[发明专利]光学的位置测量装置

说明书

本发明涉及一种光学的位置测量装置，包括量具和能相对所述量具沿着至少一个测量方向运动的扫描单元，其中，在量具与扫描单元之间设计扫描光路，该扫描光路用于产生与移动相关的信号。保护罩布置成能沿着垂直于量具‑平面的轴线运动，使得在至少一种工作模式下，该保护罩尽可能地环绕扫描单元与量具之间的扫描光路。

技术领域

本发明涉及一种光学的位置测量装置，其适用于高精度地测定两个彼此相对运动的物体的相对位置。

背景技术

在新一代的晶片-扫描机中使用的是基于光栅的、光学的位置测量装置，来测量运动的晶片台相对于固定的所谓的计量架的位置。在此，相应的位置测量装置的扫描单元位于运动的晶片台或工作台上并且在六个空间自由度下测量其位置。这种晶片-扫描机为高动态机器，亦即运动的晶片台以v>1m/s的移动速度运动并且以多倍重力加速进行加速。在此，对应用的光学位置测量装置的测量精度的要求在小于原子直径的量级上。

为了实现所要求的精度，在晶片台上应用以相干方式工作的位置测量装置，如由申请人的文献EP 1 762 828 A2中已知的。在这类位置测量装置中，在量具与扫描单元之间构造扫描光路，该扫描光路用于产生与移动相关的信号。在此光从扫描单元射向量具，在那里光被分解为+/-1.的衍射级或者衍射臂。空间上分离的衍射级在扫描单元中转向，又重新到达量具，在那里衍射级发生相干衍射。然后，可以相对于彼此相对运动的物体的位置评估所得的干涉信号。

位置信息在两个衍射级的相位中。这就导致，除了量具的衍射光栅的位置相位外，两个衍射臂彼此的相位延迟也参与到所测量的位置值中。这个相位延迟受到例如折射系数-波动的影响，该折射系数-波动由量具与扫描单元之间的空气涡流而产生，其扩展小于两个衍射级之间的距离。另一方面，所述涡流主要由晶片台的运动引起，晶片台上通常具有多个扫描单元。这个由空气涡流引起的位置噪声，是在高动态机器中的、基于光栅的位置测量装置的很大的、不可纠正的误差部分的原因。因此，在这类应用中会面临下述问题，即减小或完全消除位置测量的误差值。

在典型的、以相干方式工作的光学位置测量装置中，由直径为1-3mm的准直光束对量具进行照射。从量具反射回来的第一衍射级的分光束的典型衍射角为15-30°。因此，用于产生相干的相位信息的两个衍射级之间的间隔，根据下述规律随着其到量具的距离而增加：

其中

d：两个分光束之间的距离

衍射级的衍射角

h：到量具的距离

在空气流动速度为大约1m/s的运动空气中具有相同的折射系数的单个区域的尺寸(涡流的尺寸)的典型值为2-5mm。

然后，当两个后来的相干分光束的空间间隔大于涡流的尺寸时，折射系数波动有代表性地参与到所测量的相位中。基本上相重叠并且空间间隔明显小于涡流的尺寸的分光束，经历相同的折射系数波动，因此不存在位置测量误差。

对于典型的系统来说，只要波动被限制在离量具无限近的区域内，则所测量的位置与折射系数的波动无关：

d<<r_T,并且因此典型的h<<1.7mm

其中在该关系中r_T为具有相同的折射系数的区域的尺寸。

因此，在量具直至距离d≈1.7mm的附近中，两个分光束的间隔小于具有均匀折射系数的区域的典型尺寸r_T，从而在该区域内不需要其他用来稳定折射系数的方法。在远离量具的区域，从量具折射回来的分光束在空间上相互间隔很远，以致于所述分光束经历不同的空气涡流，并且这些空气涡流可以引起不同的折射系数波动和在所测量的位置测量值中的波动。