DE4337005A1 - Length and angle measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine interferentiel le Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach den Ober begriffen der Ansprüche 1 oder 4.The invention relates to an interferentiel le length or angle measuring device according to the upper concept of claims 1 or 4.
Derartige Meßeinrichtungen sind aus einer Vielzahl von Druckschriften bekannt. Als Beispiel sei von der DE-OS 36 33 574 ausgegangen, in der Wegmeßein richtungen beschrieben sind. Eines der Ausführungs beispiele zeigt zwei Linearteilungen zur Umlenkung der positiven und negativen Beugungsstrahlen. Zur Gewinnung der Meßsignale werden Interferenzen der positiven und der negativen Beugungsstrahlen einer Ordnung ausgewertet.Such measuring devices are from a variety known from publications. As an example from the DE-OS 36 33 574 started in the Wegmeßein directions are described. One of the execution examples shows two linear divisions for deflection of positive and negative diffraction rays. For Obtaining the measurement signals will cause interference positive and negative diffraction rays of one Order evaluated.
In der Dissertation "Dreigitterschrittgeber" von J. Willhelm, 1978, Technische Universität Hannover, Seite 52, ist ein sogenannter "Viergittergeber" mit hoher Empfindlichkeit, bezogen auf die Gitterkonstante, beschrieben. Dort dient ein 120°-Prisma zur Umlenkung der gebeugten Teilstrahlenbün del. Als vorteilhaft wird dort angegeben, daß Ein- und Austrittsfeld getrennt sind, so daß sich innere Reflexe nicht störend auswirken.In the dissertation "Dreititterittergeber" by J. Willhelm, 1978, Technical University of Hanover, Page 52, is a so-called "four-grid encoder" with high sensitivity, based on the Lattice constant. There is a 120 ° prism to redirect the diffracted beam del. It is stated as advantageous that input and Exit field are separated, so that inner Do not interfere with reflexes.
Nachteilig ist bei derartigen Anordnungen die soge nannte Moir´-Empfindlichkeit. Es treten Störungen auf, die auf der Empfindlichkeit der Positionsmeß einrichtung gegenüber Verdrehungen der Beugungsgit ter zueinander beruhen.The disadvantage of such arrangements is the so-called called Moir sensitivity. Faults occur based on the sensitivity of the position measurement device against twisting of the diffraction grating based on each other.
Aus der EP 0 146 244 B1 und der EP 0 364 984 A2 sind interferentiell arbeitende Längen- oder Win kelmeßeinrichtungen bekannt, deren Lichtquellen als Multimode-Laserdioden ausgebildet sind, die jeweils bestimmte Charakteristika aufweisen.From EP 0 146 244 B1 and EP 0 364 984 A2 are interferential working lengths or win kelmeßeinrichtung known whose light sources as Multimode laser diodes are formed, each have certain characteristics.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, eine hochauflösende, einfach aufgebaute Po sitionsmeßeinrichtung der beschriebenen Gattung zu schaffen, bei der die Auswertung interferierender Strahlenbündel zu phasenverschobenen Signalen mit sehr gutem Modulationsgrad führt, die unempfindlich gegen Verdrehungen und Verkippungen der optischen Bauelemente zueinander ist und bei denen keine Mul timode-Laserdioden verwendet werden, denn deren Moden beeinflussen sich gegenseitig, was zu einem unerwünschten Rauschen führt (sogenanntes Mode Partition Noise).The object of the present invention is to achieve basic, a high-resolution, simply constructed Po Sition measuring device of the type described create where the evaluation is interfering Beams to phase-shifted signals with very good degree of modulation, which is insensitive against twisting and tilting of the optical Components to each other and where no Mul timode laser diodes are used because of their Fashions influence each other, leading to one leads to unwanted noise (so-called fashion Partition noise).
Diese Aufgabe wird von Positionsmeßeinrichtungen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 4 gelöst, die durch die Unteransprüche in vorteilhafter Weise ausgestaltet werden. This task is performed by position measuring devices solved with the features of claims 1 or 4, by the subclaims in an advantageous manner be designed.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsmeßein richtung liegen im einfachen Aufbau und in der Mög lichkeit, relativ große Anbautoleranzen zuzulassen. Die Justierung der Bauteile ist einfach.The advantages of the position measurement according to the invention direction lie in the simple structure and in the possibilities ability to allow relatively large cultivation tolerances. The adjustment of the components is easy.
Mit Hilfe der Zeichnungen wird die Erfindung anhand eines stark vereinfachten Ausführungsbeispieles nä her erläutert. Der dargestellte Abtastbereich ist Bestandteil von an sich hinreichend bekannten Posi tionsmeßeinrichtungen. Die relevanten optischen Bauelemente sind zum einfacheren Verständnis nur zweidimensional dargestellt, da eine räumliche Dar stellung - vor allem der Strahlengänge - zu unüber sichtlich werden würde.With the help of the drawings, the invention is based a much simplified embodiment nä ago explained. The scan area shown is Part of well-known Posi tion measuring devices. The relevant optical Components are only for easier understanding represented two-dimensionally, since a spatial Dar position - especially the beam paths - too difficult would become visible.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 einen Abtastbereich einer Längenmeß einrichtung in stark schematisierter Form; Figure 1 shows a scanning area of a length measuring device in a highly schematic form.
Fig. 2 ein Spektrums-Diagramm einer Super lumineszenz-Diode; Fig. 2 is a spectrum diagram of a super luminescent diode;
Fig. 3 den Intensitätsverlauf einer Laser diode und Fig. 3 shows the intensity curve of a laser diode and
Fig. 4 ein Halbleiter-Substrat in Draufsicht. Fig. 4 shows a semiconductor substrate in plan view.
In Fig. 1 sind Elemente einer Positionsmeßeinrich tung 1 gezeigt, bei der auf die Darstellung allge mein bekannter Details verzichtet wurde.In Fig. 1, elements of a Positionmeßeinrich device 1 are shown, in which the general known details have been omitted.
An einem der nicht dargestellten, relativ zueinan der beweglichen Objekte ist ein Beugungsgitter in Form eines Phasengitters 2 befestigt. Das Objekt mit dem Phasengitter 2 ist parallel zu einem eben falls nicht dargestellten zweiten Objekt angeord net. An diesem zweiten Objekt ist ebenfalls ein Beugungsgitter 3 befestigt, welches sich relativ zu dem ersten bewegt.A diffraction grating in the form of a phase grating 2 is attached to one of the objects, not shown, relative to one another. The object with the phase grating 2 is net parallel to a second object, if not shown. A diffraction grating 3 , which moves relative to the first, is also attached to this second object.
Von einer Beleuchtungseinrichtung 4 wird Licht aus gesendet und am Phasengitter 2 gebeugt. Gebeugte Teilstrahlenbündel -ϕ und +ϕ treffen auf das zweite Beugungsgitter 3 und werden abermals gebeugt. Die 0. Beugungsordnung kann mittels einer Blende 5 aus geblendet werden, bevor dieses Teilstrahlenbündel auf das zweite Beugungsgitter 3 auftrifft.Light is emitted from an illumination device 4 and diffracted at the phase grating 2 . Diffracted partial beams -ϕ and + ϕ hit the second diffraction grating 3 and are diffracted again. The 0th diffraction order can be faded out by means of an aperture 5 before this partial light beam strikes the second diffraction grating 3 .
Dem zweiten Beugungsgitter 3 ist ein sogenanntes retroreflektierendes Element nachgeordnet. Solche Elemente sind an sich bekannt und für dieses Aus führungsbeispiel ist ein Tripelspiegel 6 gewählt worden. Das Beugungsgitter 3 und der Tripelspiegel 6 sind so aufeinander abgestimmt, daß sich die Teilstrahlenbündel -ϕ und +ϕ in einem einzigen Punkt schneiden. Nach dem Austritt aus dem Tripel spiegel 6 werden die Teilstrahlenbündel -ϕ und +ϕ beim Durchtritt durch das Beugungsgitter 3 wieder gebeugt und treffen auf das Phasengitter 2, wo sie nochmals gebeugt werden. Die interferierenden und gebeugten Teilstrahlenbündel treffen auf eine De tektoreinrichtung 7, von der sie in Meßsignale um gewandelt werden, die zueinander phasenverschoben sind. Es ist nicht erfindungswesentlich, welches der Gitter 2 oder 3 bewegt wird.A so-called retroreflective element is arranged downstream of the second diffraction grating 3 . Such elements are known per se and a triple mirror 6 has been selected for this exemplary embodiment. The diffraction grating 3 and the triple mirror 6 are matched to one another in such a way that the partial beams -ϕ and + ϕ intersect at a single point. After emerging from the triple mirror 6 , the partial beams -ϕ and + ϕ are diffracted again when they pass through the diffraction grating 3 and meet the phase grating 2 , where they are diffracted again. The interfering and diffracted partial beams meet a De tektoreinrichtung 7 , from which they are converted into measurement signals that are out of phase with each other. It is not essential to the invention which of the grids 2 or 3 is moved.
Ein weiteres Kriterium betrifft die spektralen Ei genschaften der Lichtquelle 4. Da es sich bei der Erfindung um ein hochauflösendes, interferentiell arbeitendes Meßsystem handelt, sollten die op tischen Weglängen möglichst gleich sein. Aus ferti gungstechnischen Gründen ist dies in der Praxis jedoch kaum zu realisieren, daher muß die Wellen länge der Lichtquelle 4 (die Schwerpunktwellenlänge bei spektral breiten Lichtquellen) möglichst kon stant gehalten werden. Dies geschieht üblicherweise durch eine Stabilisierung von Injektionsstrom und Temperatur. Voraussetzung dafür ist, daß die Wel lenlänge bei geringen Änderungen der Betriebspara meter nicht springt, also keine Unstetigkeiten auf weisen darf.Another criterion relates to the spectral properties of the light source 4 . Since the invention is a high-resolution, interferential measuring system, the op path lengths should be as equal as possible. For technical reasons, this can hardly be realized in practice, therefore the wavelength of the light source 4 (the focus wavelength for spectrally wide light sources) must be kept as constant as possible. This is usually done by stabilizing the injection current and temperature. The prerequisite for this is that the shaft length does not jump with small changes in the operating parameters, so there must be no discontinuities.
In Fig. 2 ist ein Spektrum einer Superlumines zenz-Diode gezeigt, die diese Spezifikationen er füllt, um in interferentiell arbeitenden Längen- oder Winkelmeßsystemen eingesetzt werden zu können.In Fig. 2, a spectrum of a superluminescent diode is shown, which he fulfills these specifications in order to be used in interferential working length or angle measuring systems.
Die Leuchtfläche dieser Halbleiter-Lichtquelle 4 ist im optischen Sinne punktförmig. Das heißt sie weist eine Leuchtfläche mit einer flächenmäßigen Ausdehnung von maximal 50 µm² und ein annähernd kon tinuierlich verlaufendes Spektrum auf, und zwar mit einer spektralen Halbwertsbreite H von mindestens 5 nm und nicht mehr als 50 nm wobei die Breite des Spektrums bei einem Intensitätsverhältnis von 0,5 als Halbwertsbreite H bezeichnet wird. Unter konti nuierlichem Spektrum soll ein Verlauf der spektra len Leistungsdichte verstanden werden, bei der der Abstand der longitudinalen Schwingungsmoden vonein ander möglichst kleiner ist als die Breite jeder einzelnen Schwingungsmode.The luminous surface of this semiconductor light source 4 is punctiform in the optical sense. This means that it has a luminous area with a maximum area of 50 µm² and an almost continuous spectrum, namely with a spectral half-width H of at least 5 nm and not more than 50 nm, the width of the spectrum with an intensity ratio of 0 , 5 is referred to as half width H. A continuous spectrum is understood to mean a course of the spectra len power density, in which the distance of the longitudinal vibration modes from one another is as small as possible than the width of each individual vibration mode.
Dadurch wird gewährleistet, daß das Licht (auch mit hier nicht gezeigter kurzbrennweitiger Linse) hin reichend gut kollimiert werden kann, also der Strahlquerschnitt sich über den optischen Weg nicht wesentlich vergrößert. Für die interferentielle Längen- oder Winkelmeßeinrichtung sind Lichtquellen mit einem Durchmesser der aktiven Fläche < 50 µm geeignet. This ensures that the light (also with short focal length lens (not shown here) can be collimated sufficiently well, i.e. the Beam cross-section does not change over the optical path significantly enlarged. For the interferential Length or angle measuring devices are light sources with a diameter of the active area <50 µm suitable.
Eine weitere geeignete Lichtquelle 4 ist die in dem Artikel von Schubert, Wang, Cho, Tu, Zydzik, Appl. Phys. Lett. 50 (1992) 921 beschriebene "Resonant Cavi ty Light Emitting Diode" (RCLED). Sie weist ein breites, strukturloses (und damit modensprungfrei es) Spektrum zusammen mit einem kleinen Durchmesser der aktiven Zone (30 µm) bei hoher Ausgangsleistung (0.2 mW) auf.Another suitable light source 4 is that described in the article by Schubert, Wang, Cho, Tu, Zydzik, Appl. Phys. Lett. 50 (1992) 921 described "Resonant Cavity Light Emitting Diode" (RCLED). It has a broad, structureless (and therefore mode-free) spectrum together with a small diameter of the active zone (30 µm) with a high output power (0.2 mW).
In Fig. 3 ist der Intensitätsverlauf einer weite ren geeigneten Lichtquelle 4 dargestellt. Dies ist eine Laserdiode mit speziellem Aufbau, eine soge nannte "Vertical Cavity Surface Emitting Laser Dio de" (VCSEL). Eine VCSEL ist ganz ähnlich wie die oben erwähnte RCLED aufgebaut. Allerdings weist das Spektrum nur eine einzige Mode M auf, ganz analog zu einer herkömmlichen Singlemode-Laserdiode. Der Unterschied zu einer gängigen Singlemode-Laserdiode besteht darin, daß die Cavity - also die Resonator länge - der VCSEL nur wenige µm lang ist. Das führt dazu, daß der Modenabstand so groß ist, daß die nächste (theoretisch) anregbare Mode M′ außerhalb des Verstärkungsprofils A (- welches beispielsweise einer Gaußschen Glockenkurve entspricht -) liegt und somit nicht auftreten kann. Ohne hier auf den exakten Aufbau einer derartigen Lichtquelle 4 ein zugehen sei grundsätzlich erläutert: Neben einer Verstärkungsbandbreite von typisch 50 bis 200 nm existiert eine sogenannte Reflektivitätsbandbreite von typisch 10 bis 50 nm. Die die Reflexionsband breite bestimmende Bragg-Reflektoren können in ein fachstem Modell als schmalbandige Spiegel für einen bestimmten Ort betrachtet werden, der die Resona torlänge bestimmt. Die extrem kurze Resonatorlänge von ca. 1 . . . 10 µm bewirkt einen Modenabstand von ≳ 20 nm bei einer Wellenlänge von beispielsweise 0,9 µm. Da in einem Abstand von < 20 nm der Maxima der Verstärkungs- A- bzw. Reflexionskurve R die Ver stärkung bzw. Bragg-Reflexion bereits stark abge nommen hat, kann nur die longitudinale Mode M an laufen, die am nächsten zu beiden (möglichst iden tischen) Maxima liegt (longitudinaler Einmodenbe trieb).In Fig. 3, the intensity curve of a wide ren suitable light source 4 is shown. This is a laser diode with a special structure, a so-called "Vertical Cavity Surface Emitting Laser Dio de" (VCSEL). A VCSEL is very similar to the RCLED mentioned above. However, the spectrum only has a single mode M, completely analogous to a conventional single-mode laser diode. The difference to a common singlemode laser diode is that the cavity - that is, the resonator length - of the VCSEL is only a few µm long. The result is that the mode spacing is so large that the next (theoretically) stimulable mode M 'lies outside the gain profile A (which corresponds, for example, to a Gaussian bell curve) and therefore cannot occur. Without going into the exact structure of such a light source 4 here, a basic explanation is given: In addition to an amplification bandwidth of typically 50 to 200 nm, there is a so-called reflectivity bandwidth of typically 10 to 50 nm. The Bragg reflectors that determine the reflection band width can be used in a simple model narrow-band mirrors can be considered for a specific location, which determines the resonator gate length. The extremely short resonator length of approx. 1. . . 10 µm causes a mode separation of ≳ 20 nm at a wavelength of 0.9 µm, for example. Since at a distance of <20 nm the maxima of the amplification A or reflection curve R, the amplification or Bragg reflection has already greatly decreased, only the longitudinal mode M can run that is closest to both (if possible identical tables) maxima (longitudinal single-mode operation).
Bei einer Änderung von Strom und Temperatur ver schiebt sich die Wellenlänge der entsprechenden Mode M nur wenig (Raten 0,01 nm/mA bzw. 0,06 nm/mA). Dagegen verlagert sich das Verstärkungs maximum bei Temperaturänderung sehr stark (Rate 0,3 nm/K). Da aber der Modenabstand so groß ist, sind extreme Temperaturänderungen möglich, ohne daß eine benachbarte Mode M′ näher an das Verstärkungs maximum reicht und ein Modensprung auftritt. Bei VCSEL mit kurzen Resonatorlängen kann der moden sprungfreie Bereich den gesamten zulässigen Bereich der Betriebsparameter Temperatur und Strom umfas sen.With a change in current and temperature ver shifts the wavelength of the corresponding Mode M only a little (rates 0.01 nm / mA or 0.06 nm / mA). In contrast, the reinforcement shifts maximum when temperature changes very strongly (rate 0.3 nm / K). But since the mode spacing is so large, extreme temperature changes are possible without an adjacent mode M 'closer to the gain maximum is enough and a fashion jump occurs. At VCSEL with short resonator lengths can handle the modes jump-free area the entire permissible area the operating parameters include temperature and current sen.
Da ferner eine geringe Verlustleistung aufgrund des sehr geringen Schwellstromes eine geringe thermi sche Aufheizung des Abtastkopfes bewirkt, ist auch im Bereich von Nanometermessungen ein exakter und störungsfreier Betrieb möglich.Furthermore, since a low power loss due to the very low threshold current a low thermi cal heating of the scanning head is also an exact and in the range of nanometer measurements trouble-free operation possible.
Bei einer VCSEL handelt es sich also um eine (lon gitudinal) modensprungfreie Singlemode-Laserdiode, die damit nach dem oben Gesagten als Lichtquelle für eine interferentiell arbeitende Längen- oder Winkelmeßeinrichtung in Frage kommt. A VCSEL is therefore a (lon gitudinal) mode-jump-free single-mode laser diode, the light source according to what has been said above for an interferential working length or Angle measuring device comes into question.
Diese Halbleiteranordnungen emittieren die Laser strahlung von der Oberfläche des Halbleiterlasers. Das räumliche Profil der abgestrahlten Leistung weist wiederum die Form einer Gaußschen Glockenkurve und eine geringe Divergenz auf, was durch das Dia gramm deutlich gemacht werden soll.These semiconductor devices emit the lasers radiation from the surface of the semiconductor laser. The spatial profile of the radiated power again has the shape of a Gaussian bell curve and a slight divergence on what is indicated by the slide gram should be made clear.
Ein weiterer Vorteil dieses Oberflächenstrahlers besteht darin, daß die Detektoren 7 gemeinsam mit der Lichtquelle 4 auf einem Halbleitersubstrat an geordnet können, was in Fig. 4 dargestellt ist.Another advantage of this surface emitter is that the detectors 7 can be arranged together with the light source 4 on a semiconductor substrate, which is shown in Fig. 4.
Ferner ist es vorteilhaft, eine Monitor-Diode (nicht dargestellt) zur Leistungsregelung der Halb leiter-Lichtquelle 4 vorzusehen.It is also advantageous to provide a monitor diode (not shown) for power control of the semiconductor light source 4 .
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