mittels der folgenden Gleichung ausgedrückt werden,
u''&sub1; = a'' exp {i (w&sub1;t + 2δ)}
wobei a'' eine Konstante ist. Da die Phase 6 des Beugungsgitters GS jedesmal, wenn der Lichtstrahl L4 gebeugt wird, von dem Lichtstrahl L8 -erster Ordnung subtrahiert wird, und der Lichtstrahl - erster Ordnung zum Schluß zweimal gebeugt ist, trifft ein Lichtstrahl, der wie folgt ausge drückt wird,
u''&sub2; = b'' exp {i (w&sub2;t - 2δ)}
(wobei b' eine Konstante ist) auf dem Fotorezeptorelement PD3 auf. Deshalb kann ein mittels des Fotorezeptorelements PD3 erzieltes optisches Überlagerungssignal wie folgt ausgedrückt werden:
IPD3 = a''² + b''² + 2a''b'' cos { (w&sub1; - w&sub2;) t + 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist gleich der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2;. Deren Phase wird wegen der Beugung um einen Betrag 4δ proportional zu dem Bewegungsbetrag des Beugungsgitters GS addiert. Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal zu dem Lichtstrahl L5 + erster Ordnung addiert wird, wenn er gebeugt wird, und der Lichtstrahl + erster Ordnung insgesamt zweimal gebeugt wird, kann die folgende Gleichung aufgestellt werden, wenn der Lichtstrahl auf dem Fotorezeptorelement PD4 auftrifft,
u'''&sub2; = b''' exp {i (w&sub2;t + 2δ) wobei b''' eine Konstante ist. Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal von dem Lichtstrahl L6 - erster Ordnung subtrahiert wird, wenn er gebeugt wird, und der Lichtstrahl - erster Ordnung schließlich zweimal gebeugt ist, trifft ein Lichtstrahl, der als
u'''1/8 = a''' exp {i (w&sub1;t - 2δ)
ausgedrückt wird, (wobei a''' eine Konstante ist) auf dem Fotorezeptorelement PD4 auf. Deshalb wird ein mittels des Fotorezeptorelements PD4 erzieltes optisches Überlagerungssignal wie folgt ausgedrückt:
IPD4 = a'''² + b'''² + 2a'''b''' cos {(w&sub1; - w&sub2;) t - 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist gleich der mittels des Fotorezeptorelements PD3 erzielten, und ein Betrag 46 proportional zu dem Bewegungsbetrag des Beugungsgitters GS wird mittels Beugung von der Phase subtrahiert. Die zwei mittels der Fotorezeptorelemente PD3 und PD4 erzielten optischen Uberlagerungssignale werden in die Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung PDC eingegeben. Die als θ bezeichnete Phasendifferenz zwischen den Signalen wird mittels der Erfassungseinrichtung PDC erfaßt, um den Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS zu messen. Wenn die Gitterkonstante des Beugungsgitters GS auf 1,6 µm festgesetzt ist und der Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS als x bezeichnet wird, wird die folgende Relation erfüllt:
θ = 8δ = 8 x 2πx/1,6 [rad]
Somit wird es deutlich, daß, wenn eine Phasenabweichung von einer Periode, d. h. 8δ = 2π [rad] erfaßt wird, das Beugungsgitter GS um 1,6 µm ÷ 8 = 0,2 µm bewegt worden ist. Dies bedeutet, daß der Betrag einer Verschiebung, welcher mittels einer Phasendifferenz von einer Periode erfaßt werden kann, die Hälfte des Betrags bei der vorhergehend erwähnten Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist. Demgemäß ist, selbst wenn eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung verwendet wird, welche die gleiche Auflösung hat, ein minimal erfaßter Verschiebungsbetrag der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels halb so groß wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1, und es wird eine höhere Auflösung erzielt. Der Gebrauch der vorhergehend erwähnten Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung, die zur Auflösung bis hin zu 0,20 geeignet ist, erlaubt, daß theoretisch eine Verschiebung bis hin zu 0,11 [nm] gemessen wird.
Fig. 3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Obgleich bei diesem Ausführungsbeispiel mittels des optischen Systems rund um die Beugungsgitter auf die gleiche Weise wie bei dem elften Ausführungsbeispiel abteilt wird, wird ein Bezugssignal extrahiert, und das Verfahren zur Erfassung einer Phasendifferenz ist modifiziert Komponenten, die den vorhergehend beschriebenen gleichen, sind im folgenden die gleichen Bezugszeichen gegeben.
Gemäß Fig. 3 wird zuerst ein monochromatischer Lichtstrahl von einem Halbleiterlaser LD mittels eines Polarisations strahlenteilers BSI in zwei Lichtstrahlen L1 und L2 geteilt. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden jeweils dazu gebracht, in die akustischen optischen Modulatoren AO1 und AO2 einzutreten. Die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; der abgegebenen Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen um 90º relativ zu einander geneigt sind, sind derart verschoben, daß sich die Frequenzen in einem Maße unterscheiden, daß deren überlagerungssignale elektrisch überwacht werden können. Die Lichtstrahlen werden mittels des Halbspiegels HM gemischt.
Ein Teil dieses gemischten Lichtstrahls wird mittels des Strahlenteilers BS2 abgeteilt, und ein optisches Überlagerungssignal wird mittels des Fotorezeptorelements PD1 als ein Bezugssignal bereitgestellt. Die Polarisationsplatte PP1, deren Polarisationsausrichtung um 45º geneigt ist, ist an einer Stelle vor dem PD1 eingesetzt, um zu bewirken, daß die Polarisationsebenen der zwei Lichtstrahlen ausgerichtet werden, und die Lichtstrahlen dazu zu bringen, daß sie zu diesem Zeitpunkt miteinander interferieren.
Der mittels BS2 geteilte restliche Lichtstrahl wird mittels des Strahlenteilers BS3 weiterhin zweigeteilt. Die von dem Strahlenteiler BS3 durchgelassenen Lichtstrahlen werden mittels des Spiegels MR3 reflektiert, und die durchgelassenen und reflektierten Lichtstrahlen treten jeweils an Punkten P5 und P3 senkrecht in das Beugungsgitter GS ein und werden gebeugt. Um für den am Punkt P5 gebeugten Lichtstrahl L7 + erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub1; und für den Lichtstrahl L8 - erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub2; abzuteilen, sind die Polarisationsfilter PF5 und PF6 jeweils innerhalb der optischen Wege der Lichtstrahlen L7 und L8 angeordnet. Um auf ähnliche Weise für den am Punkt P3 gebeugten Lichtstrahl L5 + erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub2; und für den Lichtstrahl L6 - erster Ordnung nur die Lichtstrahlen der Frequenz f&sub1; abzuteilen, sind die Polarisationsfilter PF3 und PF4 jeweils innerhalb der optischen Wege der Lichtstrahlen L5 und L6 angeordnet. Die Lichtstrahlen L7, L8, L5 und L6 erreichen Winkelkubusprismen CC5, CC6, CC3 bzw. CC4, werden jeweils in eine Richtung parallel und entgegengesetzt der Einfallsrichtung reflektiert, und werden dazu gebracht, zu Punkten P6 und P4 auf dem Beugungsgitter GS zurückzukehren. Die Lichtstrahlen werden an diesen zwei Punkten ein zweites Mal mit der gleichen Ordnung wie bei der ersten Beugung gebeugt, und werden zu einem Lichtstrahl. Die gemischten Lichtstrahlen vom Punkt P6 erreichen das Fotorezeptorelement PD3, und die Lichtstrahlen vom Punkt P4 erreichen das Fotorezeptorelement PD4. Die Polansationsplatten PP3 und PP4, deren Polarisationsausrichtungen um 45º geneigt sind, sind, um zu bewirken, daß die Polarisationsebenen der zwei gemischten Lichtstrahlen ausgerichtet werden, und um zu bewirken, daß die Lichtstrahlen miteinander interferieren, an Stellen vor den Fotorezeptorelementen PD3 bzw. PD4 eingesetzt.
Es gibt eine voreilende Phasenverschiebung von einer Wellenlänge in der Phase der Lichtstrahlen L7 und L5 + erster Ordnung für eine Verschiebung entsprechend einem Abstand des Beugungsgitters GS längs der x-Ausrichtung. Es gibt eine Phasenverzögerung von einer Wellenlänge in der Phase der Lichtstrahlen L8 und L6 - erster Ordnung. Wenn jeder dieser Lichtstrahlen mittels der Winkelkubusprismen reflektiert wird und noch einmal mit der gleichen Ordnung wie vorher reflektiert wird, wird eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen zu den Phasen der gemischten Lichtstrahlen L7 und L8 addiert, wenn die Lichtstrahlen am Punkt P6 gemischt werden. Außerdem wird eine Phasendifferenz von vier Wellenlängen zu der Phase der gemischten Lichtstrahlen L5 und L6 addiert, wenn die Lichtstrahlen im Punkt P4 gemischt werden.
Wenn, wie vorhergehend beschrieben ist, ein Lichtstrahl, der eine Frequenz f&sub1; hat, durch u&sub1; = a exp {i (w&sub1;t)} repräsentiert wird, und wenn ein Lichtstrahl, der eine Frequenz f&sub2; hat, durch u&sub2; = b exp {i (w&sub2;t)} repräsentiert wird, wird ein optisches Überlagerungssignal, das mittels des Fotorezeptorelements PD1 als ein Bezugssignal ermittelt wird, wie folgt ausgedrückt:
IREF = a² + b² + 2ab cos (w&sub1; - w&sub2;) t.
Da bei der vorhergehenden Gleichung w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; gilt, ist dieses Signal ein Signal, das eine Frequenz hat, die der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2; entspricht. Die Phase δ des Beugungsgitters GS, die dem Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS entspricht, wird, wie im vorhergehenden erwähnt wurde, wie folgt ausgedrückt:
δ = 2πx/P
Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal zu dem Lichtstrahl L7 + erster Ordnung addiert wird, wenn er ge beugt wird, und der schließlich mit + erster Ordnung gebeugte erzielte Lichtstrahl zweimal gebeugt ist, kann der folgende Ausdruck aufgestellt werden, wenn der Lichtstrahl auf dem Fotorezeptorelement PD3 auftrifft
u''&sub1; = a'' exp {i (w&sub1;t + 2δ)}.
Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal von dem Lichtstrahl L8 -erster Ordnung subtrahiert wird, wenn er gebeugt wird, und der schließlich erzielte gebeugte Lichtstrahl erster Ordnung zum Schluß zweimal gebeugt ist, trifft ein Lichtstrahl, der als
u''&sub2; = b'' exp {i (w&sub2;t - 2δ)}
ausgedrückt wird, auf dem Fotorezeptorelement PD3 auf. Deshalb kann ein mittels des Fotorezeptorelements PD3 erzieltes optisches Überlagerungssignal wie folgt ausgedrückt werden:
IPD3 = a''² + b''² + 2a''b'' - cos { (w&sub1; - w&sub2;) t + 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist gleich der des Bezugssignals. Dessen Phase eilt der des Bezugssignals um einen Betrag 4δ proportional zu dem Bewegungsbetrag des Beugungsgitters GS voraus. Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal zu dem Lichtstrahl L5 + erster Ordnung addiert wird, wenn er gebeugt wird, und der schließlich erzeugte gebeugte Lichtstrahl + erster Ordnung zweimal gebeugt wird, kann die folgende Gleichung aufgestellt werden, wenn der Lichtstrahl auf dem Fotorezeptorelement PD4 auftrifft,
u'''&sub2; = b''' exp {i (w&sub2;t + 2δ)}.
Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal von dem Lichtstrahl L6 - erster Ordnung subtrahiert wird, wenn er gebeugt wird, und der schließlich erzeugte gebeugte Lichtstrahl - erster Ordnung zweimal gebeugt ist, trifft ein Lichtstrahl, der als
u'''&sub1; = a''' exp {i (w&sub1;t - 2d)} ausgedrückt wird, auf dem Fotorezeptorelement PD4 auf. Deshalb wird ein mittels des Fotorezeptorelements PD4 erzieltes optisches Überlagerungssignal wie folgt ausgedrückt:
IPD4 = a'''² + b'''² + 2a'''b''' cos { (w&sub1; - w&sub2;) t - 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist die gleiche wie des Bezugssignals, und dessen Phase ist bezüglich der des Bezugssignals um einen Betrag 4δ proportional zu dem Bewegungsbe trag des Beugungsgitters GS verzögert. Die zwei mittels der Fotorezeptorelemente PD3 und PD4 erzielten optischen Uberlagerungssignale werden in die Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung PDCA eingegeben. Die Phasendifferenz (als θ bezeichnet) zwischen den Signalen wird mittels der Erfas sungseinrichtung PDCA erfaßt, um den Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS zu messen. Wenn die Gitterkonstante des Beugungsgitters GS auf 1,6 µm festgesetzt ist und der Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS als x bezeichnet wird, wird die folgende Relation erfüllt:
θ = 8δ = 8 x 2πx/1,6 [rad]
Somit ist es offensichtlich, daß das Beugungsgitter GS um 1,6 µm ÷ 8 = 0,2 µm bewegt worden ist, wenn eine Phasenabweichung von einer Periode 8δ = 2π [rad] erfaßt wird. Dies ist genauso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Gebrauch der vorhergehend erwähnten Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung, die zur Auflösung bis hin zu 0,2º geeignet ist, erlaubt, daß theoretisch eine Verschiebung bis hin zu 0,11 [nm] gemessen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Ausgang aus der Erfassungseinrichtung PDCA in eine Zentraleinheit (CPU) C eingegeben, wodurch die Signale verarbeitet werden und ein Verschiebungsbetrag berechnet wird.
Die Fotorezeptorelemente PDL und PD3 erfassen eine Phasendifferenz in einer Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung PDCB auf die gleiche Weise wie im vorhergehenden und vergleichen eine mittels einer Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung PDCC aus den Fotorezeptorelementen PD1 und PD4 erzielte Phasendifferenz. Wenn es beispielsweise wegen einer Luftstörung eine Temperaturdifferenz zwischen zwei optischen Wegen gibt, werden, obgleich die Absolutwerte der zwei Phasendifferenzen theoretisch gleich sein sollten, diese zwei Phasendifferenzen nicht gleich sein. Deshalb wird, wenn mittels der CPU eine Differenz zwischen diesen Phasendifferenzen erfaßt wird, festgestellt, daß der gemessene Wert fehlerhaft ist. Wenn eine Differenz zwischen diesen Phasendifferenzen einen zulässigen Wert überschreitet, kann eine fehlerhafte Eingabe eines gemessenen Werts dadurch verhindert werden, daß mittels der CPU das folgende ausgeführt wird: (1) Senden eines Befehlssignals zu einem nicht veranschaulichten Aktuator, um eine feine Bewegung des Beugungsgitters zu stoppen, das heißt, die Messung wird zeitweilig gestoppt, oder (2) Löschen eines Signals von der Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung PDCA zu dieser Zeit.
Fig. 4 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Konstruktion der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung durch die Schaffung eines optischen Wegs vereinfacht ist, wohingegen vorhergehende Ausführungsbeispiele zwei ähnliche optische Wege aufweisen.
Gemäß Fig. 4 wird zuerst ein monochromatischer Lichtstrahl aus einem Halbleiterlaser LD mittels des Polarisationsstrahlenteilers BS1 in zwei Lichtstrahlen L1 und L2 geteilt. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden jeweils dazu gebracht, in akustische optische Modulatoren AO1 und AO2 einzutreten. Die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; der abgegebenen Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen um 90º relativ zueinander geneigt sind, sind derart verschoben, daß sich die Frequenzen in einem Grad unterscheiden, daß deren Überlage rungssignale elektrisch überwacht werden können. Die Lichtstrahlen werden mittels des Halbspiegels HM gemischt.
Dieser gemischte Lichtstrahl wird mittels eines Halbspiegels HM2 zweigeteilt. Ein Lichtstrahl wird dazu gebracht, am Punkt P1 in das Beugungsgitter GS einzutreten. Der gebeugte Lichtstrahl + erster Ordnung verläuft durch ein optisches System, das durch zwei in Fig. 5 gezeigte Polarisationspiatten 1P und 2P, deren Polarisationsrichtungen sich bezüglich zueinander in rechten Winkel schneiden, und eine λ/2-Platte 3P ausgebildet wird. Nur die S-polarisierten gebeugten Lichtstrahlen, welche die Frequenz f&sub1; haben, werden in P-polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt, werden dazu gebracht, in das Winkelkubusprisma CC1 einzutreten, werden reflektiert und werden dazu gebracht, einen Punkt P2 auf dem Beugungsgitter GS zu erreichen. Im Gegensatz dazu, werden die gebeugten Lichtstrahlen - erster Ordnung dazu gebracht, in ein optisches System wie zum Beispiel das in Fig. 5 gezeigte, axial um 90º geneigte optische System (d. h., das aus den Polarisationsplatten 1P' und 2P' und einer λ/2-Platte 3P' gebildet ist) einzutreten. Nur die P-polarisierten gebeugten Lichtstrahlen, welche die Frequenz f&sub2; haben, werden in S-polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt, werden dazu gebracht, in das Winkelkubusprisma CC2 einzutreten, reflektiert und dazu gebracht, einen Punkt P2 auf dem Beugungsgitter GS zu erreichen. Die zwei Lichtstrahlen, welche den Punkt P2 erreicht haben, werden mit der gleichen Ordnung wie beim ersten Mal ein zweites Mal gebeugt, werden gemischt und als ein Lichtstrahl durch den Halbspiegel HM3 durchgelassen, und treten in das fotoelektrische Wandlerelement PD2 ein. Eine Polarisationsplatte PP2, deren Polansationsausrichtung um 45º geneigt ist, ist, um zu bewirken, daß die Polarisationsebenen der zwei Lichtstrahlen ausgerichtet werden, und um zu bewirken, daß die Lichtstrahlen miteinander interferieren, an einer Stelle vor dem PD2 eingesetzt. Es gibt eine voreilende Phasenverschiebung von einer Wellenlänge in der Phase des Lichtstrahl + erster Ord nung für eine Verschiebung entsprechend einem Abstand des Beugungsgitters GS längs der x-Ausrichtung. Es gibt eine Phasenverzögerung von einer Wellenlänge in der Phase des Lichtstrahls - erster Ordnung. Wenn diese Lichtstrahlen mittels der Winkelkubusprismen reflektiert werden und noch einmal mit der gleichen Ordnung wie vorher reflektiert werden, wird eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen zu den Lichtstrahlen, welche die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; haben, addiert, wenn die Lichtstrahlen am Punkt P2 gemischt werden.
Die restlichen Lichtstrahlen, welche durch den Halbspiegel HM2 durchgelassen worden sind, werden mittels des Halbspiegeis HM3 reflektiert, und dazu gebracht, im Punkt P2 in das Beugungsgitter GS einzutreten. Die gebeugten Lichtstrahlen + erster Ordnung werden dazu gebracht, in das Winkelkubus prisma CC1 einzutreten, passieren dann das optische System derart, daß das in Fig. 5 gezeigte optische System um 90º in eine Richtung entgegengesetzt wie bei dem vorhergehenden Fall geneigt ist. Die P-polarisierten gebeugten Lichtstrahlen, welche nur die Frequenz f&sub2; haben, werden in 5-polansierte Lichtstrahlen umgewandelt, werden dazu gebracht, an einem Punkt P2 auf dem Beugungsgitter GS auf zutreffen. Im Gegensatz dazu werden die gebeugten Lichtstrahlen - erster Ordnung dazu gebracht, das optische System in einer Richtung entgegengesetzt wie bei dem vorhergehenden Fall zu erreichen. Die S-polarisierten gebeugten Lichtstrahlen, welche nur die Frequenz f&sub1; haben, werden in P-polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt, und werden dazu gebracht, an einem Punkt P1 das Beugungsgitter GS zu erreichen. Die Lichtstrahlen werden als ein Lichtstrahl durch den Halbspiegel HM2 durchgelassen, und werden dazu gebracht, in das fotoelektrische Wandlerelement PD1 einzutreten. Eine Pola risationsplatte PP1, deren Polarisationsausrichtung um 45º geneigt ist, ist, um zu bewirken, daß die Polarisationsebenen der Lichtstrahlen ausgerichtet werden, und um zu bewirken, daß die Lichtstrahlen miteinander interferieren, an einer Stelle vor dem PD1 eingesetzt.
Es gibt in der Phase der Lichtstrahlen + erster Ordnung eine voreilende Phasenverschiebung von einer Wellenlänge für eine Verschiebung entsprechend einem Abstand des Beugungsgitters GS längs der x-Ausrichtung. Es gibt in der Phase der Lichtstrahlen - erster Ordnung eine Phasenverzögerung von einer Wellenlänge. Wenn diese Lichtstrahlen mittels des Winkelkubusprismas reflektiert und noch einmal mit der gleichen Ordnung wie vorher reflektiert werden, wird eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen zu der Phase der ge mischten Lichtstrahlen addiert, wenn die Lichtstrahlen am Punkt P1 gemischt werden.
Wie vorhergehend beschrieben ist, wird der Lichtstrahl, der eine Frequenz f&sub1; hat, als u&sub1; = a exp {i (w&sub1;t)} ausgedrückt, und der Lichtstrahl, der eine Frequenz f&sub2; hat, als u&sub2; = a exp {i (w&sub2;t)} ausgedrückt. Da in der vorhergehend genannten Gleichung w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; gilt, bilden die gemischten Lichtstrahlen ein Überlagerungssignal mit einer Frequenz entsprechend der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2;. Die Phase δ, die dem Betrag der Bewegung x des Beugungsgitters GS entspricht, wird wie folgt mittels der Gitterkonstante des Beugungsgitters GS als P ausgedrückt:
δ=2πx/P
Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal zu dem im Punkt P1 gebeugten Lichtstrahl + erster Ordnung, der eine Frequenz f&sub1; hat, addiert wird, wenn er gebeugt wird, und der schließlich gebeugte Strahl + erster Ordnung zweimal gebeugt ist, kann der folgende Ausdruck aufgestellt werden, wenn der Lichtstrahl auf dem Fotorezeptorelement PD2 auftrifft:
u''&sub1; = a'' exp {i (w&sub1;t + 2δ)}.
Da die Phase 6 des Beugungsgitters GS jedesmal von dem am Punkt P1 gebeugten Lichtstrahl -erster Ordnung, der eine Frequenz f&sub2; hat, wenn er gebeugt wird, subtrahiert wird, und schließlich der gebeugte Lichtstrahl - erster Ordnung zweimal gebeugt ist, trifft ein Lichtstrahl, der als
u''&sub2; = b'' exp {i (w&sub2;t - 2δ)}
ausgedrückt wird, auf dem Fotorezeptorelement PD2 auf. Deshalb kann ein mittels des Fotorezeptorelements PD2 erzieltes optisches Überlagerungssignal wie folgt ausgedrückt werden:
IPD2 = a''² + b''² + 2a''b'' cos { (w&sub1; - w&sub2;) t + 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist gleich der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2;. Deren Phase eilt im Vergleich zu einem Fall, bevor der Lichtstrahl dazu gebracht wird, das Beugungsgitter GS zu erreichen, um einen Betrag 46 proportio nal zu dem Bewegungsbetrag des Beugungsgitters GS voraus. Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal zu dem im Punkt P2 gebeugten Lichtstrahl + erster Ordnung, der eine Frequenz f&sub2; hat, addiert wird, wenn er gebeugt wird, und der schließlich gebeugte Lichtstrahl + erster Ordnung zwei mal gebeugt ist, kann die folgende Gleichung aufgestellt werden, wenn der Lichtstrahl auf dem Fotorezeptorelement PDL auftrifft
u'''² = b''' exp (i (w&sub2;t + 2δ)}.
Da die Phase δ des Beugungsgitters GS jedesmal von dem am Punkt P2 gebeugten Lichtstrahl - erster Ordnung, der eine Frequenz f&sub1; hat, subtrahiert wird, wenn er gebeugt wird, und der schließlich gebeugte Lichtstrahl - erster Ordnung zweimal gebeugt ist, trifft ein Lichtstrahl, der als
u'''&sub1; = a''' exp {i (w&sub1;t - 2δ)}.
ausgedrückt wird, auf dem Fotorezeptorelement PD1 auf. Deshalb wird ein mittels des Fotorezeptorelements PD1 erzieltes optisches Überlagerungssignal wie folgt ausgedrückt:
IPD1 = a'''² + b'''² + 2a'''b''' cos {(w&sub1; - w&sub2;) t - 4δ}
Die Frequenz dieses Signais ist auch gleich der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2;. Deren Phase ist im Vergleich zu einem Fall, bevor der Lichtstrahl dazu gebracht wird, das Beu gungsgitter GS zu erreichen, um einen Betrag 4δ proportional zu dem Bewegungsbetrag des Beugungsgitters GS verzögert. Die zwei mittels der Fotorezeptorelemente PD1 und PD2 erzielten optischen Überlagerungssignale werden in die Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung PDC eingegeben. Die Pha sendifferenz zwischen den Signalen (als θ bezeichnet) wird mittels der Erfassungseinrichtung PDC erfaßt, um den Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS zu messen.
Wenn die Gitterkonstante des Beugungsgitters GS auf 1,6 µm festgelegt ist und der Betrag der Bewegung des Beugungsgitters GS als x bezeichnet wird, wird die folgende Relation erfüllt:
θ = 8δ = 8 x 2πx/1,6 [rad]
Somit wird deutlich, daß das Beugungsgitter GS um 1,6 µm ÷ 8 = 0,2 µm bewegt worden ist, wenn eine Phasenabweichung von einer Periode, d. h. 8δ = 2π [rad] erfaßt wird. Die Erfassung eines Bewegungsbetrags mit einem hohen Auflösungsgrad wird dadurch ermöglicht, daß die minimal zu erfassende Phasendifferenz hinreichend kleiner als eine Periode gemacht wird. Der Gebrauch der Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung, die zur Auflösung bis hin zu 0,2º geeignet ist, gestattet, daß theoretisch eine Verschiebung bis 0,11 [nm] gemessen wird.
Fig. 6 ist eine Ansicht, die auf schematische Weise den Hauptteil des vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 6 bezeichnen Pfeile die Ausrich tung der sich fortbewegenden Lichtstrahlen, und sinusförmige Wellenzeichen bezeichnen die Polarisationsebene. Ein Bezugszeichen 101 bezeichnet eine Lichtquelleneinrichtung, die eine Lichtquelle 1 wie zum Beispiel einen Zweifrequenz- Schwingungslaser aufweist, um Lichtstrahlen von mindestens zwei Frequenzen (ν&sub1; und ν&sub2;) (Wellenlängen) zum Schwingen zu bringen.
Aus der Lichtquelle 1 werden die zwei Lichtstrahlen (ν&sub1; und ν&sub2;), wobei jede sich von der anderen unterscheidende Frequenz überlappt wird, mit Polarisationsebenen, die orthogonal zueinander sind, im wesentlichen parallel emittiert. Diese zwei Lichtstrahlen (ν&sub1; und ν&sub2;) werden durch einen nicht-polarisierten Strahlenteiler 3a durchgelassen und mittels einer Kupplungslinse 2b konvergiert, um einen ersten Endabschnitt (eine Eintrittsfläche) 6a einer die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser 6 zu erreichen. An dieser Stelle des Zusammentreffens sind die optischen Achsen (die Achse s und die Achse f) der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser 6 und die Polarisation sebenen der zwei Lichtstrahlen (ν&sub1; und ν&sub2;) derart positioniert, daß diese aufeinander abgestimmt sind. (Gilt für jede Kombination.)
Es ist festzustellen, das die die Polarisation aufrechterhaltende Lichtleitfaser 6 zur Ausbreitung der Lichtstrahlen in einem Zustand dient, in dem der polarisierte Zustand aufrechterhalten wird. Außerdem sind die optischen Achsen der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser 6 derart angeordnet, daß die eine, welche die Richtung einer schnelleren Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen hat, als eine Achse f definiert wird, während die eine, welche die langsamere Richtung hat, äls eine Achse s definiert wird.
Der Lichtstrahl, der die Komponente der Achse s hat, und der Lichtstrahl, der die Komponente der Achse F hat, die von dem zweiten Endabschnitt (der Austrittsfläche) 6b der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser 6 emittiert werden, entsprechen jeweils dem Lichtstrahl ν&sub1; und dem Lichtstrahl ν&sub2;.
Die zwei Lichtstrahlen (ν&sub1; und ν&sub2;) aus der Austrittsfläche 6b der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser 6 werden mittels einer Kupplungslinse 2c zu im wesentlichen parallelen Lichtstrahlen gemacht und es wird zugelassen, daß sie die feinen Gitteranordnungen 5 erreicht, welche aus dem Beugungsgitter auf einer Skala Sa aufgebaut sind.
In dieser Hinsicht bildet jedes der Elemente 3a, 2b, 6 und 2c ein Element der optischen Einrichtung 102, mittels welcher die Lichtstrahlen aus der Lichtquelleneinrichtung 101 die Skala Sa erreicht.
Inmitten einer Vielfalt von mittels der feinen Gitteranordnungen 5 erzeugten gebeugtem Licht wird zum Beispiel das gebeugte Licht + erster Ordnung dazu gebracht, mit Hilfe der Spiegel 9a und 9b reflektiert zu werden, um auf den ur sprünglichen Lichtweg zurückzukehren und erneut die feinen Gitteranordnungen 5 der Skala 5a zu erreichen.
In diesem Fall ist in einem der Lichtwege des gebeugten Lichts - erster Ordnung gemäß Fig. 6 eine λ/4-Platte 11 angeordnet. Bevor dann diese λ/4-Platte 11 passiert wird, zeigt das gebeugte Licht folgendes,
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse 5 (s&supmin;¹) = (ν&sub1;&supmin;¹)
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse f (f&supmin;¹) = (ν&sub2;&supmin;¹)
nachdem es hin und her durch die λ/4-Platte durchgelassen wurde, ist es in folgendes umgewandelt,
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse s (s&supmin;¹) = (ν&sub2;&supmin;¹)
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse f (f&supmin;¹) = (ν&sub1;&supmin;¹)
Andererseits ist das gebeugte Licht + erster Ordnung wie folgt:
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse s (s&spplus;¹) = (ν&sub1;&spplus;¹)
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse f (f&spplus;¹) = (ν&sub2;+¹)
Diese vier Lichtstrahlen werden mittels der feinen Gitteranordnungen Sa erneut gebeugt. Von diesen Strahlen erreichen nur das gebeugte Licht + erster Ordnung (s&spplus;¹&spplus;¹) und (f&spplus;¹&spplus;¹) des gebeugten Lichts + erster Ordnung, und das gebeugte Licht - erster Ordnung (s&supmin;¹&supmin;¹) und (f&supmin;¹&supmin;¹) des gebeugten Lichts - erster Ordnung die Kupplungslinse 2c. In anderen Worten ausgedrückt, es sind die folgenden vier Lichtstrahlen:
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse 5 (s&spplus;¹&spplus;¹) = (ν&sub1;&spplus;¹&spplus;¹)
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse f (f&spplus;¹&spplus;¹) = (ν&sub2;&spplus;¹&spplus;¹)
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse s (s&supmin;¹&supmin;¹) = (ν&sub2;&supmin;¹&supmin;¹)
linear polarisiertes Licht parallel zur Achse f (f&supmin;¹&supmin;¹) = (ν&sub1;&supmin;¹&supmin;¹)
Bei diesem Zusammentreffen werden sie weiter mit den Lichtstrahl überlagert, welche die gleiche Polarisationsebene haben und in zwei Arten von Überlagerungssignal-Lichtstrahlen umgewandelt. Anders gesagt, sie sind jeweils die folgenden Strahlen,
Überlagerungssignal-Lichtstrahl IS aus linear polarisiertem Licht parallel zur Achse s = (ν&sub2;&supmin;¹&supmin;¹) - (ν&sub1;&spplus;¹&spplus;¹)
Überlagerungssignal-Lichtstrahl IF aus linear polarisiertem Licht parallel zur Achse f = (ν&sub2;&spplus;¹&spplus;¹) - (ν&sub1;&supmin;¹&supmin;¹)
wobei v&sub2; > v&sub1; ist. Wenn die Frequenzabweichung aufgrund des Beugungslichts 1 erster Ordnung als ± Δ ν gegeben ist, werden diese in der folgenden Gleichung ausgedrückt:
(ν&sub2;&supmin;¹&supmin;¹) - (ν&sub1;&spplus;¹&spplus;¹) = (ν&sub2; - ν&sub1;) - 4 Δ ν
(ν&sub2;&spplus;¹&spplus;¹) - (ν&sub1;&supmin;¹&supmin;¹) = (ν&sub2; - ν&sub1;) + 4 Δ ν
(Die Frequenzabweichungen der zwei Überlagerungssignal- Lichtstrahlen sind in einander entgegengesetzten Richtungen vorhanden und sind gleich in der Größe.)
Die zwei überlagerungssignal-Lichtstrahlen IS und IF, die mittels der Kupplungslinse 2c erneut in den zweiten Endabschnitt 6b der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser 6 eintreten, haben Polarisationsebenen, welche parallel zu der Achse s bzw. der Achse f sind. Sie können dann mit der optischen Achse der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser zusammentreffen, um in diese einzutreten, und breiten sich folglich auf unabhängige Weise (ohne gegenseitige Interferenz) in der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser 6 aus.
Dann werden die zwei von dem ersten Endabschnitt 6a der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser 6 emittierten Überlagerungssignal-Lichtstrahlen IS und IF mittels der Kupplungslinse 2bzu im wesentlichen parallelen Lichtstrahlen gemacht, während jede der Polarisationsebenen orthogonal zueinander beibehalten werden, und werden an dem nicht- polarisierten Strahlenteiler 3a reflektiert, werden ferner per polarisiertem Lichtbestandteil mittels des Teilers 12 für polarisierte Strahlen geteilt. Sie werden somit als die zwei Helligkeitssignal-Lichtstrahlen wiederhergestellt, welche hell und dunkel mittels der wesentlichen Differenzfrequenz der zwei Schwingungsfrequenzen wiederholen, und werden mittels fotoelektrischer Vorrichtungen 10a und 10b, die als ein fotoelektrischer Wandler 105 dienen, in elek trische Signale umgewandelt (nachdem ihre Amplituden verstärkt sind), wodurch folglich die zwei modulierten Phasensignale ausgegeben werden, welche als eine für den Kode- Umsetzer anwendbare Uberlagerungsinterferenz dient.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden der Verschiebungsbetrag, die Verschiebungsrichtung und andere Informationen hinsichtlich der Bewegung der Skala 5a unter Anwendung der Signale erfaßt, die mittels der fotoelektrischen Wandlereinrichtung 105 (fotoelektrische Vorrichtungen 10a und 10b) erzielt werden. In anderen Worten gesagt, der Absolutwert der Phasendifferenz θ = 8 Δ ν zwischen den beiden Signalen bezeichnet den Verschiebungsbetrag, und die positiven und negativen Zeichen bezeichnen die Verschiebungsrichtungen. Die Information kann zum Beispiel durch Eingabe beider Signale in eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung ermittelt werden. Ist die Gitterkonstante der Beugungsgitter als P und der Verschiebungsbetrag als x gegeben, ist die Information durch die folgende Gleichung ermittelbar:
θ = 8 Δ ν = 16πx/P
Folglich sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Zweifrequenz-Schwingungslaser, eine die Polarisation aufrechterhaltende Lichtleitfaser und jedes der Elemente auf geeignete Weise angeordnet. Anders gesagt, bevor die zwei von den feinen Gitteranordnungen der Skala erzeugten gebeugten Lichtbestandteile zu der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser zurückgeführt werden, ist ein optisches Kristallelement 11 zum Austausch der Polarisationsebenen in mindestens einem der optischen Wege angeord net, die unterschiedliche Beugungsordnungen (m und n) haben, wobei das m-te gebeugte Licht und das n-te gebeugte Licht in Interferenzsignale umgewandelt werden, so daß die Polarisationsebenen in Übereinstimmung mit den Lichtstrahlen der Schwingungsfrequenzen (ν&sub1; und ν&sub2;) zusammentreffen, die voneinander verschieden sind. Sie treten ferner derart in die die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser ein, daß sie mit einer ihrer optischen Achsen (Achse s und Achse f) parallel sin, um sich in dieser auszubreiten. Folglich ist es möglich, die Information hinsichtlich der Bewegung der Skala 5a mit einer hohen Genauigkeit zu erfassen, während eine Vereinfachung des gesamten Körpers der Vorrichtung realisiert wird.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann es möglich sein, reflektierte Lichtstrahlen aus dem nicht-polarisierten Strahlenteiler 3a, wie in Fig. 7 gezeigt ist, als Bezugs-Überlagerungssignale (Signale, welche nicht durch eine Phasenmodulation aufgrund der Bewegung der Skala 5a bewirkt werden = Differenzsignal zwischen den Schwingungsfrequenzen der Zweifrequenzlaser) anzuwenden. Die Bezugssignale können hier zum Beispiel zur Überwachung des Überlagerungssignals benutzt werden, das mittels des Zwei-Wellenlängen-Lichts aus der Lichtquelle erzeugt wird.
Eine solche Art der Vorrichtung ist in Fig. 7 gezeigt, bei welcher die zwei Lichtstrahlen durch eine polarisierte Platte (Analysator) 8d durchgelassen werden, welche derart definiert ist, daß sie bei einer Ausrichtung von 45º bezüglich der Polarisationsausrichtung der zwei Lichtstrahlen (ν&sub1; und ν&sub2;) Transmissionscharakteristiken hat, wodurch die Interferenzerscheinung zwischen den polarisierten Lichtbestandteilen erzeugt wird, die beiden Lichtstrahlen gemeinsam sind.
Dann werden die Lichtstrahlen in die Helligkeitssignal Lichtstrahlen umgewandelt, welche mittels der Differenzfrequenz zwischen den Schwingungsfrequenzen der zwei Lichtstrahlen (ν&sub1; und ν&sub2;) hell und dunkel wiederholen. Die Heiligkeitssignal-Lichtstrahlen werden mittels der fotoelektrischen Vorrichtung 10c in elektrische Signale umgewandelt (nachdem die Amplituden verstärkt worden sind), und es ist möglich, diese mit den Ausgang der Bezugssignale zu verwenden.
In dieser Hinsicht ist es gemäß der vorliegenden Erfindung auch möglich, bei jedem Element des vorhergehenden vierten Ausführungsbeispiels die folgende Modifikation vorzunehmen:
(4-a) Es ist möglich, die Kombination von gebeugtem Licht anderer Ordnungen als dem gebeugten Licht ± erster Ordnung als das gebeugte Licht von den feinen Gitteranordnungen auf der Skala anzuwenden.
(4-b) Es ist möglich, anstelle des Strahlenteilers vom Prisma-Typ eine Strahlenteilereinrichtung des Spiegeltyps zu benutzen, welche die gleiche Funktion hat.
(4-c) Die zwei mittels der feinen Gitteranordnungen (Beugungsgitter) auf der Skala erzielbaren Beugungslichtbestandteile sind nicht unbedingt von einem Reflexionstyp, sondem sie können von einem Transmissionstyp sein, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Fig. 8 zeigt nur die unmittelbare Umgebung der Skala 5a. Außerdem sind die gleichen Bezugszeichen den gleichen Elementen gegeben, wie denen, die in Fig. 6 erscheinen.
(4-d) Die zwei Lichtstrahlen aus der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser 6 werden zuerst unter Anwendung eines Prismas, das die geteilten Ebenen BS hat, in zwei Lichtstrahlen geteilt, und dann ist es möglich, daß sie in die feinen Gitteranordnungen 5 der Skala 5a eintre ten.
(4-e) Es ist möglich, anstelle der Spiegel 9a und 9b optische Katzenaugen-Elemente 9c und 9d, wie in Fig. 9 gezeigt ist, oder Beugungsgitter-Reflexionselemente 9e und 9f, wie in Fig. 10 gezeigt ist, oder Winkelkuben und dergleichen zu benutzen. Auf diese Weise kann die Abweichung des optischen Wegs aufgrund der Schwankung der Wellenlängen des Lichtstrahls aus der Lichtquelle korrigiert werden. In dieser Hinsicht ist es, wenn die reflektierenden Beugungsgitter elemente 9e und 9f Beugungsgitter eines reflektierenden Typs sind, möglich, den ursprünglichen optischen Weg wiederherzustellen, vorausgesetzt, daß diese periodische Gitter sind, die einen Abstand haben, welcher der Hälfte des Abstands der feinen Gitteranordnungen 5 der Skala entspricht.
(4-f) Die Struktur der die Polarisation aufrechterhaltenden Lichtleitfaser kann in seinem Querschnitt zusätzlich zu dem sogenannten Ovalhüllen-Typ, wie er in Fig. 9 gezeigt ist, von einem Ovalkern-Typ, einem PANDA-Typ oder dergleichen sein.
(4-g) Die feinen Gitteranordnungen auf der Skala sind nicht unbedingt von einem Linientyp. Wenn zum Beispiel der Typ verwendet werden kann, bei welchem die Radialgitter auf einer drehbaren Scheibe aufgezeichnet sind, ist ein derartiger Typ, so wie er ist, als ein drehbarer Kode-Umsetzer anwendbar.
Fig. 11 ist eine Ansicht, die ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Ein Licht von einer Lichtquelle LS zur Emittierung eines Lichtstrahls, der die orthogonalen Polarisationsebenen von zwei Wellenlängen aufweist, wird mittels eines Halbspiegels HM in zwei Strahlen geteilt. Einer der Strahlen verläuft entlang eines durch durchgehende Linien bezeichneten Lichtwegs. Anders gesagt, der Lichtstrahl wird zuerst aus der Lichtquelle LS wie zum Beispiel einem Zeemann-Laser oder einem Laser zur Emittierung eines Zweifrequenz-Laserlichts, das die Frequenzen von zwei linear polarisierten orthogonalen Lichtbestandteilen aufweist, welche ausreichend verschieden sind, um deren Überlagerungssignale elektrisch zu überwachen, emittiert und dann an dem Halbspiegel HM reflektiert, um auf einer Strahlenteilereinheit für polarisiertes Licht (PBS-Einheit) PBSU 4 aufzutreffen, wie in Fig. 11 gezeigt ist.
Diese PBS-Einheit hat in ihrer Mitte den Polarisationsstrahlenteiler (PBS), deshalb wird der Lichtstrahl an einem Punkt P1 in die Transmissionswelle P und die Reflexionswelle 5 geteilt. Die zwei linear polarisierten Lichtbestandteile treffen an den Punkten P2 bzw. P3 auf dem Beugungsgitter GS auf, nachdem sie von der PBS-Einheit PBSU 4 emittiert worden sind. Bei diesem Zusammentreffen wird der Winkel des Lichtstrahls aus der Lichtquelle auf eine solche Weise eingestellt, daß das gebeugte Licht + erster Ordnung der Welle P an dem Punkt P2 emittiert wird und das gebeugte Licht - erster Ordnung der Welle 5 an dem Punkt P3 emittiert wird, wobei beide in der Richtung senkrecht zu den Beugungsgittern GS sind, und das mittels des Winkelkubusprisma CC reflektierte Licht wird jeweils an den Punkten P3 und P2 an den Beugungsgittern GS gebeugt.
Das mit + erster Ordnung gebeugte Licht der Welle P (die erste Beugung) wird mittels des Winkeiprismas CC am Punkt P2 reflektiert, um im Punkt P3 vertikal auf den Beugungsgittern GS aufzutreffen. Einer der gebeugten Lichtbestand teile, welcher zweimal gebeugt worden ist (das gebeugte Licht + erster Ordnung) wird in einem Punkt P4 mittels eines Spiegeis M2 total reflektiert. Obgleich dieser in einem Punkt P5 erneut den Strahlenteiler PBS für polarisiertes Licht erreicht, wird er durchgelassen, da es Licht der Welle P ist (das heißt, zu der Seite gegenüber der Lichtquelle LS emittiert wird), und dann tritt er aus der PBS-Einheit PBSU 1 durch einen Polarisationsfilter PF1 in das Lichtempfangende Element PD1 ein. Das andere gebeugte Licht, das zweimal gebeugt worden ist (Beugungslicht - erster Ord nung), ist auch zur Welle P zugehörig, wird deshalb durch den PBS an dem Punkt P1 durchgelassen und in Richtung auf einen Polarisationsfilter PF2 und ein Element PD2 emittiert.
Außerdem wird das mit - erster Ordnung gebeugte Licht der Welle S (die erste Beugung) wird mittels des Winkeiprismas CC am Punkt P3 reflektiert, und trifft im Punkt P2 vertikal auf den Beugungsgittern GS auf. Einer der gebeugten Lichtbestandteile, welcher zweimal gebeugt worden ist (gebeugtes Licht - erster Ordnung) wird in einem Punkt P6 mittels eines Spiegeis M1 total reflektiert. Dieser tritt in einem Punkt S5 erneut in den Strahlenteiler PBS für polarisiertes Licht ein, dann wird dieses Licht reflektiert, da es Licht der Welle S ist (das heißt, zu der Seite gegenüber der Lichtquelle LS emittiert wird) . Außerdem wird diese Welle gleichzeitig an dem Punkt P5 mit der vorhergehend genannten P-Welle synthetisiert (zweifach + primär gebeugter Lichtstrahl), und tritt durch den Polarisationsfilter PF1 in das Licht-empfangende Element PD1 ein. Das andere zweifach an dem Punkt P2 gebeugte Licht (+ erster Ordnung gebeugtes Licht) ist auch zur Welle 5 zugehörig, und wird deshalb mittels des Strahlenteilers für polarisiertes Licht PBS an dem Punkt P1 reflektiert. Bei diesem Zusammentreffen wird dieses Licht mit der vorhergehend genannten P-Welle synthetisiert (dem Lichtstrahl, welcher + erster Ordnung gebeugt wird und als nächstes - erster Ordnung gebeugt wird) und wird in Richtung auf den Polarisationsfilter PF2 und das Licht-empfangende Element PD2 emittiert. Dieses Licht erreicht jedoch nicht das Licht-empfangende Element PD2, da es mit Hilfe eines Stiftlochs PH, das später beschrieben wird&sub1; abgeschirmt ist.
Das von dem Licht-empfangenden Element PD1 ermittelbare Signal ist ein optisches Überlagerungssignal mit der Frequenz, welche eine Differenz zwischen Frequenzen von zwei Lichtstrahlen ist. In diesem Fall ist die Polarisationsaus richtung der Polarisationsfilter PF1 und PF2 in die Richtung, die eine Neigung von 45º bezüglich der Polarisationsebenen der Welle P und der Welle S hat, um die Polarisationsebenen zur Interferenz auszurichten.
Da die Frequenz der Welle P als f&sub1;, ω&sub1; = 2πf&sub1; und die Frequenz der Welle 5 als f&sub2;, ω&sub1; = 2πf&sub1; gegeben ist, wird die Phase δ des Beugungsgitters auf die Beugung hin verstellt, und die Welle P (zweimal + erster Ordnung gebeugter Lichtstrahl), welche das Licht-empfangende Element PD1 erreicht, wird mit Hilfe der folgenden Gleichung ausgedrückt,
u'&sub1; = a' exp {i (ω&sub1;t + 2δ)}
und die Welle S (zweimal - erster Ordnung gebeugter Licht strahl) wird mittels der folgenden Gleichung ausgedrückt:
u'&sub2; = b' exp {i (w&sub2;t - 2δ)}
Somit liegt das aus dem Licht-empfangenden Element PD1 ermittelbare optische Überlagerungssignal nach der fotoelektrischen Umwandlung wie folgt vor:
IPD1 = a'² + b'² + 2a'b' cos { ω&sub1; - ω&sub2;) t + 4δ}
Das andere an dem HM abgeteilte Licht erreicht nach dem mit gestrichelten Linien in Fig. 11 bezeichneten Durchlaufen eines Spiegeis M und eines optischen Systems das Licht-em pfangende Element PD2 mit einer Verstellung der Beugungsgitterphase zum Zeitpunkt der Beugung. Anders ausgedrückt, die durch die gestrichelten Linien bezeichneten Wellen P und 5 verlaufen von dem Zeitpunkt, an dem sie mittels des Polarisationsstrahlenteilers PBS getrennt werden, bis zu dem Zeitpunkt, an dem sie synthetisiert werden, jeweils im wesentlichen entlang der optischen Wege entgegengesetzt den optischen Wegen der Welle P und der Welle S, die mittels der durchgezogenen Linien bezeichnet sind. Wenn diese Welle in der Nähe von Punkt P1 synthetisiert werden, werden sie auf das Licht-empfangende Element PD2 gerichtet. Wenn sie die PBS-Einheit PBSU 4 erreichen, sind diese optischen Wege geringfügig verschoben, um eine Mischung der mit Hilfe der durchgezogenen Linien bezeichneten Lichtstrahlen in dem Licht-empfangenden Element PD2 zu vermeiden, wie vorherge hend beschrieben ist, und vor dem Licht-empfangenden Element PD2 ist ein Stiftloch PH eingefügt. (Vor dem Lichtempfangenden Element PDL ist ein Stiftloch PH eingefügt, um den Einfall des mit Hilfe der gestrichelten Linien bezeichneten Lichtstrahls (synthetisierte Welle in der Nähe des Punkts P5) zu vermeiden.) Die mit Hilfe der gestrichelten Linien bezeichnete Welle P (zweimal - erster Ordnung gebeugtes Licht) wird mittels der folgenden Gleichung ausgedrückt:
u''&sub1; = a'' exp {i (ω&sub1;t - 2δ)}
und ebenso wird die durch gestrichelte Linien bezeichnete Welle S (zweimal + erster Ordnung gebeugtes Licht) mit Hilfe der folgenden Gleichung ausgedrückt:
u''&sub2; = b'' exp {i (ω&sub2;t - 2δ)}
Somit kann das mittels des Licht-empfangenden Elements PD2 erzielbare optische Überlagerungssignal nach der fotoelektrischen Umwandlung wie folgt vorliegen:
IPD2 = a''² + b''² + 2a''b'' cos { (ω&sub1; - ω&sub2;) t - 4δ}
Die Frequenzen der PD1- und PD2-Signale sind die gleichen, und die Phase wird längs der Verschiebung der Beugungsgit ter eine Differenz von 8δ zeigen. In anderen Worten ausgedrückt, die Phasendifferenz dieser Signale hat eine Periode, die achtmal der Periode der Beugungsgitter GS entspricht. Die Phase, um die jedes Beugungslicht mittels einer Beugung längs der Verschiebung der Beugungsgitter GS verstellt wird, wird mit Hilfe der folgenden Gleichung ausgedrückt:
δ=2πx/d
wobei d die Gitterkonstante ist, und der Verschiebungsbetrag der Beugungsgitter x ist. Somit ist die mittels der Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung PDD erfaßte Phasendifferenz:
θ = 8 δ = 16πx/d
Es ist möglich, aus dieser Gleichung die Verschiebung der Gitter zu berechnen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird auch die mittels des vorbestimmten Verschiebungsbetrags des Beugungsgitters erzeugte Phasendifferenz, verglichen mit der in Fig. 1 gemäß Vorbeschreibung dargestellten Phasendifferenz von 46, zu zweimal 86.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Beugungsgitter GS eines reflektierenden Typs zu verwenden und die PBS-Einheit mit einer PBSU5 auszutauschen, bei welcher der Winkelkubus CC mittels der Schaffung von vier Lichtstrahleinlässen und -auslässen (A, B, C und D) in der Nähe angeordnet ist. Es ist anders gesagt möglich, den Mo dus zu übernehmen, wie er in Fig. 12 gezeigt ist. Er ist im wesentlichen gleich Fig. 11, mit Ausnahme der Position des Winkelkubus, welcher auf der Reflexionsseite ist.
Jedes der vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kann bei einer Geschwindigkeitsmeßvorrichtung verwendet werden, welche die Geschwindigkeit als einen Betrag der Verschiebung pro Zeiteinheit mißt. Gemäß den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine Meßvorrichtung, die einen höheren Grad der Auflösung als vorher hat, benutzt werden, um die optische Verschiebungs-Information zu erfassen.
Es können viele verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung konstruiert werden, ohne sich vom Gel tungsbereich der vorliegenden Erfindung zu entfernen. Es ist verständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die in dieser Beschreibung beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist. Im Gegenteil dazu ist die vorliegende Erfindung dazu vorgesehen, verschiedene Modifi kationen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb des Geltungsbereichs der Ansprüche enthalten sind.
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer sehr kleinen Verschiebung eines Objekts offenbart. Das erste und zweite Überlagerungssignal werden mit Hilfe von Lichtstrahlen verschiedener Frequenzen erzeugt, die mittels des Beugungsgitters gebeugt werden. Die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Überlagerungssignal wird erfaßt, wodurch die relative Verschiebung des Beugungsgitters gemessen wird.

Claims

1. Meßverfahren, das die Schritte aufweist,

Erzeugung eines ersten Paars von Strahlen und eines zweiten Paars von Strahlen, wobei das erste Paar von Strahlen und das zweite Paar von Strahlen zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen (f1, f2) haben, um jeweils Überlagerungssignale auszubilden, und das erste Paar von Strahlen und das zweite Paar von Strahlen derart erzeugt werden, das die durch jedes der Paare von Strahlen erzeugten Überlagerungssignale die gleiche Frequenz haben, Ausführung der Beugung von jedem der Paare von Strahlen mittels eines Beugungsgitters (GS), wobei die Beugung derart ausgeführt wird, daß der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit einer positiven Ordnung gebeugt werden, und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit einer negativen Ord nung gebeugt werden,

Erzeugung des ersten Überlagerungssignals mittels des durch das Beugungsgitter (GS) gebeugten ersten Paars von Strahlen,

Erzeugung des zweiten Überlagerungssignals mittels des durch das Beugungsgitter (GS) gebeugten zweiten Paars von Strahlen, und

Erfassung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Überlagerungssignal, um dadurch eine Information hinsichtlich einer relativen Verschiebung des Beugungsgitters (GS) bezüglich der Strahlen zu messen.

2. Meßverfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Beugungsschritt derart ausgeführt wird, daß die jeweiligen Strahlen zweimal mit der gleichen Ordnung gebeugt werden.

3. Meßverfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei dem Beugungsschritt der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit der gleichen positiven Ordnung gebeugt werden, bzw. der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit der gleichen negativen Ordnung gebeugt werden.

4. Meßverfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei dem Beugungsschritt die Beugungen auf eine solche Weise ausgeführt werden, daß der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen den gleichen oder den im wesentlichen gleichen optischen Weg durchlaufen, und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen den gleichen oder den im wesentlichen gleichen optischen Weg durchlaufen.

5. Meßverfahren gemäß Anspruch 1, das ferner einen Schritt der Ausbreitung der Strahlen durch eine die Polarisation aufrechterhaltende Lichtleitfaser aufweist.

6. Meßverfahren gemäß Anspruch 1, das ferner einen Schritt der Ausbreitung der Strahlen in einem Prisma aufweist, das eine Teilerebene für polarisierte Strahlen und eine Ebene zur Reflexion der Strahlen hat.

7. Meßvorrichtung zur Messung einer Information hinsichtlich einer relativen Verschiebung bezüglich eines Beugungsgitters (GS), die aufweist, eine Strahlerzeugungseinrichtung (LD, BS1, HM, BS3) zur Erzeugung eines ersten Paars von Strahlen und eines zweiten Paars von Strahlen, wobei das erste Paar von Strahlen und das zweite Paar von Strahlen zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen (f1, f2) haben, um jeweils Überlagerungssignale auszubilden, und das erste Paar von Strahlen und das zweite Paar von Strahlen derart erzeugt werden, daß die durch jedes der Paare von Strahlen erzeugten Überlagerungssignale die gleiche Frequenz haben, eine optische Einrichtung zur Leitung der Paare von Strahlen derart, daß der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit einer positiven Ordnung gebeugt werden, und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen uhd der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit einer negativen Ordnung gebeugt werden,

eine erste Erfassungseinrichtung (PD3) zur Erfassung des mittels des ersten Paars von Strahlen erzeugten ersten Überlagerungssignals, wobei das erste Überlagerungssignal unter Anwendung des an dem Beugungsgitter (GS) gebeugten ersten Paars von Strahlen mittels der optischen Einrichtung erzeugt wird,

eine zweite Erfassungseinrichtung (PD4) zur Erfassung des mittels des zweiten Paars von Strahlen erzeugten zweiten Überlagerungssignals, wobei das zweite Überlagerungssignal unter Anwendung des an dem Beugungsgitter (GS) gebeugten zweiten Paars von Strahlen mittels der optischen Einrichtung erzeugt wird, und

eine Meßeinrichtung (PDC) zur Messung einer Information hinsichtlich einer Phasendifferenz durch Vergleichen des ersten und zweiten Überlagerungssignals, wobei die Information zur relativen Verschiebung des Beugungsgitters (GS) mittels der durch die Meßeinrichtung ausgeführten Messung gemessen wird.

8. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die optische Einrichtung bewirkt, daß jeder der Strahlen zweimal mit der gleichen Ordnung gebeugt wird.

9. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die optische Einrichtung die Leitung derart ausführt, daß der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit + erster Ordnung gebeugt werden und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit - erster Ordnung gebeugt werden.

10. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die optische Einrichtung den Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und den Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen derart leitet, daß sie den gleichen oder den im wesentlichen gleichen optischen Weg durchlaufen, und den Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und den Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen derart leitet, daß sie den gleichen oder den im wesentlichen gleichen optischen Weg durchlaufen.

11. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die optische Einrichtung eine die Polarisation aufrechterhaltende Lichtleitfaser aufweist, um zu bewirken, daß sich die Strahlen in dieser ausbreiten.

12. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die optische Einrichtung ein Prisma aufweist, das eine Teilerebene für polarisierte Strahlen und eine Ebene und zur Reflexion der Strahlen hat, um zu bewirken, daß sich die Strahlen in dieser ausbreiten.

13. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 7 zur Messung einer Information zur relativen Verschiebung hinsichtlich zweier Objekte, wobei das Beugungsgitter (GS) an einem der zwei Objekte befestigt ist, und die optische Einrichtung an dem anderen der zwei Objekte befestigt ist.

14. Meßvorrichtung gemäß Anspruch 7, mit einer optische Einrichtung zur Leitung der Paare von Strahlen derart, daß der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit positiver erster Ordnung gebeugt werden, und der Lichtstrahl mit höherer Frequenz in dem ersten Paar von Strahlen und der Lichtstrahl mit geringerer Frequenz in dem zweiten Paar von Strahlen mit negativer erster Ordnung gebeugt werden.