DE4416074A1 - Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektri­ sche Positionsmeßeinrichtung zur Messung der rela­ tiven Lage zweier Objekte zueinander.

Positionsmeßeinrichtungen sind als Interferometer in integriert optischer Bauart bekannt. Als Bei­ spiel sei die DE-C2 36 30 887 genannt. Dort wird eine Anordnung auf einem Substrat beschrieben, bei der ein Wellenleiter für den Meßstrahl mit einem Laser verbunden ist. Am anderen Ende des Wellen­ leiters befindet sich ein Aus- bzw. Einkoppelgitter für den Meßstrahl. Mittels eines Kopplers wird aus dem Meßwellenleiter ein sogenannter Bezugswellen­ leiter gewonnen, der an einer verspiegelten Kante des Substrates endet, die somit einen Spiegel für den Bezugswellenleiter bildet. Derartige Spiegel oder auch Bragg-Reflektoren sind in der integrier­ ten Optik nicht leicht herzustellen. Auch Systeme, die Linsen benötigen, sind in der Herstellung und Justierung nicht unproblematisch.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, eine gattungsgemäße Positionsmeßeinrichtung zu schaffen, die beispielsweise Reflektoren und Linsen nur in geringstem Umfang benötigt, die be­ sonders einfach aufgebaut ist, wenig Justageaufwand erfordert, leicht den Erfordernissen angepaßt wer­ den kann und zudem störsicher arbeitet.

Diese Aufgabe wird von einer Positionsmeßeinrich­ tung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsmeßein­ richtung liegen darin, daß sich die passiven Ele­ mente auf einem Substrat zu einer interferometri­ schen Positionsmeßeinrichtung in integriert opti­ scher Bauweise auf kleinstem Raum zusammenfassen lassen und daß jegliche Art von Reflektor und/oder Linse auf dem Chip entfalten kann.

Lediglich der Meßreflektor bzw. das Maßstabgitter an dem zu messenden Objekt ist zwangsläufig noch außerhalb des Substrates angeordnet.

Weitere Vorteile sind durch die Unteransprüche aus­ gedrückt.

Anhand der Zeichnungen soll mit Hilfe von Ausfüh­ rungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 ein Interferometer mit Koppel­ gittern und einem Meßreflek­ tor;

Fig. 2 eine Variante von Fig. 1 und

Fig. 3 ein integriert-optisches Git­ terinterferometer.

Wie bei Darstellungen in der integrierten Optik üblich, müssen die Ausführungsbeispiele stark sche­ matisiert und oft auch verzerrt dargestellt sein, damit die wesentlichen Einzelheiten deutlich wer­ den.

In Fig. 1 ist ein Substrat 1 gezeigt, in oder auf dessen Oberfläche sich ein planarer Lichtwellen­ leiter 1a erstreckt.

Dort sind zwei Koppelgitter 2 und 3 vorgesehen. Ein von einer Laserdiode 4 in das Substrat 1 einfallen­ des Strahlenbündel 5 trifft auf ein Einkoppelgitter 2, welches auch als Strahlteiler wirkt. Das unter einem Winkel Φ einfallende Strahlenbündel 5 wird derart aufgespalten, daß das Teilstrahlenbündel 0. Ordnung auf einen Meßreflektor trifft, der hier als Planspiegel 6 ausgebildet ist. Das Teilstrahlenbün­ del mit dem Anteil der 1. Ordnung wird abgebeugt, in den planaren Lichtwellenleiter 1a eingekoppelt, liegt dort in Form einer geführten Mode vor und wird zu einem Interferenzkoppelgitter 3 geleitet.

Dem Interferenzkoppelgitter 3 sind Detektoren 7a, 7b, 7c nachgeschaltet.

Das Teilstrahlenbündel mit dem Anteil der 1. Ord­ nung, welches im Einkoppelgitter 2 abgebeugt wird, wird dem Interferenzkoppelgitter 3 und den Detekto­ ren 7a bis 7c zugeführt und bildet den Referenzarm des Interferometers.

Das Teilstrahlenbündel mit dem Anteil der 0. Ord­ nung, welches über den Meßreflektor 6 geführt wird, trifft auf das Interferenzkoppelgitter 3, von dem es auf die Detektoren 7a bis 7c gelenkt wird. Die­ ser Zweig 0. bildet den Meßarm des Interferometers.

Unter dem Interferenzkoppelgitter 3 interferieren die Teilstrahlenbündel von Meßarm 0. und Referenz­ arm 1., so daß mit Hilfe dieses dreiteiligen Inter­ ferenzkoppelgitters 3a, 3b, 3c in den Detektoren 7a, 7b, 7c drei zueinander phasenverschobene Si­ gnale erzeugt werden. Wie in der Draufsicht auf das Substrat zu erkennen ist, sind die drei Teilbe­ reiche 3a, 3b, 3c des Interferenzkoppelgitters 3 in Meßrichtung zueinander phasenverschoben, so daß z. B. drei um 120° zueinander phasenverschobene Si­ gnale von den Detektoren 7a, 7b, 7c detektiert wer­ den.

Die detektierten Signale entstehen durch die Modu­ lation der interferierten Teilstrahlenbündel bei Abstandsänderungen des Planspiegels 6 vom Substrat 1. Wenn der Planspiegel 6 parallel zum Substrat 1 angeordnet wird, können die Gitterkonstanten vom Einkoppelgitter 2 und vom Interferenzkoppelgitter 3 gleich groß gewählt werden.

Damit der unter dem Winkel Φ eingekoppelte Refe­ renzstrahl 1. nicht vollständig am Interferenzkop­ pelgitter 3 ausgekoppelt wird, sollte dessen Kop­ pellänge größer sein, als der Durchmesser des Strahlenbündels 5 in Koppelrichtung.

Da sich der Auftreffpunkt des Meßstrahles 0. am Interferenzkoppelgitter 3 mit der Abstandsänderung des Planspiegels 6 vom Substrat 1 verschiebt, ist der Arbeitsbereich des Interferometers entsprechend eingeschränkt.

Bei entsprechender Auslegung des Koppelgitters 22 und bei darauf abgestimmtem spitzen Einfallswinkel Φ des Strahlenbündels 52 findet die Aufspaltung in Teilstrahlenbündel und Interferenz der Teilstrah­ lenbündel im selben Koppelgitter 22 statt. Zur Rea­ lisierung ist ein Koppelgitter 32 zum Umlenken des Teilstrahlenbündels erforderlich, welches in Teil­ gitter aufgeteilt sein kann. In Fig. 2 ist schema­ tisch ein Strahlengang für dieses Ausführungsbei­ spiel gezeigt, welches im Übrigen der Anordnung gemäß Fig. 1 entspricht, was auch durch die glei­ chen Bezugszeichen mit nachgestelltem Figurenindex deutlich wird.

In Fig. 3 wird in Analogie zu Fig. 1 eine inter­ ferometrische Positionsmeßeinrichtung dargestellt, bei der anstelle eines Planspiegels ein Gittermaß­ stab 63 zur Messung von Relativverschiebungen zwi­ schen dem Substrat 13 und dem Gittermaßstab 63 vor­ gesehen ist.

Ein von einer Laserdiode 43 emittiertes Strahlen­ bündel 53 durchtritt einen auf einem Substrat 13 aufgebrachten Wellenleiter 1a3 und trifft auf den Gittermaßstab 63. Am Gitter dieses Gittermaßstabes 63 werden durch Beugung zwei Teilstrahlenbündel +1.3 und -1.3 erzeugt und auf das Substrat 13 ref­ lektiert. Auf dem Substrat 13 bzw. in dem Wellen­ leiter 1a3 befinden sich zwei Koppelgitter 23 und 33, wobei das Koppelgitter 33 - ähnlich gemäß Fig. 1 - aus drei Teilgittern 33a, 33b, 33c besteht.

Mit Hilfe des Koppelgitters 23 wird das Teilstrah­ lenbündel -1.3 umgelenkt, in den Wellenleiter 1a3 eingekoppelt und zum Koppelgitter 33 geleitet. Das Teilstrahlenbündel +1.3 wird vom Koppelgitter 33 bzw. dessen Teilgittern 33a, 33b, 33c umgelenkt und ebenfalls in den Wellenleiter 1a3 eingekoppelt. Hier interferieren die Teilstrahlenbündel +1.3 und -1.3, wobei die drei Teilbereiche des Teilstrahlen­ bündels +1.3 eine relative Phasenverschiebung er­ fahren, so daß von Detektoren 73a, 73b und 73c drei phasenverschobene elektrische Signale erzeugt wer­ den können.

Die Detektoren können sowohl neben als auch auf den Koppelgittern angeordnet sein. Ebenso ist die An­ ordnung an den Stirnseiten des Substrates möglich.

Es versteht sich, daß die Aufteilung der entspre­ chenden Koppelgitter nicht auf drei Teilgitter be­ schränkt ist. Es können auch lediglich zwei Teil­ gitter oder aber auch vier oder noch mehr gebildet werden, wenn eine entsprechende Anzahl von phasen­ verschobenen Signalen generiert werden soll, wobei es dem Fachmann überlassen bleibt, welches oder welche der Koppelgitter in phasenverschobene Teil­ gitter aufgeteilt werden.

Ebenso können Durchlichtanordnungen nach der Er­ findung realisiert werden.

Claims (8)

1. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zur Messung der relativen Lage zweier Objekte zuein­ ander, bestehend aus einer Lichtquelle (4; 42; 43), wenigstens einem Gitter (2; 22; 63) zum Erzeugen von mindestens zwei gebeugten Teil­ strahlenbündeln (0., 1.; 0.2, 1.2; +1.3, -1.3) und mindestens einem Wellenleiter (1a; 1a2; 1a3), wobei der Wellenleiter (1a; 1a2; 1a3) in mindestens einer Ebene wenigstens zwei räumlich getrennte Gitter (2, 3; 22, 32; 23, 33) auf­ weist, die als Koppelgitter derart ausgebildet sind, daß von einem der Koppelgitter (2; 32; 23) zumindest eines der Teilstrahlenbündel (1.; 0.2; -1.3) in den Wellenleiter (1a; 1a2; 1a3) einge­ koppelt und einem weiteren Koppelgitter (3; 22; 33) zugeführt wird, und daß vom weiteren Koppel­ gitter (3; 22; 33) ein weiteres der Teilstrah­ lenbündel (0.; 1.2; +1.3) in den Wellenleiter (1a; 1a2; 1a3) eingekoppelt und mit dem ersten Teilstrahlenbündel (1.; 0.2; -1.3) zur Inter­ ferenz gebracht wird und bei der wenigstens ei­ nes der Koppelgitter (3; 33) aus mehreren Teil­ gittern (3a, 3b, 3c; 33a, 33b, 33c) besteht, deren Gitterstrukturen in Koppelrichtung zuein­ ander versetzt sind, so daß die interferierenden Teilstrahlenbündel (0., 1.; 0.2, 1.2; +1.3, -1.3) von Detektoren (7a, 7b, 7c; 72a, 72b, 72c; 73a, 73b, 73c) in phasenverschobene elektrische Signale umgewandelt werden.

2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten der Gitter (2, 3; 22, 32) identisch sind.

3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gitterkonstanten der Gitter (23 und 33) unterschiedlich sind.

4. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation der inter­ ferierenden Teilstrahlenbündel ein Planspiegel (6; 62) vorgesehen ist, dessen Abstand vom Sub­ strat (1, 12) veränderlich ist.

5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation der inter­ ferierenden Teilstrahlenbündel ein Gitter (63) vorgesehen ist, das in einer Ebene parallel zum Substrat (13) beweglich ist.

6. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (63) ein Re­ flexionsgitter ist.

7. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Laser­ diode (4, 42, 43) dient.

8. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (7, 72, 73) neben, oder auf den Koppelgittern (3, 22, 33) oder an den Stirnseiten des Substrates angeord­ net sind.