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WO2003021237A2 - Verfahren und vorrichtung zum messen von translationsbewegungen zwischen einer oberfläche und einer messvorrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum messen von translationsbewegungen zwischen einer oberfläche und einer messvorrichtung Download PDF

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WO2003021237A2
WO2003021237A2 PCT/DE2002/002982 DE0202982W WO03021237A2 WO 2003021237 A2 WO2003021237 A2 WO 2003021237A2 DE 0202982 W DE0202982 W DE 0202982W WO 03021237 A2 WO03021237 A2 WO 03021237A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
reflected
diffraction grating
detector
propagation component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2002/002982
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2003021237A3 (de
Inventor
Andreas BRÄUER
Herbert Brunner
Peter Dannberg
Peter Schreiber
Ulrich STEEGMÜLLER
Uwe Zeitner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority to AU2002328784A priority Critical patent/AU2002328784A1/en
Priority to EP02764547A priority patent/EP1417459A2/de
Publication of WO2003021237A2 publication Critical patent/WO2003021237A2/de
Publication of WO2003021237A3 publication Critical patent/WO2003021237A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for high-resolution contactless measurement of one- and / or two-dimensional translation movements between a rough or diffusely scattering surface of an object and a measuring device with detection of the amount and the direction of the translation movement according to patent claims 1 and 6.
  • optical measurement methods and systems for measuring relative movements between a device and an object. These can be roughly divided into interferometric measurement methods, autocorrelation measurements, aser-Doppler anemometry, run-time measurements of pulses and encoders.
  • two spatially separated, coherent partial beams, the measurement beam and the reference beam are generated by means of beam splitting, which are brought together again after passing through a predetermined optical path and overlap in an interfering manner.
  • Conclusions regarding the optical and thus also the geometrical path differences of the two partial beams can be drawn from the intensity distributions resulting from the interference.
  • a path or speed can be determined. The highest accuracies are currently achieved with such interferometric measurement methods.
  • the moving surface of an object is illuminated by a light source and the reflected light with a flat, spatially resolving detector. gate added. It is possible to draw conclusions about the direction of movement and the speed from the evaluation of several images of the reflected light taken in succession by means of an autocorrelation analysis of the intensity patterns.
  • a texture of the moving surface is generally necessary in order to achieve a sufficiently high contrast in the reflected light pattern.
  • speckle patterns resulting from the reflection on surface roughness can be used for evaluation.
  • a laser beam is split up and the two partial beams are brought to interference at a certain position. If a scattering object, such as a rough surface, passes the area of the resulting interference fringes, part of the light is scattered onto a detector.
  • the signal measured at the detector varies with the intensity of the interference pattern at the position of the scattering object.
  • the frequency of the signal variation caused by a moving object is therefore proportional to the speed of the scattering object and can therefore be used to measure the distance.
  • a further possibility for optically determining a path or a change in path is the running time measurement of light pulses which are reflected on the surface of the moving object. If this run time measurement is carried out repeatedly over a certain period of time, the relative movement of the object towards or away from the detector can be determined.
  • encoder is understood to mean angle coding or length coding devices in which the mapping of a moving stripe pattern onto detector elements is used to determine the angle or the path.
  • the moving object ject connected code strip or connected code wheel, which has narrow light column, illuminated.
  • the movement of the light-shadow pattern generates a periodic current-time profile with a suitable, usually multiple photodiode arrangement, which can be evaluated by electronic counter.
  • encoders based on reflection as well as transmission, which are suitable for low to high resolution applications.
  • the surface of a moving object is irradiated with a coherent light source and a partially reflecting optical element, such as in particular a, between the light source and the surface in the vicinity of the surface parallel to the latter
  • the grating is positioned so that part of the incident light is reflected from the grating to a detector (reference beam), while the other part of the incident light passes through the grating to the surface of the moving object and is reflected on it (measuring beam) in order to deal with it overlay the reference beam.
  • the detector detects a periodic measurement signal, from the frequency of which the amount of the relative movement between the measuring device and the object can be determined parallel to the surface of the object.
  • a phase shift is additionally generated between the two partial beams, from the sign of which one can infer the direction of the relative movement.
  • the detector module has a beam splitting grating and two detectors for detecting the two partial beams generated in this way.
  • Two polarizers are arranged in front of the detectors, the polarization vectors of which are rotated by 90 ° to one another, so that the measurement signals detected by the detectors have a phase difference of -90 ° or + 90 ° depending on the direction of the relative movement.
  • a circular polarizer is provided in the vicinity of the surface of the moving object, ie adjacent to the partially reflecting grating, so that finally the linearly polarized reference light which is reflected on the grating is combined with the circularly polarized scattered light which is reflected on the object surface. superimposed before it is divided in the detector module as described above.
  • an object of the present invention to further develop an interferometric measuring method or a measuring device of the type described above, with which simple, high-resolution measurement of both the amount and the direction of a translational movement between the measuring device and an object surface in a compact measuring arrangement.
  • translational movements between a measuring arrangement and a surface that extends in the x-y plane of an orthogonal reference system are measured by a light source having a coherent one
  • Light beam with a main propagation component in the z direction of the orthogonal reference system in the direction of itself is oriented relative to the measuring arrangement in the y-direction and a partially reflecting diffraction grating is positioned in front of the surface, which is designed such that the light reflected thereon diffraction orders with a propagation component in the -y direction and diffraction orders with a propagation component in the + y direction which are equally strong, and that it passes through another part of the coherent light beam in order to be scattered on the surface and then to overlap with the light reflected on the diffraction grating.
  • the light scattered on the surface is also circularly polarized.
  • a first detector arrangement receives the light reflected on the diffraction grating with a propagation component in -y - direction, which is superimposed on the light scattered on the surface
  • a second detector arrangement receives the light reflected on the diffraction grating with a propagation component in -iy - Direction that is superimposed on the light scattered on the surface
  • the detector arrangement having a beam splitter and a first and a second detector for detecting a first and a second measurement signal, and a device for generating a phase difference between the beam splitter and the first and second detector is provided between the first and the second measurement signal.
  • first and the second measurement signal are fed to an evaluation circuit to determine the direction of movement in the y direction from the sign of the phase difference between the first and the second measurement signal and the amount of movement in the y direction from the frequency of the change in amplitude of the first and the second Determine measurement signal.
  • the frequency of the amplitude changes of the interference signals is determined by the superimposition of the reference beam (of the light reflected on the diffraction grating) and the measuring beam (of the light scattered on the surface) ) result ben determined or counted the zero crossings or maxima of the waveforms.
  • the invention uses the coherent superimposition of circularly polarized scattered light with linearly polarized reference light, the phase shift generated in the detector arrangement acting only on the circularly polarized scattered light, but not influencing the linearly polarized reference light, so that the sign of the phase difference between the two Measurement signals on the direction of movement can be concluded.
  • the accuracy of the measurement can be increased.
  • the partially reflecting diffraction grating is designed such that the light reflected thereon diffraction orders with a propagation component in the -y direction, diffraction orders with a propagation component in the + y direction, diffraction orders with a propagation component in the x direction and diffraction orders with a
  • the measuring device further comprises a third detector arrangement for receiving the light reflected on the diffraction grating with a propagation component in the -x direction, which is superimposed on the light scattered on the surface, and / or a fourth detector arrangement for receiving the light reflected on the diffraction grating with a propagation component in the + x direction, which is superimposed on the light scattered on the surface.
  • the third and / or the fourth detector arrangement are with one
  • Beam splitter and a third and a fourth detector for detecting a third or fourth measurement signal wherein a device for generating a phase difference between the third and the fourth measurement signal is provided between the beam splitter and the third and fourth detector.
  • the third and the fourth measurement signal supplied to the evaluation circuit in order to determine the direction of movement in the x-direction from the sign of the phase difference between the third and fourth measurement signals and the amount of movement in the x-direction from the frequency of the change in amplitude of the third and fourth measurement signals.
  • the device for generating a phase difference preferably has a first polarization filter with a first polarization vector between the beam splitter and the first or third detector and / or a second polarization filter with a second polarization vector different from the first polarization vector between the beam splitter and the second or fourth detector or alternatively between the beam splitter and the first or third detector a first phase delay layer with a first phase delay preferred axis parallel to the direction of polarization of the reflected light and / or between the beam splitter and the second or fourth detector a second phase delay layer with a second phase delay Preferred axis perpendicular to the direction of polarization of the reflected light.
  • the first and third detectors and the second and fourth detectors can each be arranged in a row and have a common device for generating a phase difference.
  • a collimation lens is provided between the light source and the diffraction grating, which has a flat side facing the diffraction grating, which is inclined at an angle to the xy plane, so that the coherent light beam is inclined at an angle to the z direction becomes.
  • the diffraction grating is advantageously a periodic surface profile in the x- and y-directions on a substrate on which a partially reflecting layer, for example in the form of a dielectric interference layer, is provided.
  • the formation of the surface profile as a binary height profile with a height difference between upper surfaces and lower surfaces the upper and lower surfaces being essentially square and the sides of the square upper and lower surfaces opposite the x-axis and the y-axis are rotated by 45 °.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a measuring arrangement in section of the x-z plane to explain the measuring method according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a measuring arrangement in the section of the y-z plane to explain the measuring method according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a measuring device according to the present invention in section
  • 4A and 4B are schematic representations of a diffraction grating and a circular polarizer of the measuring device of FIG. 3 in section and in plan view;
  • 5A and 5B are schematic representations of two different exemplary embodiments of detectors and devices for generating a phase difference of the measuring device of FIG. 3; and 6 shows a schematic illustration of detectors and devices for generating a phase difference according to a further exemplary embodiment.
  • FIGS. 1 and 2 show schematic sectional representations which are perpendicular to one another, so that when the two views are viewed together, the spatial structure of the measuring arrangement is obtained.
  • a monochromatic light source 2 such as a laser diode
  • a main propagation component in the positive z direction downward in FIGS. 1 and 2
  • the direction of polarization in the xy plane is parallel to the x axis.
  • This light c is first collimated with a collimation lens 3. 1 and 2, an aspherical plano-convex lens is used as the collimation lens 3, the plane side 3a of which lies on the side facing away from the light source 2.
  • the plane side 3a of the collimation lens 3 is inclined by an angle ⁇ with respect to the xy plane in order to implement a slight deflection of the collimated light beam c by an angle ⁇ with respect to the z direction.
  • This deflection can be used to increase the distance between the light source 2 and the detector arrangements 9 mentioned below in the xy plane.
  • the overall length of the measuring arrangement 1 in the z direction can be shortened by this measure.
  • the diffraction grating 4 is partially reflective, so that part of the incident light c is reflected and the reflected portion r is split up into diffraction orders due to the grating effect of the diffraction grating 4.
  • the reflected diffraction orders have a propagation component in the -y direction (to the left in FIG. 2), in the + y direction (to the right in FIG. 2) and in the -x direction (to the left in FIG. 1) and in the + x direction (to the right in FIG. 1), the latter being not shown in the figures, since it is not used in the exemplary embodiment shown for measuring the translational movement.
  • the non-reflected portion t of the light c falling on the diffraction grating 4 is transmitted without a grating effect being intended to occur. This means that the transmitted light t is not split into different diffraction orders.
  • Adjacent to the diffraction grating 4 is a circular polarizer, which is composed of a device 5 for phase delay and a linear polarizer 6.
  • the device 5 for phase delay is a so-called ⁇ / 4 phase plate and the linear polarizer 6 is a polarization filter, the transmission direction of the polarization filter 6 being rotated through 45 ° to the optical axis of the ⁇ / 4 phase plate 5.
  • the light t After passing through the circular polarizer 5, 6, the light t hits the surface 7, the movement of which relative to the measuring arrangement 1 is to be determined.
  • the light t is on the
  • the light s scattered back and transmitted by the system of circular polarizers 5, 6 and diffraction grating 4 is superimposed on the light r reflected in different diffraction orders at the diffraction grating 4.
  • This interference signal resulting from the superimposition is received by a plurality of detector arrangements 9, a detector arrangement 9 -y , 9 + y , 9_ x being provided for each diffraction order.
  • the detector arrangements 9 each have a focusing lens 10, with the aid of which the interference signal r + s is focused on the detectors 12, 13.
  • a beam splitter grating 11 is provided, which splits the focused light beam generated by the focusing lenses into two light beams which hit a total of six detectors. More specifically, the beam splitter grating 11 of the first detector arrangement 9.
  • a fourth detector arrangement 9 + x which would receive the reference beam of the reflected light r + x with a propagation component in the + x direction and the scattered light s and would split the interference beam into a third light beam i 3 and a fourth light beam i 4 for a third and fourth detector 12, 13, respectively not provided in this embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • the electrical measurement signals generated by the detectors 12, 13 are amplified by suitable electronic amplifiers in the evaluation circuit before they are evaluated further.
  • a device for generating a phase difference between the first or third light beam i 1 # i 3 and the second or fourth light beam i 2 , i is arranged in front of each pair of detectors 12, 13 and acts as an analyzer for the incident light.
  • the exact structure of this device 14, 15 for generating the phase difference and its mode of operation are explained in more detail below with reference to FIGS. 5 and 6.
  • the measuring arrangement described above enables the movement of a surface relative to the measuring arrangement in the x and y directions to be detected simultaneously in a particularly simple manner and by means of a compact measuring device.
  • the superimposition of the light r reflected directly on the diffraction grating 4 and the scattered light s from the surface 7 from the detectors 12, 13 generates an electrical measurement signal with changing amplitude.
  • the frequency with which the signal amplitude changes is directly proportional to the speed of the movement.
  • the maxima or the zero crossings of the measurement signals are above all dependent on the grating period of the diffraction grating 4.
  • the movement can therefore be measured exactly, the measurement signals being counted by a suitable electronic circuit being transformed, before they are specifically processed in the evaluation circuit.
  • the arrangement of the circular polarizer 5, 6 and the device 14, 15 for generating a phase difference enables the distinction between movements in the + x direction and - x direction or + y direction and -y direction.
  • the superimposition of the scattered light s from the surface 7, which is transformed into circularly polarized light by the arrangement of the circular polarizer 5, 6, and the linearly polarized light r reflected directly on the diffraction grating 4 between the two alternating signals of a pair of detectors 12 , 13, which are generated by the splitting on the partial beam grating 11 and the subsequent analysis by the device 14, 15 for generating a phase difference introduced a phase shift between the two measurement signals.
  • the direction of movement can be derived directly from the sign of this phase shift.
  • the measuring arrangement 1 of the present invention can be used to measure purely one-dimensional movements, for example only in y Direction, be simplified.
  • the two-dimensional diffraction grating 4 of the above exemplary embodiment is replaced by a one-dimensional line grating.
  • the two reference beams used r. y and r + y are focused by the focusing lenses 10 and the beam splitter grids 11 of the two detector arrangements 9 -y and 9 + y onto the total of four detectors 12, 13.
  • the measuring device is implemented, for example, as an optoelectronic sensor 20, as is illustrated schematically in FIG. 3.
  • the same reference numerals are used in the following for the same components as in FIGS. 1 and 2.
  • the housing substrate 16 of the sensor 20 consists of a conductor strip or a so-called lead frame 17, which is encapsulated with a plastic body 18.
  • the leadframe 17 is structured, for example, by etching or stamping processes and then provided with a suitable surface to fulfill its interface functions.
  • Suitable leadframe materials are, for example, Cu or NiFe alloys, and the end surface is usually applied galvanically.
  • the lead frame 17 has the following functions in particular. It provides electrical connections with suitable surfaces (e.g. SnPb, Au, NiPd, PdAu, Ag) for soldering, gluing or plugging. It is also used to attach the entire optoelectronic sensor 20 to a circuit board, a suitable substrate or a plug contact.
  • the leadframe 17 has connection areas made of, for example, Ag, Pd or Au for the laser light source 2 and the detectors 12, 13. It is also used for heat dissipation and as an optical or mechanical reference for subsequent assembly.
  • the overmolded plastic 18 embeds the leadframe for mechanical stabilization and is used for insulation.
  • the plastic body 18 can be designed such that it has mounting interfaces suitable for the optical module to be mounted.
  • a laser diode or an edge emitter with beam deflection is preferably used as the coherent light source 2.
  • the laser diode 2 is glued to the housing substrate 16 and electrically connected to the leadframe 17 using a connecting wire made of aluminum or gold.
  • a single-mode VCSEL Very Cavity Surface Emitting Laser
  • the direction of polarization of the emitted light is oriented according to the definitions of FIGS. 1 and 2 at 0 ° to the x-axis.
  • the full beam angle of the VCSEL is usually around 10 ° and its optical power in the single mode range is around 1 mW.
  • the use of a VCSEL has the advantage that no redirection and circularization optics are required and that standard methods such as for the assembly of LEDs can be used.
  • photodiodes are preferably used as detectors 12, 13.
  • the resulting photocurrents can basically be processed in analog or digital form in the evaluation circuit.
  • the photodiodes 12, 13 are also glued to the housing substrate 16 and electrically connected to the leadframe 17 with a connecting wire.
  • the devices 14, 15 for generating a phase difference are attached above the photodiodes 12, 13 in order to be able to determine the sign of the direction of movement.
  • Polarization-sensitive applications typically use external, discrete and glass-laminated polarization elements built into the detection beam path based on absorbent film linear polarizers.
  • Conventional, inexpensive film polarizers show a high temperature sensitivity, which on the one hand requires complex protective measures and, moreover, cannot be integrated on the detector chip because of the usual soldering temperatures.
  • stable polarizers based on Polarcor or light-crosslinking polymers are preferably used, with which the polar effect can be achieved directly on the semiconductor chip.
  • the high temperature resistance of these materials also allows the use of standard soldering processes.
  • the orientation of the phase delay preferred axis is for one Photodiode 12 oriented parallel and for the other photodiode 13 perpendicular to the polarization direction of the reference light r.
  • the polarization state of the linearly polarized reference light r is not influenced by the phase delay layers 31, while the circularly polarized scattered light s is converted into linearly polarized light, the polarization vector of which is + 45 ° in one photodiode and -45 ° in the other photodiode Polarization vector of the reference light are twisted.
  • the cholesteric layer 30 acts as a circular polarizer, which generates circularly polarized light from the linearly polarized reference light and the linearly polarized scattered light.
  • linear polarizers based on glass polarizers such as Polarcor can be used to generate the phase difference.
  • the one photodiodes 12 are covered with a first linear polarizer 14, the preferred axis 32 of which is at + 45 ° is inclined to the polarization vector 34 of the reference light r.
  • the other photodiodes 13 are provided with a second linear polarizer 15, the preferred axis 33 of which is inclined at -45 ° to the polarization vector 34 of the reference light.
  • the exemplary embodiments of the polarization components described with reference to FIGS. 5A and 5B each cause a phase difference between the electrical measurement signals generated in the photodiodes 12 and 13, which are + 90 ° or -90 ° depending on the direction of movement of the surface 7 relative to the measurement arrangement is.
  • the sign of the phase shift generated in this way can therefore be used to draw direct conclusions about the direction of movement.
  • the phase shift between the measurement signals generated in the photodiodes 12, 13 is only + 45 ° or -45 °.
  • This embodiment is less expensive due to the lower assembly effort and the smaller amounts of material for polarization components, but on the other hand the evaluation circuit must be able to ensure an adequate differentiation of the sign even with smaller phase shifts.
  • This arrangement is made possible by the off-axis focusing lenses 10, which are explained in detail below and which focus the light beams onto these two rows.
  • the advantage of this arrangement compared to, for example, a triangular arrangement, in which the focusing lenses are also arranged, lies in the homogeneous design of the photodiode area 12, 13 on an integrated circuit and the possibility of covering the rows of photo diodes together with the polarization components 14, 15.
  • the photodiodes themselves are preferably hexagonal in order to be able to save chip area taking into account the tolerance requirements, and have a diameter of approximately 500 ⁇ m.
  • the integrated circuit or evaluation circuit provided on the substrate 35 contains various analog and digital assemblies, such as amplification, filter and logic functions, in order to convert digital output signals (voltage-time) from the electrical current-time measurement signals proportional to the movement of the surface. Signals). This includes in particular DC voltage suppression, high and low frequency filters, maximum or zero crossing detection and
  • the driver stage for the laser light source 2 can also be arranged on the integrated circuit.
  • Circuit either be quadrature signals for movement in the x and y directions or digital output signals that are provided in parallel or in series via a bus system.
  • a quadrature output for example, the movement in the x direction is represented by two output signals which have a phase shift of ⁇ 90 °.
  • a one-dimensional measuring system will therefore have two output channels and a two-dimensional measuring system will have four output channels.
  • an evaluation circuit can achieve four times the resolution of the actual resolution of the measuring arrangement.
  • an optical module 19 is connected to the housing substrate 16.
  • the optics module 19 has in particular the collimation lens 3 for the coherent light c, the focusing lenses 10, the beam splitter grating 11 and a layered structure 21, which essentially contains the diffraction grating 4 and the circular polarizer 5, 6.
  • the optics module 19 can be manufactured, for example, by injection molding from PC, PMMA, COC or COP and can also be provided with an opening (not shown) for ventilation purposes.
  • the collimation and focusing components 3, 10, 11 can be produced together with the necessary connection structures for the layer structure 21 (so-called “sandwich”) and the housing substrate 16 as a single component. It is particularly important to ensure that the material used and the
  • Process control in injection molding should be selected so that there is as little stress birefringence as possible in the optically effective parts.
  • the optics module 19 can already contain the assembly interfaces to the housing substrate 16, in addition to the shaping of the optical elements, the shaping of an optomechanical support frame 22 is also carried out in an injection mold.
  • the optics module 19 can also be inserted into a separately manufactured optomechanical support frame 22.
  • the optomechanical support frame 22 can be made light-tight and weakly reflective, as a result of which the stray light component is reduced by external light radiation and internal reflections.
  • the optomechanical support frame 22 has interfaces (not shown) to the housing substrate 16, to the optics module 19 (if manufactured separately), to the sandwich 21 and to the optional external installation location in the application.
  • the support structure 22 can be provided with a groove or an opening for the purpose of ventilation.
  • the optics module can also consist of two separate parts.
  • beam splitter 11 and imaging optics 3 and 10 or beam splitter 11 and a combination of diffraction grating 4 and imaging optics can be manufactured as independent parts and then assembled.
  • a circumferential groove in the plastic jacket 18 of the housing substrate 16 which is filled with a suitable adhesive, and a corresponding connection geometry on the support frame 22 can be provided.
  • the groove is interrupted at certain points and is designed as a ventilation opening with a dust barrier, the support structure being provided with corresponding counterparts at these points.
  • the housing substrate 16 can also have centering aids and openings to the rear, into which corresponding pins of the optomechanical support frame 22 can be inserted and optionally riveted to the rear of the housing substrate 16 or the like can be fixed.
  • the support structure 22 has, for example, a circumferential recess or depression 23 into which the layer structure 22 can be inserted. Additional recesses or the like for receiving an adhesive are formed in the recess 23. Furthermore, this interface can also have ventilation with a dust barrier at certain points.
  • the optomechanical support frame 22 has, for example, protrusions and flats which are part of a snap connection with corresponding counter elements at the installation site.
  • a circumferential groove with a counterpart at the installation location can be provided as ESD protection, so that the airway for a possible rollover is significantly increased without enlarging the optoelectronic sensor 20 itself in a corresponding manner.
  • all of the interfaces of the support structure 22 described above can have special construction features, such as dust barriers, ventilation openings to avoid Fertilization of microclimate, ESD protection devices and anti-rotation protection included.
  • the fixed connection between the support frame 22 and the housing substrate 16 and the layer structure 21 is preferably carried out by means of UV adhesive technology.
  • the collimation lens 3 integrated in the optical module 19 is preferably an aspherical plano-convex lens, the plane side 3a of the plano-convex lens 3 facing the layer structure 21 being able to be inclined by an angle ⁇ with respect to the x-y plane in order to achieve an additional beam deflection, as already explained above.
  • the material of the collimation lens 3 is, for example, polycarbonate with a refractive index of 1.57 and the aperture of the collimation lens is square with an extension of 0.8 mm ⁇ 0.8 mm.
  • the already mentioned layer structure 21 of the optical module 19 consists of several layers and essentially has the partially reflecting optical diffraction grating 4, the circular polarizer 5, 6 and a mechanically permanent coating to protect the optical module 19 against mechanical damage.
  • the entire layer structure 21 is produced, for example, over a large area by means of DVD / CD injection molding / injection molding technology or by roller embossing, and is subsequently divided into smaller parts which are inserted into the optomechanical support frame 22.
  • the layer structure 21 has, on the one hand, the task of generating the reference beams r required for the interferometric measurement by reflection, and on the other hand it has to reflect the state of polarization of the scattered back from the surface 7 Effectively influence light s to enable the determination of the direction of movement.
  • the structure of the layer structure 21 is shown schematically in an enlarged illustration in FIGS. 4A and 4B.
  • the partially reflecting diffraction grating 4 of the layer structure 21 essentially consists of a surface profile periodic in the x-direction and in the y-direction on a substrate 24 on which a partially reflecting layer 27 is provided in order to reflect part of the incident light c and in several diffraction orders split. Since the grating effect of the diffraction grating 4 for the transmitted light t is to be canceled, the partially reflective coated surface profile is leveled with a material 28 whose optical refractive index is matched to that of the grating material. This material 28 also serves as an adhesive to the adjacent circular polarizer 5, 6. The period can be different in the x and y directions.
  • the substrate 24 of the diffraction grating 4 is positioned at a distance of approximately 11 mm from the laser diode 2 and has a layer thickness of approximately 0.6 mm.
  • the surface profile of the diffraction grating 4 is designed such that the light r reflected thereon is preferably deflected into the diffraction orders described above, which serve as reference beams for the interferometric measurement, while avoiding light in other diffraction orders for energetic reasons and for suppressing disturbing scattered light shall be.
  • the generated diffraction orders each have a propagation component in the -y direction, in the + y direction, in the -x direction and in the + x direction.
  • a binary height profile is formed in the substrate 24 from square surfaces 25, 26 with two height levels, which are arranged like a checkerboard are, as can be seen in the top view of FIG. 4B.
  • the optically effective height difference between the upper surfaces 25 shown dark in FIG. 4B and the lower surfaces 26 shown light in FIG. 4B is preferably ⁇ / 4 of the wavelength of the laser light source 2 used.
  • the orientation of the square surfaces 25, 26 is 45 ° to the x-axis or to the y-axis and the size of the surfaces is determined by the desired deflection angle of the diffraction orders.
  • Such a grating structure generates four equally strong diffraction orders with an angle of approximately 6.9 ° to the reflection Direction of direct reflection (0th diffraction order).
  • the diffraction order with the propagation component in the + x direction is no longer used.
  • the reference beams of the diffraction orders in the - y direction and in the - y direction on the one hand and in the - x direction and in the + x direction on the other hand generate the same measurement signals in the detector arrangements 9, so that a diffraction order of such a pair of reference beams can basically be dispensed with. If both reference beams, such as the diffraction orders in the - y direction and in the + y direction, are evaluated, the measurement accuracy can be further increased by averaging the two measurement signals thus obtained.
  • the molding process available is the molding of an original structure using so-called injection molding or roller embossing.
  • the original structure required for this can be produced, for example, by means of electroplating from a lithographically realized surface profile or by means of precision milling of a metal stamp.
  • the surface profile 25, 26 is coated with a partially reflective layer 27, which has a reflectivity of approximately 10%.
  • a thin metal layer for example made of gold or silicon, can be applied to produce the partially reflecting layer 27.
  • a metal layer is part of the transmitted
  • the partially reflective layer 27 is preferably realized with a dielectric interference layer.
  • the surface profile with the partially reflecting layer 27 is then leveled with a material 28 which has the same refractive index as the substrate 24. In this way, the transmitted part of the light does not experience a grating effect through the diffraction grating 4.
  • the layer structure 21 In addition to generating the reference rays by reflection at the diffraction grating 4, the layer structure 21 also has the task of circularly polarizing the light scattered back from the surface, in order later to enable directional detection of the movement of the surface.
  • the layer structure 21 has a circular polarizer adjacent to the diffraction grating 4.
  • the circular polarizer consists of a ⁇ / 4 phase retardation layer 5 and a linear polarizer layer 6.
  • the preferred axes of both layers 5, 6 are rotated by 45 ° to one another.
  • the orientation of the circular polarizer to the polarization axis of the transmitted light is, however, as long as the ⁇ / 4 phase delay layer 5 is matched to the wavelength ⁇ of the laser light source 2.
  • the total thickness of the circular polarizer 5, 6 is approximately 0.5-1.0 mm.
  • the portion t of the collimated light beam c transmitted through the diffraction grating 4 passes through the ⁇ / 4 plate 5 and the linear polaristor 6 before it strikes the moving surface 7 after a further approximately 1.5 mm.
  • the light is diffusely scattered back from this surface 7.
  • a portion of the backscattered light s first passes through the linear polarizer 6, which again establishes a linear polarization state, provided that the scattering takes place under non-polarization-maintaining conditions, and then again through the ⁇ / 4 plate 5, the optical axis of which is 45 ° against the transmission direction of the linear polarizer 6 is rotated.
  • the linearly polarized light is converted into circularly polarized scattered light s, which then passes through the partially reflecting diffraction grating 4 without diffraction effects and interferes with the light r reflected at the diffraction grating 4.
  • Phase delay and linear polarizer films based on mechanically stretched organic polymers are preferably used as materials for the circular polarizer 5, 6.
  • cholesteric polymer layers or polar cor layers can also be used.
  • a coating 29 made of a transparent, mechanically insensitive material is provided on the side facing the surface 7.
  • the focusing lenses 10 are arranged directly next to the collimation lens 3 and are preferably designed as spherical off-axis plano-convex lenses.
  • the aperture centers of these focusing lenses 10 are shifted along the x-axis or the y-axis with respect to the collimation lens 3 such that the reference rays r and the scattered light s running parallel to them collide completely with these lenses.
  • a preferred arrival The order of the three focusing lenses 10 is given in the following table:
  • the flat surface of the focusing lenses 10 facing the light source 2 is at a distance of approximately 3 mm from the x-y plane in which the light source 2 lies.
  • a beam splitter grating 11 On the plane side of the focusing lenses 10, which faces the detectors 12, 13, a beam splitter grating 11 is attached, which causes the focal points of the focusing lenses to be split into two foci, which correspond to the respective pair of detectors 12, 13.
  • the beam splitter grating 11 can be designed, for example, as a binary height profile with a profile depth of preferably ⁇ / (2 (nl)), where ⁇ is the wavelength of those used Light source 2 and n is the refractive index of the lattice material.
  • ⁇ is the wavelength of those used Light source 2
  • n is the refractive index of the lattice material.
  • a linear, binary grid is used in which the grid lines run in the y direction.
  • the split light beams are additionally provided with a phase difference, as described above.

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Abstract

Zwischen einer Messanordnung (1) und einer Oberfläche (7) werden Translationsbewegungen gemessen, indem eine Lichtquelle (2) einen kohärenten Lichtstrahl (c) mit einer Hauptausbreitungskomponente in z-Richtung auf die sich relativ zu der Messanordnung in der x-y-Ebene bewegende Oberfläche (7) richtet und vor der Oberfläche ein teilreflektierendes Beugungsgitter (4) positioniert wird, das derart ausgebildet ist, dass das daran reflektierte Licht mehrere Beugungsordnungen (r-y, r+y, r-x) Ausbreitungskomponenten in -y - Richtung, in +y - Richtung, in -x - Richtung und in +x - Richtung aufweist, die gleich stark sind, und dass es einen anderen Teil des kohärenten Lichtstrahls (t) durchlässt, um an der Oberfläche (7) gestreut zu werden und sich mit dem am Beugungsgitter reflektierten Licht zu überlagern.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Translationsbewegungen zwischen einer Oberfläche und einer Messvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum hochauflösenden berührungslosen Messen von ein- und/oder zweidimensionalen Translationsbewegungen zwischen einer rauhen bzw. diffus streuenden Oberfläche eines Objekts und einer Messvorrichtung mit Erkennen des Betrages und der Richtung der Translationsbewegung gemäß Patentanspruch 1 bzw. 6.
Für die Messungen von Relativbewegungen zwischen einer Vor- richtung und einem Objekt existieren in der Praxis verschiedene optische Messverfahren und -Systeme. Diese lassen sich grob einteilen in interferometrische Messmethoden, Autokorrelationsmessungen, aser-Doppler-Anemometrie, LaufZeitmessungen von Pulsen und Encoder.
Bei den erstgenannten interferometrischen Messungen werden mittels Strahlteilung zwei räumlich getrennte, kohärente Teilstrahlen, der Mess- und der Referenzstrahl erzeugt, die nach dem Durchlaufen eines vorbestimmten optischen Weges wie- der zusammengeführt werden und sich dabei interferierend überlagern. Aus den durch die Interferenz entstehenden Intensitätsverteilungen können Rückschlüsse auf die optischen und damit auch die geometrischen Wegdifferenzen der beiden Teil- strahlen gezogen werden. Durch die Aufnahme und Auswertung des Interferenzsignals über einen bestimmten Zeitraum kann eine Weg- oder Geschwindigkeitsbestimmung erfolgen. Mit derartigen interferometrischen Messverfahren werden derzeit die höchsten Genauigkeiten erzielt.
Bei den Autokorrelationsmessungen wird die bewegte Oberfläche eines Objekts von einer Lichtquelle beleuchtet und das reflektierte Licht mit einem flächigen, ortsauflösenden Detek- tor aufgenommen. Aus der Auswertung mehrerer hintereinander aufgenommener Bilder des reflektierten Lichts durch eine Autokorrelationsanalyse der Intensitätsmuster ist es möglich, auf die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit rückzu- schließen. Bei einer inkohärenten Lichtquelle ist im allgemeinen eine Textur der bewegten Oberfläche notwendig, um einen ausreichend hohen Kontrast im reflektierten Lichtmuster zu erzielen. Bei kohärenter Bestrahlung beispielsweise mit einer Laserdiode kann man die durch die Reflexion an Oberflä- chenrauhigkeiten entstehenden sogenannten Speckle-Muster zur Auswertung heranziehen.
Für die Laser-Doppler-Anemometrie wird ein Laserstrahl aufgespalten und die beiden Teilstrahlen werden an einer bestimm- ten Position zur Interferenz gebracht. Passiert ein streuendes Objekt, wie zum Beispiel eine rauhe Oberfläche, den Bereich der entstehenden Interferenzstreifen, so wird ein Teil des Lichts auf einen Detektor gestreut. Das am Detektor gemessene Signal variiert mit der Intensität des Interferenzmu- sters an der Position des streuenden Objekts. Die Frequenz der durch ein bewegtes Objekt bewirkten Signalvariation ist damit proportional zur Geschwindigkeit des streuenden Objekts und kann daher zur Wegmessung herangezogen werden.
Eine weitere Möglichkeit zur optischen Bestimmung eines Weges bzw. einer Wegänderung ist die LaufZeitmessung von Lichtpulsen, die an der Oberfläche des bewegten Objekts reflektiert werden. Wird diese LaufZeitmessung über einen bestimmten Zeitraum hinweg wiederholt durchgeführt, so kann man die re- lative Bewegung des Objekts zu bzw. weg von dem Detektor bestimmen.
Unter dem Begriff Encoder versteht man Winkelcodier- oder Längencodiervorrichtungen, bei denen die Abbildung eines be- wegten Streifenmusters auf Detektorelemente zur Bestimmung des Winkels bzw. des Weges verwendet wird. Hierbei wird mit Hilfe einer inkohärenten Lichtquelle ein mit dem bewegten Ob- jekt verbundener Codestreifen oder verbundenes Coderad, welcher bzw. welches schmale Lichtspalte aufweist, beleuchtet. Die Bewegung des Licht-Schatten-Musters erzeugt mit einer geeigneten, meist vielzahligen Photodiodenanordnung ein peri- odisches Strom-Zeit-Profil, welches durch eine Zählelektronik ausgewertet werden kann. Es existieren Encoder auf Reflexions- als auch auf Transmissionsbasis, die für niedrig- bis hochauflösende Anwendungen geeignet sind.
Ein interferometrisches System, mit dem sowohl der Betrag als auch die Richtung einer Translationsbewegung zwischen einer Messvorrichtung und einer Objektoberfläche erfasst werden kann, ist zum Beispiel in der WO-A-99/46602 sowie deren Weiterentwicklung in der WO-A-99/46603 beschrieben.
Bei dem in diesen Druckschriften offenbarten Messsystem wird die Oberfläche eines bewegten Objekts mit einer kohärenten Lichtquelle bestrahlt und zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche in der Nähe der Oberfläche parallel zu dieser ein teilreflektierendes optisches Element, wie insbesondere ein
Gitter positioniert, so dass ein Teil des einfallenden Lichts von dem Gitter zu einem Detektor reflektiert wird (Referenzstrahl) , während der andere Teil des einfallenden Lichts durch das Gitter zur Oberfläche des bewegten Objekts läuft und an dieser reflektiert wird (Messstrahl) , um sich mit dem Referenzstrahl zu überlagern. Aus der Interferenz der beiden Teilstrahlen erfasst der Detektor ein periodisches Messsignal, aus dessen Frequenz sich der Betrag der Relativbewegung zwischen Messvorrichtung und Objekt parallel zu der Ob- jektoberflache ermitteln lässt . Um neben dem Betrag der Relativbewegung auch die Bewegungsrichtung ermitteln zu können, wird zusätzlich zwischen den beiden Teilstrahlen eine Phasenverschiebung erzeugt, aus deren Vorzeichen man auf die Richtung der Relativbewegung schließen kann.
In der WO-A-99/46602 und der WO-A-99/46603 sind verschiedene mehr oder weniger aufwändige Beispiele zur Erzeugung einer solchen Phasenverschiebung der beiden Teilstrahlen beschrieben. In einer speziellen Ausführungsform weist das Detektormodul ein Strahlteilungsgitter und zwei Detektoren zur Erfassung der beiden so erzeugten Teilstrahlen auf. Vor den Detek- toren sind zwei Polarisatoren angeordnet, deren Polarisationsvektoren um 90° zueinander gedreht sind, so dass die von den Detektoren erfassten Messsignale eine Phasendifferenz von -90° oder +90° je nach Richtung der Relativbewegung aufweisen. Zusätzlich ist in der Nähe der Oberfläche des bewegten Objektes, d.h. angrenzend an das teilreflektierende Gitter, ein Zirkularpolarisator vorgesehen, so dass sich schließlich das linear polarisierte Referenzlicht, das am Gitter reflektiert wird, mit dem zirkulär polarisierten Streulicht, das an der Objektoberfläche reflektiert wird, überlagert, bevor es wie oben beschrieben im Detektormodul geteilt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein interferometrisches Messverfahren bzw. eine Messvorrichtung der oben beschriebenen Art weiterzuentwickeln, mit dem bzw. der auf einfache Weise eine hochauflösende Messung sowohl des Betrages als auch der Richtung einer Translationsbewegung zwischen der Messvorrichtung und einer Objektoberfläche in einer kompakten Messanordnung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Un- teransprüche 2 bis 5 bzw. 7 bis 18.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Translationsbewegungen zwischen einer Messanordnung und einer Oberfläche, die sich in der x-y-Ebene eines orthogonalen Bezugssystems er- streckt, gemessen, indem eine Lichtquelle einen kohärenten
Lichtstrahl mit einer Hauptausbreitungskomponente in z-Richtung des orthogonalen Bezugssystems in Richtung auf die sich relativ zu der Messanordnung in y-Richtung bewegende Oberfläche richtet und vor der Oberfläche ein teilreflektierendes Beugungsgitter positioniert wird, das derart ausgebildet ist, dass das daran reflektierte Licht Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung und Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung aufweist, die gleich stark sind, und dass es einen anderen Teil des kohärenten Lichtstrahls durchläset, um an der Oberfläche gestreut zu werden und sich anschließend mit dem am Beugungs- gitter reflektierten Licht zu überlagern. Das an der Oberfläche gestreute Licht wird außerdem zirkulär polarisiert. Eine erste Detektoranordnung empfängt das an dem Beugungsgitter reflektierte Licht mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht überlagert, und/oder eine zweite Detektoranordnung empfängt das an dem Beugungsgitter reflektierte Licht mit einer Ausbreitungskomponente in -i-y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht überlagert, wobei die Detektoranordnung einen Strahlteiler und einen ersten und einen zweiten Detektor zur Erfassung eines ersten bzw. zweiten Messsignals aufweist und zwischen dem Strahlteiler und dem ersten und zweiten Detektor eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal vorgesehen ist. Schließlich werden das erste und das zweite Messsignal einer Auswerteschaltung zugeführt, um die Bewegungsrichtung in y-Richtung aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal und den Betrag der Bewegung in y-Richtung aus der Frequenz der Amplitudenänderung des ersten und des zweiten Messsignals zu ermitteln.
Zur Erfassung der eindimensionalen Translationsbewegung der Oberfläche relativ zu der Messanordnung entlang der y-Richtung wird die Frequenz der Amplitudenänderungen der Interfe- renzsignale, die sich durch die Überlagerung des Referenzstrahls (des am Beugungsgitter reflektierten Lichts) und des Messstrahls (des an der Oberfläche gestreuten Lichts) erge- ben, bestimmt bzw. die Nulldurchgänge oder Maxima der Signalverläufe gezählt. Zur Richtungserkennung nutzt die Erfindung die kohärente Überlagerung von zirkulär polarisiertem Streulicht mit linear polarisiertem Referenzlicht, wobei die in der Detektoranordnung erzeugte Phasenverschiebung nur auf das zirkular polarisierte Streulicht wirkt, das linear polarisierte Referenzlicht hingegen nicht beeinflusst, so dass aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen den zwei Messsignalen auf die Bewegungsrichtung geschlossen werden kann. Bei der Verwendung von zwei Detektoranordnung für die Erfassung der Bewegung der Objektoberfläche in y-Richtung kann die Genauigkeit der Messung erhöht werden.
Um zweidimensionale Translationsbewegungen der Oberfläche zu erfassen ist das teilreflektierende Beugungsgitter derart ausgebildet, dass das daran reflektierte Licht Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung, Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung und Beugungsordnungen mit einer
Ausbreitungskomponente in +X - Richtung aufweist, und die Messvorrichtung weist weiter eine dritte Detektoranordnung zum Empfangen des an dem Beugungsgitter reflektierten Lichts mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht überlagert, und/oder eine vierte Detektoranordnung zum Empfangen des an dem Beugungsgitter reflektierte Lichts mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht überlagert, auf. Die dritte und/oder die vierte Detektoranordnung sind mit einem
Strahlteiler und einem dritten und einem vierten Detektor zur Erfassung eines dritten bzw. vierten Messsignals versehen, wobei zwischen dem Strahlteiler und dem dritten und vierten Detektor eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal vorgesehen ist. Neben der Auswertung des ersten und zweiten Messsignals bezüglich der y-Richtung werden nun auch das dritte und das vierte Messsignal der Auswerteschaltung zugeführt, um die Bewegungsrichtung in x-Richtung aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal und den Betrag der Bewegung in x-Richtung aus der Frequenz der Amplitudenänderung des dritten und des vierten Messsignals zu ermitteln.
Die Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz weist vorzugsweise zwischen dem Strahlteiler und dem ersten bzw. dritten Detektor einen ersten Polarisationsfilter mit einem ersten Polarisationsvektor und/oder zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten bzw. vierten Detektor einen zweiten Polarisationsfilter mit einem von dem ersten Polarisationsvektor unterschiedlichen zweiten Polarisationsvektor oder alternativ zwischen dem Strahlteiler und dem ersten bzw. dritten Detektor eine erste Phasenverzögerungsschicht mit einer ersten Phasenverzögerungs-Vorzugsachse parallel zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts und/oder zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten bzw. vierten Detektor eine zweite Phasenverzögerungsschicht mit einer zweiten Phasenver- zögerungs-Vorzugsachse senkrecht zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts auf.
Um Platz zu sparen, können die ersten und dritten Detektoren und die zweiten und vierten Detektoren jeweils in einer Reihe angeordnet sein und eine gemeinsame Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz aufweisen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Lichtquelle und dem Beugungsgitter eine Kollimationslinse vorgesehen ist, die dem Beugungsgitter zugewandt eine plane Seite aufweist, die um einen Winkel gegen die x-y-Ebene geneigt ist, so dass der kohärente Lichtstrahl um einen Winkel zur z-Richtung geneigt wird. Auf diese Weise wird der geome- trische Abstand zwischen der Lichtquelle und den Detektoren vergrößert und gleichzeitig kann die Gesamtlänge des Messsystems verkürzt werden. Das Beugungsgitter ist vorteilhafterweise ein in x- und y- Richtung periodisches Oberflächenprofil auf einem Substrat, auf dem eine teilreflektierende Schicht, beispielsweise in Form einer dielektrischen Interferenzschicht, vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Oberflächenprofils als ein binäres Höhenprofil mit einer Höhendifferenz zwischen oberen Flächen und unteren Flächen, wobei die oberen und die unteren Flächen im wesentlichen quadratisch ausgebildet sind und die Seiten der quadratischen oberen und unteren Flächen gegenüber der x-Achse bzw. der y-Achse um 45° verdreht sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung im Schnitt der x-z-Ebene zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung im Schnitt der y-z-Ebene zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt;
Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen eines Beugungsgitters und eines Zirkularpolarisators der Messvorrichtung von Fig. 3 im Schnitt bzw. in Draufsicht;
Fig. 5A und 5B schematische Darstellungen von zwei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen von Detektoren und Vorrichtungen zur Erzeugung einer Phasendifferenz der Messvorrichtung von Fig. 3; und Fig. 6 eine schematische Darstellung von Detektoren und Vorrichtungen zur Erzeugung einer Phasendifferenz gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel .
Zunächst werden anhand der Fig. 1 und 2 der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Messanordnung sowie das erfindungsgemäße Messverfahren erläutert. Zum Zwecke der einfacheren Darstellung ist die Messanordnung in ein rechtwinkliges x-y-z-Koordinatensystem gelegt, wobei sich die Oberfläche des Objekts in der x-y-Ebene erstreckt und auch die Relativbewegung zwischen Messanordnung und Oberfläche in der x-y-Ebene erfolgt. Die beiden Fig. 1 und 2 zeigen schematische Schnitt - darstellungen, die senkrecht zueinander stehen, so dass sich in Zusammenschau der beiden Ansichten der räumliche Aufbau der Messanordnung ergibt.
In dem gedachten x-y-z-Koordinatensystem befindet sich eine monochromatische Lichtquelle 2, wie zum Beispiel eine Laserdiode, im Koordinatenursprung und strahlt linear polarisier- tes Licht c mit einer Hauptausbreitungskomponente in positiver z-Richtung (nach unten in Fig. 1 und 2) ab, dessen Polarisationsrichtung in der x-y-Ebene parallel zur x-Achse liegt. Dieses Licht c wird zunächst mit einer Kollimations- linse 3 kollimiert. Als Kollimationslinse 3 ist in dem Aus- führungsbeispiel der Fig. 1 und 2 eine asphärische Plankonvexlinse eingesetzt, deren Planseite 3a auf der der Lichtquelle 2 abgewandten Seite liegt.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Planseite 3a der Kollima- tionslinse 3 um einen Winkel α gegen die x-y-Ebene geneigt, um eine leichte Ablenkung des kollimierten Lichtstrahls c um einen Winkel ß gegenüber der z-Richtung zu realisieren. Diese Ablenkung kann genutzt werden, um den Abstand zwischen der Lichtquelle 2 und den weiter unten erwähnten Detektoranord- nungen 9 in der x-y-Ebene zu vergrößern. Außerdem kann durch diese Maßnahme die Gesamtlänge der Messanordnung 1 in z-Richtung verkürzt werden. Der aus der Planseite 3a der Kollimationslinse 3 austretende parallelisierte Lichtstrahl c trifft nach einer gewissen optischen Wegstrecke auf ein optisches Beugungsgitter 4, das in der Nähe der Objektoberfläche 7 und parallel zu dieser, d.h. parallel zur x-y-Ebene, angeordnet ist. Das Beugungsgitter 4 ist teilreflektierend ausgebildet, so dass ein Teil des auf- treffenden Lichts c reflektiert wird und der reflektierte Anteil r aufgrund der Gitterwirkung des Beugungsgitters 4 in Beugungsordnungen aufgespaltet wird. Die reflektierten Beu- gungsordnungen haben zusätzlich zu der Ausbreitungskomponente in -z - Richtung eine Ausbreitungskomponente in -y - Richtung (nach links in Fig. 2), in +y - Richtung (nach rechts in Fig. 2) , in -x - Richtung (nach links in Fig. 1) und in +x - Richtung (nach rechts in Fig. 1), wobei die letztgenannte in den Figuren nicht dargestellt ist, da sie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur Messung der Translationsbewegung nicht verwendet wird.
Der nichtreflektierte Anteil t des auf das Beugungsgitter 4 fallenden Lichts c wird transmittiert ohne dass eine Gitterwirkung auftreten soll. Das heißt, das transmittierte Licht t wird nicht in verschiedene Beugungsordnungen aufgespalten.
Angrenzend an das Beugungsgitter 4 ist ein Zirkularpolarisa- tor angeordnet, der sich aus einer Vorrichtung 5 zur Phasenverzögerung und aus einem Linearpolarisator 6 zusammensetzt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 5 zur Phasenverzögerung eine sogenannte λ/4 -Phasenplatte und der Linearpolarisator 6 ein Polarisationsfilter, wobei die Durchlassrichtung des Polarisationsfilters 6 um 45° zur optischen Achse der λ/4-Phasenplatte 5 gedreht ist.
Nach Durchlaufen des Zirkularpolarisators 5, 6 trifft das Licht t auf die Oberfläche 7, deren Relativbewegung zur Mes- sanordnung 1 bestimmt werden soll. Das Licht t wird an den
Oberflächenrauhigkeiten gestreut und zurück reflektiert. Ein Teil des zurück gestreuten Lichts s läuft wieder durch den Zirkularpolarisator, wodurch ein zirkularer Polarisationszustand des Streulichts erreicht wird.
Das zurück gestreute und durch das System aus Zirkularpolari- sator 5, 6 und Beugungsgitter 4 transmittierte Licht s wird mit dem am Beugungsgitter 4 in verschiedene Beugungsordnungen reflektierten Licht r überlagert. Dieses durch die Überlagerung entstehende Interferenzsignal wird von mehreren Detektoranordnungen 9 empfangen, wobei für jede Beugungsord- nung eine Detektoranordnung 9-y, 9+y, 9_x vorgesehen ist.
Die Detektoranordnungen 9 weisen jeweils eine Fokussierlinse 10 auf, mit deren Hilfe das Interferenzsignal r+s auf die Detektoren 12, 13 fokussiert wird. Unmittelbar hinter den Fo- kussierlinsen 10 ist jeweils ein Strahlteilergitter 11 vorgesehen, welches den durch die Fokussierlinsen erzeugten fokus- sierten Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen aufspaltet, welche auf insgesamt sechs Detektoren treffen. Genauer gesagt, spaltet das Strahlteilergitter 11 der ersten Detektoranordnung 9. y, die den Interferenzstrahl des reflektierten Lichts r_y mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung und des gestreuten Lichts s empfängt, den Interferenzstrahl in einen ersten Lichtstrahl ii und einen zweiten Lichtstrahl i2 auf, die auf einen ersten bzw. zweiten Detektor 12, 13 treffen; das Strahlteilergitter 11 der zweiten Detektoranordnung 9+y/ die den Interferenzstrahl des reflektierten Lichts r+y mit einer Ausbreitungskomponente in -i-y - Richtung und des gestreuten Lichts s empfängt, spaltet den Interferenzstrahl in einen ersten Lichtstrahl ii und einen zweiten Lichtstrahl i2 auf, die auf einen ersten bzw. zweiten Detektor 12, 13 treffen; und das Strahlteilergitter 11 der dritten Detektoranordnung 9-x, die den Interferenzstrahl des reflektierten Lichts r-x mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung und des gestreuten Lichts s empfängt, spaltet den Interferenzstrahl in einen dritten Lichtstrahl i3 und einen vierten Lichtstrahl i4 auf, die auf einen dritten bzw. vierten Detektor 12, 13 treffen. Eine vierte Detektoranordnung 9+x, die den Interfe- renzstrahl des reflektierten Lichts r+x mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung und des gestreuten Lichts s empfangen und den Interferenzstrahl in einen dritten Lichtstrahl i3 und einen vierten Lichtstrahl i4 für einen dritten bzw. vierten Detektor 12, 13 aufspalten würde, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 nicht vorgesehen. Die von den Detektoren 12, 13 erzeugten elektrischen Messsignale werden vor ihrer weiteren Auswertung in der Auswerteschaltung durch geeignete elektronische Verstärker verstärkt.
Vor jedem Detektorpaar 12, 13 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten bzw. dritten Lichtstrahl i1# i3 und dem zweiten bzw. vierten Lichtstrahl i2, i angeordnet, die als Analysator für das einfallende Licht wirkt. Der genaue Aufbau dieser Vorrichtung 14, 15 zur Erzeugung der Phasendifferenz und deren Wirkungsweise werden weiter unten anhand der Fig. 5 und 6 näher erläutert.
Die oben beschriebene Messanordnung ermöglicht auf besonders einfache Weise und mittels einer kompakten Messvorrichtung die gleichzeitige Erfassung der Bewegung einer Oberfläche relativ zu der Messanordnung in x- und in y-Richtung.
Bei einer Relativbewegung zwischen Messanordnung 1 und Ober- fläche 7 wird durch die Überlagerung des direkt am Beugungsgitter 4 reflektierten Lichts r und des Streulichts s von der Oberfläche 7 von den Detektoren 12, 13 ein elektrisches Messsignal mit wechselnder Amplitude erzeugt. Dabei ist die Frequenz, mit der sich die Signalamplitude ändert, direkt pro- portional zur Geschwindigkeit der Bewegung. Der Abstand der
Maxima bzw. der Nulldurchgänge der Messsignale ist neben der Geschwindigkeit der Bewegung vor allem abhängig von der Gitterperiode des Beugungsgitters 4. Durch Zählen der Maxima oder der Nulldurchgänge kann die Bewegung daher exakt vermes- sen werden, wobei die Messsignale durch einen geeigneten elektronischen Schaltkreis in Zählimpulse umgewandelt werden, bevor sie in der Auswerteschaltung konkret weiterverarbeitet werden.
Die Anordnung des Zirkularpolarisators 5, 6 und der Vorrich- tung 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz ermöglicht die Unterscheidung zwischen Bewegungen in +x - Richtung und - x - Richtung bzw. +y - Richtung und -y - Richtung. Insbesondere wird durch die Überlagerung des Streulichts s von der Oberfläche 7, welches durch die Anordnung des Zirkularpolari- sators 5, 6 in zirkulär polarisiertes Licht transformiert wird, und des direkt am Beugungsgitter 4 reflektierten, linear polarisierten Lichts r zwischen den beiden Wechselsignalen eines Detektorpaares 12, 13, die durch die Aufspaltung am Strahlteilgitter 11 und die anschließende Analyse durch die Vorrichtung 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz erzeugt werden, eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Messsignalen eingeführt. Aus dem Vorzeichen dieser Phasenverschiebung lässt sich unmittelbar die Bewegungsrichtung ableiten.
Während oben anhand der Fig. 1 und 2 eine Messanordnung 1 zur Erfassung einer zweidimensionalen Translationsbewegung in x- Richtung und in y-Richtung beschrieben worden ist, kann die Messanordnung 1 der vorliegenden Erfindung zur Messung von rein eindimensionalen Bewegungen, wie beispielsweise nur in y-Richtung, vereinfacht werden. Hierzu wird das zweidimensio- nale Beugungsgitter 4 des obigen Ausführungsbeispiels durch ein eindimensionales Liniengitter ersetzt. Die zwei genutzten Referenzstrahlen r.y und r+y werden durch die Fokussierlinsen 10 und die Strahlteilergitter 11 der beiden Detektoranordnungen 9-y und 9+y auf die insgesamt vier Detektoren 12, 13 fo- kussiert .
Anhand der Fig. 3 bis 6 werden nachfolgend konkrete bevor- zugte Ausführungsformen einer Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, welche das oben beschriebene Messverfahren einsetzt. Die Messvorrichtung ist beispielsweise als optoelektronischer Sensor 20 realisiert, wie er schematisch in Fig. 3 veranschaulicht ist. Dabei werden im folgenden für gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern verwendet wie in den Fig. 1 und 2.
Das Gehäusesubstrat 16 des Sensors 20 besteht aus einem Leiterband bzw. einem sogenannten Leadframe 17, der mit einem Kunststoffkörper 18 umspritzt ist. Der Leadframe 17 ist zum Beispiel durch Ätz- oder Stanzverfahren strukturiert und anschließend mit einer geeigneten Oberfläche zur Erfüllung seiner Schnittstellenfunktionen versehen. Geeignete Leadframe- Materialien sind beispielsweise Cu- oder NiFe-Legierungen, und die Endoberfläche wird in der Regel galvanisch aufge- bracht.
Der Leadframe 17 hat insbesondere die folgenden Funktionen. Er stellt elektrische Anschlüsse mit geeigneten Oberflächen (zum Beispiel SnPb, Au, NiPd, PdAu, Ag) zum Löten, Kleben oder Stecken zur Verfügung. Weiter dient er der Befestigung des gesamten optoelektronischen Sensors 20 auf einer Leiterplatte, einem geeigneten Substrat oder einem Steckkontakt. Insbesondere weist der Leadframe 17 Anschlussflächen aus beispielsweise Ag, Pd oder Au für die Laserlichtquelle 2 und die Detektoren 12, 13 auf. Ferner dient er der Wärmeableitung und als optische oder mechanische Referenz für Folgemontagen. Der umspritzte Kunststoff 18 bettet den Leadframe zur mechanischen Stabilisierung ein und dient der Isolierung. Zusätzlich kann der Kunststoffkörper 18 so ausgebildet werden, dass er für das zu montierende Optikmodul geeignete Montageschnittstellen aufweist.
Als kohärente Lichtquelle 2 wird vorzugsweise eine Laserdiode oder ein Kantenemitter mit Strahlumlenkung eingesetzt. Die Laserdiode 2 wird auf das Gehäusesubstrat 16 geklebt und mit einem Anschlussdraht aus Aluminium oder Gold elektrisch mit dem Leadframe 17 verbunden. In einer bevorzugten Ausführungs- form der Erfindung wird als Lichtquelle 2 ein Single-Mode- VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) verwendet, der durch Protonenimplantations-Technologie hergestellt wird und mit einer Wellenlänge von λ = 850 nm linear polarisiertes Licht abstrahlt. Die Polarisationsrichtung des abgestrahlten Lichts ist gemäß den Definitionen der Fig. 1 und 2 unter 0° zur x-Achse orientiert. Der volle Abstrahlwinkel des VCSEL beträgt üblicherweise etwa 10° und seine optische Leistung beträgt im Single-Mode-Bereich etwa 1 mW. Die Verwendung ei- nes VCSEL hat den Vorteil, dass keine Umlenkungs- und Zirku- larisierungsoptiken erforderlich sind und dass Standardverfahren wie bei der Montage von LED's angewendet werden können.
Zur Erfassung der Interferenzsignale werden vorzugsweise Photodioden als Detektoren 12, 13 benutzt. Die entstehenden Photoströme können in der Auswerteschaltung grundsätzlich analog oder digital weiterverarbeitet werden. Die Photodioden 12, 13 werden ebenfalls auf das Gehäusesubstrat 16 geklebt und mit einem Anschlussdraht elektrisch mit dem Leadframe 17 verbunden.
Über den Photodioden 12, 13 sind die Vorrichtungen 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz angebracht, um das Vorzeichen der Bewegungsrichtung ermitteln zu können.
Polarisationsempfindliche Anwendungen verwenden üblicherweise in den Detektionsstrahlengang eingebaute externe, diskrete und in Glas einlaminierte Polarisationselemente auf der Basis von absorbierenden Film-Linearpolarisatoren. Herkömmliche kostengünstige Filmpolarisatoren zeigen aber eine hohe Temperaturempfindlichkeit, welche zum einen aufwändige Schutzmaßnahmen erfordert und außerdem wegen der üblichen Löttemperaturen nicht auf dem Detektorchip integriert werden können. Für die erfindungsgemäße Messvorrichtung werden deshalb vorzugsweise stabile Polarisatoren auf der Basis von Polarcor oder von lichtvernetzenden Polymeren verwendet, mit denen die polari- sierende Wirkung direkt auf dem Halbleiterchip erreicht werden kann. Die hohe Temperaturbeständigkeit dieser Materialien erlaubt außerdem die Nutzung von Standard-Lötverfahren.
Es werden nun anhand von Fig. 5 der Aufbau und die Funktionsweise der Vorrichtung 14, 15 zur Erzeugung einer Phasendifferenz näher erläutert .
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (siehe Fig. 5A) sind auf den Photodioden 12, 13 eine gemeinsame cholesteri- sche Schicht 30 sowie zwei separate Phasenverzögerungsschichten 31, deren Vorzugsachsen auf den beiden Photodioden 12 und 13 rechtwinklig zueinander stehen, vorgesehen. Die von der Fokussierlinse 10 und dem Strahlteilergitter 11 auf die bei- den Photodioden 12 und 13 fokussierten Lichtanteile des zirkulär polarisierten Streulichts s sowie des linear polarisierten Referenzlichts r treffen zunächst auf die beiden Phasenverzögerungsschichten 31. Die Orientierung der Phasenver- zögerungs-Vorzugsachse ist für eine Photodiode 12 parallel und für die andere Photodiode 13 senkrecht zur Polarisations- richtung des Referenzlichts r orientiert. Der Polarisationszustand des linear polarisierten Referenzlichts r wird durch die Phasenverzögerungsschichten 31 nicht beeinflusst, während das zirkulär polarisierte Streulicht s in linear polarisier- tes Licht umgewandelt wird, dessen Polarisationsvektor bei der einen Photodiode um +45° und bei der anderen Photodiode um -45° zum Polarisationsvektor des Referenzlichts verdreht sind. Die cholesterische Schicht 30 wirkt als Zirkularpolarisator, die aus dem linear polariserten Referenzlicht und dem linear polarisierten Streulicht zirkulär polarisiertes Licht generiert .
Alternativ können zur Erzeugung der Phasendifferenz auch Li- nearpolarisatoren auf der Basis von Glaspolarisatoren wie zum Beispiel Polarcor eingesetzt werden. Wie in Fig. 5B dargestellt, sind die einen Photodioden 12 mit einem ersten Linearpolarisator 14 bedeckt, dessen Vorzugsachse 32 unter +45° zum Polarisationsvektor 34 des Referenzlichts r geneigt ist. Die anderen Photodioden 13 sind mit einem zweiten Linearpolarisator 15 versehen, dessen Vorzugsachse 33 unter -45° zum Polarisationsvektor 34 des Referenzlichts geneigt ist.
Die anhand der Fig. 5A und 5B beschriebenen Ausführungsbei- spiele der Polarisationskomponenten bewirken jeweils eine Phasendifferenz der in den Photodioden 12 und 13 erzeugten elektrischen Messsignale zueinander, die je nach der Bewe- gungsrichtung der Oberfläche 7 relativ zur Messanordnung +90° oder -90° beträgt. Aus dem Vorzeichen der so erzeugten Phasenverschiebung kann daher direkt auf die Bewegungsrichtung geschlossen werden.
Ferner besteht auch die Möglichkeit, nur eine der Photodioden 12 oder 13 mit einer Polarisationskomponente auszustatten und die andere Photodiode unbedeckt zu lassen. Die Phasenverschiebung zwischen den in den Photodioden 12, 13 erzeugten Messsignalen beträgt in diesem Fall nur +45° oder -45°. Diese Ausführungsform ist aufgrund des geringeren Montageaufwandes und der geringeren Materialmengen an Polarisationskomponenten zwar kostengünstiger, aber andererseits muss die Auswerteschaltung in der Lage sein, auch bei kleineren Phasenverschiebungen eine hinreichende Unterscheidung des Vorzeichens sicherstellen zu können.
Wie in Fig. 5B und in Fig. 6 dargestellt, sind für jede Fo- kussierlinse 10 zwei Photodioden 12, 13 als Detektoren vorgesehen, die in der x-y-Ebene bei der z-Koordinate z=0 in zwei Reihen zu je drei Photodioden auf einem gemeinsamen Substrat
35 angeordnet sind. Diese Anordnung wird durch die weiter unten im Detail erläuterten Off-Axis-Fokussierlinsen 10 ermöglicht, welche die Lichtstrahlen auf diese zwei Reihen fokus- sieren. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber beispielsweise einer dreieckförmigen Anordnung, in der auch die Fokussier- linsen angeordnet sind, liegt in der homogenen Ausbildung der Photodiodenfläche 12, 13 auf einem integrierten Schaltkreis und der Möglichkeit der gemeinsamen Überdeckung der Photo- diodenreihen mit den Polarisationskomponenten 14, 15. Die Photodioden selbst sind vorzugsweise sechseckig ausgeführt, um unter Berücksichtigung der Toleranzforderungen Chipfläche einsparen zu können, und besitzen einen Durchmesser von etwa 500 μm.
Der auf dem Substrat 35 vorgesehene integrierte Schaltkreis bzw. die Auswerteschaltung enthält verschiedene analoge und digitale Baugruppen, wie Verstärkungs- , Filter- und logische Funktionen, um aus den der Bewegung der Oberfläche proportionalen elektrischen Strom-Zeit-Messsignalen digitale Ausgangssignale (Spannungs-Zeit-Signale) zu erzeugen. Hierzu sind insbesondere Gleichspannungs-Unterdrückung, Hoch- und Nied- rigfrequenzfilter, Maxima- oder Nulldurchgangserkennung und
Zähloperationen erforderlich. Außerdem kann auch die Treiberstufe für die Laserlichtquelle 2 auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet sein.
Je nach Anwendung können die Ausgangssignale des integrierten
Schaltkreises entweder Quadratursignale für die Bewegung in x- und in y-Richtung oder auch digitale Ausgangssignale sein, die parallel oder seriell über ein Bus-System zur Verfügung gestellt werden. Im Falle eines Quadraturausgangs wird zum Beispiel die Bewegung in x-Richtung durch zwei Ausgangssignale repräsentiert, die eine Phasenverschiebung von ±90° aufweisen. Ein eindimensionales Messsystem wird somit zwei Ausgangskanäle und ein zweidimensionales Messsystem wird vier Ausgangskanäle aufweisen. Unter Anwendung der Quadratur der Ausgangskanäle kann eine Auswerteschaltung die vierfache Auflösung der eigentlichen Auflösung der Messanordnung erreichen.
Wieder zurück zu Fig. 3, ist mit dem Gehäusesubstrat 16 ein Optikmodul 19 verbunden. Das Optikmodul 19 weist insbesondere die Kollimationslinse 3 für das kohärente Licht c, die Fokus- sierlinsen 10, die Strahlteilergitter 11 und einen Schicht- aufbau 21, der im wesentlichen das Beugungsgitter 4 und den Zirkularpolarisator 5, 6 enthält, auf. Das Optikmodul 19 kann zum Beispiel durch Spritzgießen aus PC, PMMA, COC oder COP hergestellt werden und dabei auch mit einem Durchbruch (nicht dargestellt) für Belüftungszwecke versehen werden. Die Kolli- mations- und Fokussierkomponenten 3, 10, 11 können dabei zusammen mit notwendigen Verbindungsstrukturen für den Schicht- aufbau 21 (sog. "Sandwich") und das Gehäusesubstrat 16 als ein einzelnes Bauteil hergestellt werden. Dabei ist insbeson- dere darauf zu achten, dass das verwendete Material und die
Prozessführung beim Spritzguss so gewählt werden, dass in den optisch wirksamen Teilen möglichst wenig Spannungsdoppelbrechung auftritt.
Das Optikmodul 19 kann die Montageschnittstellen zum Gehäusesubstrat 16 bereits enthalten, indem zusätzlich zur Formgebung der optischen Elemente auch die Formgebung eines optome- chanischen Stützgerüsts 22 in einer Spritzform durchgeführt wird. Alternativ kann das Optikmodul 19 auch in ein separat gefertigtes optomechanisches Stützgerüst 22 eingefügt werden. Im letztgenannten Fall kann das optomechanische Stützgerüst 22 lichtdicht und schwach reflektierend ausgebildet werden, wodurch der Störlichtanteil durch externe Lichteinstrahlung und interne Reflexionen verringert wird. Das optomechanische Stützgerüst 22 weist Schnittstellen (nicht dargestellt) zum Gehäusesubstrat 16, zum Optikmodul 19 (falls separat hergestellt) , zum Sandwich 21 und zum optionalen externen Einbauort in der Anwendung auf. Weiter kann das Stützgerüst 22 mit einer Nut oder einem Durchbruch zum Zwecke der Belüftung ver- sehen sein.
Das Optikmodul kann auch aus zwei separaten Teilen bestehen. Beispielsweise können Strahlteiler 11 und Abbildungsoptik 3 und 10, oder Strahlteiler 11 und eine Kombination aus Beu- gungsgitter 4 und Abbildungsoptik als unabhängige Teile gefertigt und anschließend zusammengefügt werden. Als Schnittstelle zwischen Stützgerüst 22 und Gehäusesubstrat 16 kann zum Beispiel eine umlaufende Nut im Kunststoffmantel 18 des Gehäusesubstrats 16, die mit einem geeigneten Klebemittel gefüllt wird, und eine entsprechende Anschlussgeome- trie am Stützgerüst 22 vorgesehen sein. An bestimmten Stellen ist die Nut unterbrochen und als Belüftungsdurchbruch mit Staubbarriere ausgebildet, wobei das Stützgerüst an diesen Stellen mit entsprechenden Gegenstücken versehen ist. Alternativ kann das Gehäusesubstrat 16 auch Zentrierhilfen und Durchbrüche zur Rückseite hin aufweisen, in die entsprechende Stifte des optomechanischen Stützgerüsts 22 eingefügt werden und optional an der Rückseite des Gehäusesubstrats 16 vernietet oder dergleichen fixiert werden können.
Zur Verbindung mit dem Schichtaufbau 21 besitzt das Stützgerüst 22 beispielsweise eine umlaufende Ausnehmung oder Vertiefung 23, in die der Schichtaufbau 22 eingelegt werden kann. In der Ausnehmung 23 sind zusätzliche Vertiefungen oder dergleichen zur Aufnahme eines Klebemittels ausgebildet. Fer- ner kann auch diese Schnittstelle an bestimmten Stellen Belüftungen mit Staubbarriere aufweisen.
Mit der Schnittstelle zwischen Stützgerüst 22 und Einbauort schließlich kann eine genaue Justierung am Einbauort und da- mit zur zu vermessenden Oberfläche 7 erreicht werden. Das optomechanische Stützgerüst 22 weist hierzu zum Beispiel Vorsprünge und Abflachungen auf, die Teil einer Schnappverbindung mit entsprechenden Gegenelementen am Einbauort sind. Zusätzlich kann eine umlaufende Nut mit einem Gegenstück am Einbauort als ESD-Schutz vorgesehen sein, so dass der Luftweg für einen möglichen Überschlag deutlich vergrößert wird, ohne den optoelektronischen Sensor 20 selbst in entsprechender Weise zu vergrößern.
Wie bereits zum Teil erwähnt können alle oben beschriebenen Schnittstellen des Stützgerüsts 22 spezielle Konstruktionsmerkmale, wie Staubbarrieren, Lüftungsöffnungen zur Vermei- düng von Mikroklima, ESD-Schutzvorrichtungen und Verdrehsicherungen enthalten. Die feste Verbindung zwischen dem Stützgerüst 22 und dem Gehäusesubstrat 16 sowie dem Schichtaufbau 21 erfolgt vorzugsweise mittels UV-Klebetechnologie.
Die in dem Optikmodul 19 integrierte Kollimationslinse 3 ist vorzugsweise eine asphärische Plankonvexlinse, wobei die dem Schichtaufbau 21 zugewandte Planseite 3a der Plankonvexlinse 3 zur Erzielung einer zusätzlichen Strahlablenkung um einen Winkel α gegen die x-y-Ebene geneigt sein kann, wie bereits oben erläutert. Die Strahlung des VCSEL 2 wird durch die asphärische Plankonvexlinse (z.B. Krümmungsradius R = 1,71 mm und konische Konstante c = -2,48) kollimiert, deren Krümmungsscheitel im Abstand von 3 mm von der Laserdiode 2 posi- tioniert ist. Die Planseite 3a der Kollimationslinse 3 ist um einen Winkel α = 3,3° um die x-Achsenrichtung gedreht und ihr Mittelpunkt befindet sich in einem Abstand von 4,4 mm vom VCSEL. Das Material der Kollimationslinse 3 ist beispielsweise Polycarbonat mit einem Brechungsindex von 1,57 und die Apertur der Kollimationslinse ist quadratisch mit einer Ausdehnung von 0 , 8 mm x 0,8 mm.
Der bereits erwähnte Schichtaufbau 21 des Optikmoduls 19 besteht aus mehreren Schichten und weist im wesentlichen das teilreflektierende optische Beugungsgitter 4, den Zirkularpolarisator 5, 6 sowie eine mechanisch dauerhafte Beschichtung zum Schutz des Optikmoduls 19 gegen mechanische Beschädigungen auf. Der gesamte Schichtaufbau 21 wird zum Beispiel großflächig mittels DVD/CD-Spritzguss/Spritzpräge-Technologie oder durch Roller-Embossing hergestellt und anschließend in kleinere Teile zerteilt, welche in das optomechanische Stützgerüst 22 eingefügt werden.
Der Schichtaufbau 21 hat zum einen die Aufgabe, die für die interferometrische Messung erforderlichen Referenzstrahlen r durch Reflexion zu erzeugen, und er muss andererseits den Polarisationszustand des von der Oberfläche 7 zurück gestreuten Lichts s gezielt beeinflussen um die Bestimmung der Bewegungsrichtung zu ermöglichen. Der Aufbau des Schichtaufbaus 21 ist in vergrößerter Darstellung schematisch in Fig. 4A und 4B gezeigt .
Das teilreflektierende Beugungsgitter 4 des Schichtaufbaus 21 besteht im wesentlichen aus einem in x-Richtung und in y- Richtung periodischen Oberflächenprofil auf einem Substrat 24, auf dem eine teilreflektierende Schicht 27 vorgesehen ist, um ein Teil des einfallenden Lichts c zu reflektieren und in mehrere Beugungsordnungen aufzuspalten. Da die Gitterwirkung des Beugungsgitters 4 für das transmittierte Licht t aufgehoben werden soll, wird das teilreflektierend beschichtete Oberflächenprofil mit einem Material 28 eingeebnet, des- sen optischer Brechungsindex an den des Gittermaterials ange- passt ist. Dieses Material 28 dient gleichzeitig als Klebemittel zum angrenzenden Zirkularpolarisator 5, 6. Die Periode kann in x- und y-Richtung unterschiedlich sein.
Das Substrat 24 des Beugungsgitters 4 ist in einem Abstand von etwa 11 mm von der Laserdiode 2 positioniert und hat eine Schichtdicke von etwa 0,6 mm. Das Oberflächenprofil des Beugungsgitters 4 ist so ausgebildet, dass das daran reflektierte Licht r bevorzugt in die oben beschriebenen Beugungs- Ordnungen abgelenkt wird, die als Referenzstrahlen für die interferometrische Messung dienen, während Licht in anderen Beugungsordnungen aus energetischen Gründen und zur Unterdrückung von störendem Streulicht vermieden werden soll. Die erzeugten Beugungsordnungen haben zusätzlich zu ihrer Aus- breitungskomponente in -z - Richtung jeweils eine Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, in +y - Richtung, in -x - Richtung und in +x - Richtung.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in dem Substrat 24 zur Erzielung dieser Beugungsordnungen ein binäres Höhenprofil aus quadratischen Flächen 25, 26 mit zwei Höhenstufen ausgebildet, die schachbrettartig angeordnet sind, wie in der Draufsicht von Fig. 4B zu erkennen ist. Die optisch wirksame Höhendifferenz zwischen den oberen, in Fig. 4B dunkel dargestellten Flächen 25 und den unteren, in Fig. 4B hell dargestellten Flächen 26 beträgt dabei vorzugsweise λ/4 der verwendeten Wellenlänge der Laserlichtquelle 2. Die Ausrichtung der quadratischen Flächen 25, 26 ist 45° zur x-Achse bzw. zur y-Achse geneigt und die Größe der Flächen wird bestimmt durch den gewünschten Ablenkwinkel der Beugungsordnungen .
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Gitterperiode 10 μm und die Gittertiefe beträgt bei einem Brechungsindex n = 1,5 des Substratmaterials vorzugsweise h = 130 nm. Eine solche Gitterstruktur erzeugt bei der Reflexion vier gleich starke Beugungsordnungen mit einem Winkel von etwa 6,9° zur Richtung der direkten Reflexion (0. Beugungsordnung) . Von den vier genannten Beugungsordnungen werden im vorliegenden Fall nur die mit Ausbreitungskomponenten in -y - Richtung, in +y - Richtung und in -x - Richtung genutzt; die Beugungsordnung mit Ausbreitungskomponente in +x - Richtung wird nicht weiter verwendet. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Referenzstrahlen der Beugungsordnungen in - y - Richtung und in -i-y - Richtung einerseits und in -x - Richtung und in +x - Richtung andererseits in den Detektor- anordnungen 9 die gleichen Messsignale erzeugen, so dass grundsätzlich auf eine Beugungsordnung eines solchen Paares von Referenzstrahlen verzichtet werden kann. Werden beide Referenzstrahlen, wie zum Beispiel der Beugungsordnungen in - y - Richtung und in +y - Richtung ausgewertet, so kann die Messgenauigkeit durch Mitteln der beiden so erhaltenen Messsignale weiter erhöht werden.
Im Hinblick auf eine Massenfertigung eines solchen Oberflächenprofils stehen als Herstellverfahren beispielsweise die Abformung von einer Originalstruktur mittels des sogenannten Injection-Molding oder des sogenannten Roller-Embossing zur Verfügung. Die dazu benötigte Originalstruktur kann bei- spielsweise mittels galvanischer Abformung von einem lithographisch realisierten Oberflächenprofil oder mittels Präzisionsfräsen eines Metallstempels hergestellt werden.
Das Oberflächenprofil 25, 26 ist mit einer teilreflektierenden Schicht 27 überzogen, die eine Reflektivität von etwa 10% besitzt. Zur Erzeugung der teilreflektierenden Schicht 27 kann im einfachsten Fall eine dünne Metallschicht, beispielsweise aus Gold oder Silizium, aufgebracht werden. Da eine solche Metallschicht jedoch einen Teil des transmittierten
Lichts absorbiert, wird die teilreflektierende Schicht 27 bevorzugt mit einer dielektrischen Interferenzschicht realisiert .
Anschließend wird das Oberflächenprofil mit der teilreflektierenden Schicht 27 mit einem Material 28 eingeebnet, das den gleichen Brechungsindex wie das Substrat 24 aufweist . Auf diese Weise erfährt der transmittierte Teil des Lichts keine Gitterwirkung durch das Beugungsgitter 4.
Der Schichtaufbau 21 hat neben der Erzeugung der Referenz- strahlen durch Reflexion am Beugungsgitter 4 auch die Aufgabe, das von der Oberfläche zurückgestreute Licht zirkulär zu polarisieren, um später eine Richtungserkennung der Bewe- gung der Oberfläche zu ermöglichen. Zu diesem Zweck weist der Schichtaufbau 21 angrenzend an das Beugungsgitter 4 einen Zirkularpolarisator auf. Der Zirkularpolarisator besteht aus einer λ/4 -Phasenverzögerungsschicht 5 und einer Linearpolari- satorschicht 6. Die Vorzugsachsen beider Schichten 5, 6 sind um 45° zueinander verdreht. Die Orientierung des Zirkularpolarisators zur Polarisationsachse des transmittierten Lichts ist aber beliebig, sofern die λ/4 -Phasenverzögerungsschicht 5 auf die Wellenlänge λ der Laserlichtquelle 2 abgestimmt ist. Die Gesamtdicke des Zirkularpolarisators 5, 6 beträgt etwa 0,5 - 1,0 mm. Der durch das Beugungsgitter 4 transmittierte Anteil t des kollimierten Lichtstrahls c durchläuft die λ/4 -Platte 5 und den Linearpolaristor 6, bevor er nach weiteren etwa 1,5 mm auf die bewegte Oberfläche 7 trifft. Von dieser Oberfläche 7 wird das Licht diffus zurückgestreut. Ein Teil des zurückgestreuten Lichts s durchläuft zunächst wieder den Linearpolarisator 6, der wieder einen linearen Polarisationszustand herstellt, sofern die Streuung unter nicht-polarisationser- haltenden Bedingungen abläuft, und anschließend wieder die λ/4 -Platte 5, deren optische Achse um 45° gegen die Durchlassrichtung des Linearpolarisators 6 gedreht ist. Dadurch wird das linear polarisierte Licht in zirkulär polarisiertes Streulicht s umgewandelt, welches dann das teilreflektierende Beugungsgitter 4 ohne Beugungseffekte durchläuft und sich mit dem am Beugungsgitter 4 reflektierten Licht r interferierend überlagert .
Als Materialien für den Zirkularpolarisator 5, 6 werden vorzugsweise Phasenverzögerungs- und Linearpolarisatorfolien auf der Basis mechanisch gestreckter organischer Polymere eingesetzt. Alternativ können auch cholesterische Polymerschichten oder Polarcorschichten verwendet werden.
Zum Schutz des Schichtaufbaus 21 vor mechanischen Beschädi- gungen ist an der der Oberfläche 7 zugewandten Seite eine Beschichtung 29 aus einem transparenten, mechanisch unempfindlichen Material vorgesehen.
Wieder zurück zu Fig. 3 wird nun die Fokussierlinse 10 mit Strahlteilergitter 11 des Optikmoduls 19 näher erläutert. Die Fokussierlinsen 10 sind unmittelbar neben der Kollimationslinse 3 angeordnet und bevorzugt als sphärische Off-Axis- Plankonvexlinsen ausgeführt. Die Aperturzentren dieser Fokussierlinsen 10 sind so entlang der x-Achse bzw. der y-Achse gegenüber der Kollimationslinse 3 verschoben, dass die Referenzstrahlen r und das parallel zu diesen laufende Streulicht s vollständig auf diese Linsen treffen. Eine bevorzugte An- Ordnung der drei Fokussierlinsen 10 ist in der folgenden Tabelle angegeben:
Figure imgf000028_0001
Bei den Fokussierlinsen 10 handelt es sich vorzugsweise um Plankonvexlinsen mit einem Brechungsindex von n = 1,57, deren gekrümmte Oberfläche dem Beugungsgitter 4 zugewandt ist. Die der Lichtquelle 2 zugewandte plane Oberfläche der Fokussierlinsen 10 hat einen Abstand von etwa 3 mm zur x-y-Ebene, in welcher die Lichtquelle 2 liegt.
Auf der Planseite der Fokussierlinsen 10, welche den Detektoren 12, 13 zugewandt ist, ist jeweils ein Strahlteilergitter 11 angebracht, das eine Aufspaltung der Brennpunkte der Fokussierlinsen in jeweils zwei Foki bewirkt, die dem jeweiligen Detektorpaar 12, 13 entsprechen.
Das Strahlteilergitter 11 kann zum Beispiel als binäres Höhenprofil mit einer Profiltiefe von vorzugsweise λ/(2(n-l)) ausgebildet sind, wobei λ die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle 2 und n die Brechzahl des Gittermaterials ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein lineares, binäres Gitter verwendet, bei dem die Gitterlinien in y-Richtung verlaufen. Die Gitterperiode beträgt etwa 6,25 μm und die Pro- filtiefe beträgt etwa h = 0,74 μm bei einem Brechungsindex n = 1,57 des verwendeten Gittermaterials. Mit Hilfe dieses Strahlteilergitters 11 werden die von den Fokussierlinsen 10 erzeugten Foki in x-Richtung in zwei separate Foki aufgespalten, die dann auf die entsprechenden Detektorpaare 12, 13 treffen.
Die aufgespaltenen Lichtstrahlen werden, bevor sie auf die Detektoren 12, 13 treffen, wie oben beschrieben zusätzlich mit einer Phasendifferenz versehen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Messen von Translationsbewegungen zwischen einer Messanordnung und einer Oberfläche, die sich in der x-y-Ebene erstreckt, mit den Verfahrensschritten:
Richten eines kohärenten Lichtstrahls (c) mit einer Haupt - ausbreitungskomponente in z-Richtung auf die sich relativ zu der Messanordnung (1) in der x-y-Ebene bewegende Oberfläche (7) ; Anordnen eines teilreflektierenden Beugungsgitters (4) vor der Oberfläche (7) , an dem ein Teil des kohärenten Lichtstrahls (c) derart reflektiert wird, dass das reflektierte Licht (r) Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung (r.y) und Beugungsordnungen mit ei- ner Ausbreitungskomponente in -i-y - Richtung (r+y) aufweist, die gleich stark sind, und das einen anderen Teil (t) des kohärenten Lichtstrahls (c) durchläset, so dass es an der Oberfläche (7) gestreut wird und sich das so gestreute Licht (s) mit dem am Beugungsgitter (4) reflek- tierten Licht (r.y, r+y) überlagert;
Zirkularpolarisieren des an der Oberfläche (7) gestreuten Lichts (s) ;
Empfangen des an dem Beugungsgitter reflektierten Lichts (r.y) mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, in einer ersten Detektoranordnung (9.y) und/oder des an dem Beugungsgitter reflektierten Lichts
(r+y) mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, in einer zweiten Detektoranordnung (9+y) ;
Teilen des von der Detektoranordnung (9-y, 9+y) empfangenen Lichts (r.y, r+y, s) in einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl (ii, i2) und Erfassen eines ersten und eines zweiten Messsignals entsprechend dem ersten bzw. zweiten Lichtstrahl (ii, i2) , wobei der erste und der zweite
Lichtstrahl vor ihrer Erfassung zueinander phasenverschoben werden; und Auswerten des ersten und des zweiten Messsignals, um aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal die Bewegungsrichtung in y-Richtung und aus der Frequenz der Amplitudenänderung des ersten und des zweiten Messsignals den Betrag der Bewegung in y-Richtung zu ermitteln.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (c) an dem Beugungsgitter (4) derart reflektiert wird, dass das reflektierte Licht (r) Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y -
Richtung (r_y) , Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung (r+y) , Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung (r.x) und Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung (r+x) aufweist, die gleich stark sind; dass das an dem Beugungsgitter reflektierte Licht (r.x) mit einer Ausbreitungskomponente in -x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche reflektierten Licht (s) überlagert, in einer dritten Detektoranordnung (9.x) und/oder das an dem Beugungsgitter reflektierte Licht mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche reflektierten Licht (s) überlagert, in einer vierten Detektoranordnung empfangen wird; dass das von der Detektoranordnung (9.x) empfangenen Lichts (r-x, s) in einen dritten und einen vierten Lichtstrahl (i3, i4) geteilt wird und ein drittes und ein vier- tes Messsignal entsprechend dem dritten bzw. vierten Lichtstrahl erfasst werden, wobei der dritte und der vierte Lichtstrahl vor ihrer Erfassung zueinander phasenverschoben werden; und dass das dritte und das vierte Messsignal ausgewertet wer- den, um aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal die Bewegungsrichtung in x-Richtung und aus der Frequenz der Amplitudenän- derung des dritten und des vierten Messsignals den Betrag der Bewegung in x-Richtung zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass von den Detektoranordnungen (9.y, 9+y, 9.x) jeweils das an dem Beugungsgitter (4) reflektierte Licht (r.y, r+y, r.x) der +1. und/oder -1. und/oder höheren Beugungsordnung empfangen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die Oberfläche (7) bzw. das Beugungsgitter (4) gerichtete Lichtstrahl (c) um einen Winkel (ß) zur z- Richtung geneigt ist .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Beugungsgitter (4) transmittierte Licht (t) und das an der Oberfläche (7) gestreute Licht (s) keine Gitterwirkung durch das Beugungsgitter erfahren.
6. Vorrichtung zum Messen von Translationsbewegungen zwischen einer Messanordnung und einer Oberfläche, die sich in der x-y-Ebene erstreckt, mit einer Lichtquelle (2) zum Aussenden eines kohärenten Lichtstrahls (c) mit einer Hauptausbreitungskomponente in z-Richtung in Richtung auf die sich relativ zu der Messanordnung (1) in der x-y-Ebene bewegende Oberfläche (7) ; einem teilreflektierenden Beugungsgitter (4), das vor der Oberfläche (7) positioniert und derart ausgebildet ist, dass das daran reflektierte Licht (r) Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung (r.y) und Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung (r+y) aufweist, die gleich stark sind, und dass es einen anderen Teil (t) des kohärenten Lichtstrahls (c) durchlässt, um an der Oberfläche (7) gestreut (s) zu werden und sich mit dem am Beugungsgitter reflektierten Licht (r.y, r+y) zu überlagern; einem Zirkularpolarisator (5, 6) für das an der Oberfläche (7) gestreute Licht (s) ; einer ersten Detektoranordnung (9.y) zum Empfangen des an dem Beugungsgitter (4) reflektierte Lichts (r.y) mit einer Ausbreitungskomponente in -y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, und/oder einer zweiten Detektoranordnung (9+y) zum Empfan- gen des an dem Beugungsgitter (4) reflektierte Lichts
(r+y) mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, wobei die Detektoranordnung (9-y, 9+y) einen Strahlteiler (11) und einen ersten und einen zweiten De- tektor (12, 13) zur Erfassung eines ersten bzw. zweiten
Messsignals aufweist, wobei zwischen dem Strahlteiler (11) und dem ersten und zweiten Detektor (12, 13) eine Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal vorgesehen ist; und einer Auswerteschaltung, der das erste und das zweite
Messsignal zugeführt werden, zur Ermittlung der Bewegungs- richtung in y-Richtung aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Messsignal und des Betrages der Bewegung in y-Richtung aus der Frequenz der Amplitudenänderung des ersten und des zweiten Messsignals .
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das teilreflektierende Beugungsgitter (4) derart ausgebildet ist, dass das daran reflektierte Licht (r) Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -y -
Richtung (r.y) , Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +y - Richtung (r+y) , Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in -x -
Richtung (r.x) und Beugungsordnungen mit einer Ausbreitungskomponente in +X - Richtung aufweist; dass die Vorrichtung weiter eine dritte Detektoranordnung (9-x) zum Empfangen des an dem Beugungsgitter (4) reflektierte Lichts (r.x) mit einer Ausbreitungskomponente in - x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, und/oder einer vierten
Detektoranordnung zum Empfangen des an dem Beugungsgitter reflektierte Lichts mit einer Ausbreitungskomponente in +x - Richtung, das sich mit dem an der Oberfläche gestreuten Licht (s) überlagert, aufweist, wobei die dritte und/oder die vierte Detektoranordnung (9.x) einen Strahlteiler (11) und einen dritten und einen vierten Detektor (12, 13) zur Erfassung eines dritten bzw. vierten Messsignals aufweist, wobei zwischen dem Strahlteiler (11) und dem dritten und vierten Detektor (12, 13) eine Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal vorgesehen ist; und dass der Auswerteschaltung das dritte und das vierte Messsignal zugeführt werden, um die Bewegungsrichtung in x- Richtung aus dem Vorzeichen der Phasendifferenz zwischen dem dritten und dem vierten Messsignal und den Betrag der Bewegung in x-Richtung aus der Frequenz der Amplitudenänderung des dritten und des vierten Messsignals zu ermitteln.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem Strahlteiler (11) und dem ersten bzw. dritten Detektor (13) einen ersten Polarisationsfilter (14) mit einem ersten Polarisationsvektor und/oder zwischen dem Strahlteiler (11) und dem zweiten bzw. vierten Detektor (13) einen zweiten Polarisationsfilter (15) mit einem von dem ersten Polarisationsvektor unterschied- liehen zweiten Polarisationsvektor aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen dem Strahlteiler (11) und dem ersten bzw. dritten Detektor (13) eine erste Phasenverzögerungs- schicht mit einer ersten Phasenverzögerungs-Vorzugsachse parallel zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts (r) und/oder zwischen dem Strahlteiler (11) und dem zweiten bzw. vierten Detektor (13) eine zweite Phasenver- zögerungsschicht mit einer zweiten Phasenverzögerungs-Vorzugsachse senkrecht zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts (r) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und dritten Detektoren (12) und die zweiten und vierten Detektoren (13) jeweils in einer Reihe angeordnet sind und eine gemeinsame Vorrichtung (14, 15) zur Erzeugung einer Phasendifferenz aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (2) und dem Beugungsgitter (4) eine Kollimationslinse (3) vorgesehen ist, die dem Beugungsgitter zugewandt eine plane Seite (3a) aufweist, die um einen Winkel (α) gegen die x-y-Ebene geneigt ist, so dass der kohärente Lichtstrahl (c) um einen Winkel (ß) zur z-Richtung geneigt wird.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zirkularpolarisator (5, 6) eine Phasenverzögerungsvorrichtung (5) und einen Linearpolarisator (6) aufweist .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter auf der der Oberfläche (7) zugewandten Seite eine lichtdurchlässige, mechanisch unempfindliche Beschichtung (29) zum Schutz der Vorrichtung aufweist .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (4) ein in x- und y-Richtung periodisches Oberflächenprofil (25, 26) auf einem Substrat (24) aufweist, auf dem eine teilreflektierende Schicht (27) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die teilreflektierende Schicht (27) eine dielektrische Interferenzschicht ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil (25, 26) ein binäres Höhenprofil mit einer Höhendifferenz zwischen oberen Flächen (25) und unteren Flächen (26) ist, wobei die oberen und die unteren Flächen im wesentlichen quadratisch ausgebildet sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten der quadratischen oberen und unteren Flä- chen (25, 26) gegenüber der x-Achse bzw. der y-Achse um
45° verdreht sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil (25, 26) des Beugungsgitters (4) mittels eines Materials (28) eingeebnet ist, dessen optischer Brechungsindex dem des Substrats (24) entspricht .
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