CS277300B6

CS277300B6 - Process and apparatus for laser interference measuring of lengths in two perpendicular coordinates with thermal expansivity compensation

Info

Publication number: CS277300B6
Application number: CS603388A
Authority: CS
Inventors: Jiri Ing Krsek; Milos Ing Jakl
Original assignee: Ustav Pristrojove Techniky Csa
Priority date: 1988-09-08
Filing date: 1988-09-08
Publication date: 1993-01-13
Also published as: CS8806033A2

Abstract

Podstatou způsobu je, že v reálném čase je nezávisle na měřené délce pravoúhlých souřadnic měřen současně též změnou teploty způsobený posuv interferenčního děliče (2x, 2y) vzhledem ke zvolené základní poloze a všechny tyto současně měřené údaje jsou vyhodnocovány v elektronické jednotce. Způsob umožňuje provádět dále popsané zařízení, kteréje určeno zejména pro velmi přesné měření délek ve dvou pravoúhlých souřadnicích (x, y). Podstatou řešení u předmětného zařízení k laserovému interferenčnímu měření délek ve dvou pravoúhlých souřadnicích s kompenzací teplotní roztažnosti je to, že oddělené přímočaré odrážečejsou vytvořeny přímočarým pian úhelníkem (3) s rovinnými odraznými plochami (3x, 3y) optických pravoúhlých souřadnic (x, y) a že v kombinovaných Interferenčních děličích (2x, 2y) je první, případně druhýpolarizační hranol (22, 25) opatřen dvěma symetricky umístěnými koutovými hranoly (27, 28).The essence of the method is that it is independent in real time on the measured length of the rectangular coordinates also measured by the temperature change shift the interference divider (2x, 2y) with respect to to the selected base position and all of them simultaneously measured data are evaluated in electronic unit. The method allows to perform the apparatus described below, which is intended in particular for very accurate length measurements in two rectangular coordinates (x, y). The essence of the solution in the subject device, a laser interference device measuring lengths in two rectangular co-ordinates with thermal expansion compensation is that the separated rectilinear reflectors are formed straight pian square (3) with planar reflecting surfaces (3x, 3y) of optical rectangular coordinates (x, y) and that in combined Interference dividers (2x, 2y) is the first, possibly a second polarizing prism (22, 25) is provided two symmetrically placed corner prisms (27, 28).

Description

Interferenční měření délek ve dvou pravoúhlých souřadnicích je na měřicích zařízeních dosavadních konstrukcí prováděno bez kompenzace teplotní roztažnosti a stabilita měření je dosahována pouze zajištěním konstantní teploty celého měřicího systému. U některých zahraničních laserových interferenčních měřicích systémů je vliv teplotní roztažnosti částečně kompenzován prodloužením referenční cesty interferometru do společného prostoru s cestou měrnou tak, aby změna teploty se projevila na obou optických cestách interferometru a způsobené rozdíly byly samokompenzovány.Interference measurement of lengths in two rectangular coordinates is performed on measuring devices of existing constructions without compensation of thermal expansion and the stability of the measurement is achieved only by ensuring a constant temperature of the whole measuring system. In some foreign laser interference measuring systems, the effect of thermal expansion is partially compensated by extending the reference path of the interferometer to a common space with the measuring path so that the temperature change is reflected on both optical paths of the interferometer and the differences are self-compensated.

U realizovaných technologických zařízení však nelze počítat s absolutní konstantní teplotou a samokompenzace teplotní roztažnosti systému je vysoce účinná jen při stejných délkách optických cest. Oba tyto požadavky však při měření větších rozdílů délek nelze důsledně splnit i v případech, kdy je interferenční měřicí systém uložen ve vakuu. 'However, it is not possible to count on an absolute constant temperature for the realized technological devices, and self-compensation of the thermal expansion of the system is highly effective only at the same lengths of optical paths. However, both of these requirements cannot be consistently met when measuring larger length differences, even in cases where the interference measuring system is stored in a vacuum. '

Uvedené nevýhody dosavadního stavu odstraňuje následný způsob laserového interferenčního měření délek ve dvou pravoúhlých souřadnicích s kompenzací teplotní roztažnosti, jehož podstatou vynálezu je to, že v reálném čase je nezávisle na měřené délce pravoúhlých souřadnic měřen současně také změnou teploty způsobený posuv interferenčního děliče vzhledem ke zvolené základní poloze a všechny tyto současně měřené údaje jsou vyhodnocovány v elektronické jednotce. Realizaci tohoto způsobu umožňuje zařízení pro laserové interferenční měření délek ve dvou pravoúhlých souřadnicích s kompenzací teplotní roztažnosti, sestávající ze dvou vícenásobných lineárních interferometrů s oddělenými přímočarými odražeči, jehož podstatou je to, že oddělené přímočaré odražeče jsou tvořeny přímočarým pian úhelníkem s rovinnými odraznými plochami optických pravoúhlých souřadnic a v kombinovaných interferenčních děličích je první, popřípadě druhý polarizační hranol opatřen dvěma symetricky umístěnými koutovými hranoly a vstupní dělicí kostky jsou vybaveny dělicí destičkou a odrazným pravoúhlým hranolem.The subsequent method of laser interference length measurement in two rectangular coordinates with thermal expansion compensation eliminates the mentioned disadvantages of the prior art, the essence of the invention is that in real time independent of the measured rectangular coordinate length the displacement of the interference divider with respect to the selected basic position and all these simultaneously measured data are evaluated in the electronic unit. The implementation of this method is enabled by a device for laser interference measurement of lengths in two rectangular coordinates with thermal expansion compensation, consisting of two multiple linear interferometers with separate rectilinear reflectors, the essence of which is that the rectilinear reflectors are coordinates and in the combined interference dividers, the first or second polarizing prism is provided with two symmetrically placed corner prisms and the input dividing cubes are provided with a dividing plate and a reflecting rectangular prism.

Hlavní výhodou způsobu a zařízení podle vynálezu je, že zvyšuje přesnost interferenčního měření délek, protože v reálném čase jsou plně vyrovnávány posuvy dané tepelnou dilatací, přičemž míra kompenzace teplotní roztažnosti je dána polohou pevných odrazných zrcadel kompenzačního interferometru vzhledem ke zvolené základní poloze.The main advantage of the method and device according to the invention is that it increases the accuracy of interference length measurement, because in real time the displacements given by thermal expansion are fully compensated, the degree of compensation of thermal expansion being determined by the position of fixed reflecting mirrors of the compensation interferometer.

Vynález blíže objasní připojený výkres, na kterém jeve dvou pohledech znázorněno optické schéma zařízení k laserovému interferenčnímu měření délek ve dvou pravoúhlých souřadnicích s kompenzací teplotní roztažnosti.The invention is further elucidated in the accompanying drawing, in which an optical diagram of a device for laser interference measurement of lengths in two rectangular coordinates with thermal expansion compensation is shown in two views.

Zařízení k laserovému interferenčnímu měření délek podle vynálezu sestává ze dvou v osách souřadnic pevně uložených vstupních dělicích kostek Ix, lv se dvěma kombinovanými interferenčními děliči 2x, 2y, dále potom dvou pevných odrazných zrcadel 4x, 4y kompenzačního interferometru a dvou vstupních odrazných kostek 5x, 5v. Rovinné odrazné plochy 3x, 3y v rovině souřadnic x, y posuvného přímočarému pian úhelníku 2 jsou uspořádány kolmo na souřadnice x, y. Vstupní dělicí kostka Ix, lv obsahuje dělicí destičku 11 a odrazný pravoúhlý hranol 12. Kombinovaný interfe renční dělič 2x, 2v tvoří dva polarizační hranoly 22, 25., tři koutové hranoly 23 , 24, 26., půlvlnové fázové retardační destičky 211, čtvrtvlnové fázové retardační destičky 212 a půlvlnové rotátory 29 pro čtyřnásobný lineární interferometr s přímočarým pian úhelníkem 2/ jehož rovinné odrazné plochy 3x, 3v tvoří optické pravoúhlé souřadnice. Jeden z polarizačních hranolů, například 25, je vybaven symetricky umístěnými koutovými hranoly 27, 28 kompenzačního interferometru s pevnými zrcadly 4x, 4y. Odrazná výstupní kostka 5x, 5v obsahuje dvě plně odrazná zrcadla 51, 52.The device for laser interference length measurement according to the invention consists of two input dividing cubes Ix, lv fixed in the coordinate axes with two combined interference dividers 2x, 2y, then two fixed reflecting mirrors 4x, 4y compensating interferometer and two input reflecting cubes 5x, 5v . The planar reflecting surfaces 3x, 3y in the x, y coordinate plane of the sliding rectilinear piano of the angle 2 are arranged perpendicular to the x, y coordinates. The input divider cube Ix, lv comprises a dividing plate 11 and a reflective rectangular prism 12. The combined interference divider 2x, 2v consists of two polarizing prisms 22, 25, three corner prisms 23, 24, 26, half-wave phase retardation plates 211, quarter-wave phase retardation plates 212 and half-wave rotators 29 for a quadruple linear interferometer with a rectilinear piano angle 2 / whose planar reflecting surfaces 3x, 3v form optical orthogonal coordinates. One of the polarizing prisms, for example 25, is provided with symmetrically placed corner prisms 27, 28 of the compensation interferometer with fixed mirrors 4x, 4y. The reflective output cube 5x, 5v contains two fully reflective mirrors 51, 52.

Vstupní dělicí kostka Ix, lv svou dělicí destičkou 11 vhodně rozdělí lineárně polarizovaný svazek laserových paprsků pro čtyřnásobný lineární interferometr s přímočarým pian úhelníkem 2 a kompenzační interferometr s pevnými odraznými zrcadly 4x, 4v.The input dividing cube Ix, lv suitably divides with its dividing plate 11 a linearly polarized laser beam for a quadruple linear interferometer with a rectilinear piano angle 2 and a compensating interferometer with fixed reflecting mirrors 4x, 4v.

Lineárně polarizovaný úzký svazek laserových paprsků A vstupuje do prvního polarizačního hranolu 22, kde se na dělicí vrstvě 221 rozdělí na svazek paprsků měrných a referenčních. Měrný svazek paprsků postupuje v původním směru do druhého polarizačního hranolu 25, prochází dělicí vrstvou 251 a po průchodu orientovanou čtvrtvlnovou fázovou retardační destičkou 212 se lineární polarizace světelného záření změní na kruhovou polarizaci. Kruhově polarizovaný laserový svazek paprsků dopadá kolmo na rovinnou odraznou plochu 3x, popřípadě rovinnou odraznou plochu 3y přímočarého pian úhelníku 3, kde se odrazí a stejnou cestou se vrací znovu přes čtvrtvlnovou fázovou retardační destičku 212, která způsobí změnu kruhové polarizace opět na lineární, ale otočenou oproti původní polarizační rovině světla o 90° tak, aby se tento lineárně polarizovaný svazek paprsků mohl na dělicí vrstvě 251 druhého polarizačního hranolu 25 odrazit a průchodem přes koutový hranol 26 symetricky posunout a po dalším odrazu na dělicí vrstvě 251 se vrátit zpět přes čtvrtvlnovou fázovou retardační destičku 212 na přímočarý pian úhelník 3./ kde po odrazu na rovinné odrazné ploše 3x, popřípadě 3y se vrací opět původním směrem, ve kterém po změně roviny polarizace nyní prochází druhým polarizačním hranolem 25 a postupuje dále přes půlvlnový rotátor 29 měnící polarizační rovinu světla o 90° do prvního polarizačního hranolu 22, kde se na dělicí vrstvě 221 odrazí a je průchodem přes excentricky uložený koutový hranol 23 posunut tak, že po dalším odrazu na dělicí vrstvě 221 se zase rovnoběžně se vstupním svazkem paprsků, ale nyní posunutý o zvolenou rozteč může znovu zúčastnit dalšího průchodu celou optickou soustavou. Výstupní měrný svazek paprsků po výstupu z druhého polarizačního hranolu 25 již neprochází půlvlnovým rotátorem 29 a proto může projít i dělicí vrstvou 221 prvního polarizačního hranolu 22 a společně s referenčním svazkem paprsků vytvořit na výstupu interferenční pole C pro optoelektronickou detekci. Referenční svazek paprsků je přiveden do společného prostoru pomocí excentricky uloženého koutového hranolu 24.The linearly polarized narrow beam of laser beams A enters the first polarizing prism 22, where it is divided on the dividing layer 221 into a beam of specific and reference beams. The specific beam of rays travels in the original direction to the second polarizing prism 25, passes through the separating layer 251, and after passing through the oriented quarter-wave phase retardation plate 212, the linear polarization of the light radiation changes to circular polarization. The circularly polarized laser beam impinges perpendicularly on the planar reflecting surface 3x or the planar reflecting surface 3y of the rectilinear piano 3, where it is reflected and returned in the same way via the quarter-wave phase retardation plate 212, which causes the circular polarization to change back to linear but rotated. compared to the original polarizing plane of light by 90 ° so that this linearly polarized beam can be reflected on the separating layer 251 of the second polarizing prism 25 and displaced symmetrically by passing through the corner prism 26 and returning through the quarter-wave phase retardation plate 212 on a rectilinear piano angle 3. / where after reflection on a planar reflecting surface 3x or 3y it returns again in the original direction, in which after changing the polarization plane it now passes through the second polarizing prism 25 and proceeds through a half-wave rotator 29 changing the polarization plane 90 ° to the first polarizing prism 22, where the separating layer 221 is reflected and is displaced by passing through the eccentrically mounted corner prism 23 so that after further reflection on the separating layer 221 it is again parallel to the input beam, but now shifted by the selected pitch, can again participate in the further passage through the whole optical system. The output specific beam after output from the second polarizing prism 25 no longer passes through the half-wave rotator 29 and can therefore also pass through the dividing layer 221 of the first polarizing prism 22 and together with the reference beam create an interference field C for optoelectronic detection. The reference beam is brought into the common space by means of an eccentrically mounted corner prism 24.

Druhá část lineárně polarizovaného svazku laserových paprsků B stranově a výškově posunutá pravoúhlým hranolem 12 vstupuje po průchodu vhodně orientovanou půlvlnovou fázovou retardační destičkou 211 do polarizačního hranolu 25/ kde se rozdělí na isvazek měrný a referenční. Svazek měrný postupuje přímou cestou přes čtvrtvlnovou fázovou retardační destičku 212 na pevné odrazné zrcadlo 4x, popřípadě 4y, kde se odráží a vrací zpět znovu přes čtvrtvlnovou fázovou retardační destičku 212, která způsobí otočení polarizační roviny svazku paprsků tak, aby byl dělicí vrstvou 251 druhého polarizačního hranolu 25 odražen do měrného koutového hranolu 27 kompenzačního interferometru, který jej symetricky posune pro další průchod kompenzačním interferometrem. Výstup měrného svazku paprsků nastává po dvojnásobném chodu svazku paprsků optickou soustavou, kdy ve společném prostoru vytvoří s referenčním svazkem paprsků interferenční pole D pró optoelektronickou detekci. Referenční svazek paprsků je přiveden do společného prostoru pomocí referenčního koutového hranolu 28 kompenzačního interferometru. V reálném čase optoelektronickou detekcí získané údaje o poloze přímočarého pian úhelníků 3., tj. změna pravoúhlých souřadnic Δ x, △ y na výstupu C jsou průběžně korigovány o dilatační posuvy interferenčních děličů △ x_oa △ y_o na výstupu D.The second part of the linearly polarized laser beam B, displaced laterally and vertically by the rectangular prism 12, enters the polarizing prism 25 / after passing through a suitably oriented half-wave phase retardation plate 211, where it is divided into a specific and a reference beam. The specific beam proceeds directly through the quarter-wave phase retardation plate 212 to a fixed reflecting mirror 4x or 4y, respectively, where it is reflected and returned through the quarter-wave phase retardation plate 212, which causes the polarization plane of the beam to rotate to be the separation layer 251 of the second polarizing beam. the prism 25 is reflected into the specific corner prism 27 of the compensation interferometer, which displaces it symmetrically for further passage through the compensation interferometer. The output of the specific beam of rays occurs after the double beam of the beam system is doubled, when it creates an interference field D for optoelectronic detection in the common space with the reference beam of rays. The reference beam is brought into the common space by means of a reference corner prism 28 of the compensation interferometer. The data on the position of the rectilinear pian angles 3 obtained by real-time optoelectronic detection, ie the change of the rectangular coordinates Δ x, △ y at the output C are continuously corrected by the expansion displacements of the interference dividers △ x _o and △ y _o at the output D.

Způsob a zařízení k laserovému interferenčnímu měření délek ve dvou pravoúhlých souřadnicích se uplatní zejména při velmi přesném plošném odměřování . délek v mikroelektronice, optice a přesném strojírenství.The method and device for laser interference measurement of lengths in two rectangular coordinates is used in particular for very accurate area measurements. lengths in microelectronics, optics and precision engineering.

Claims

A method for laser interference measurement of lengths in two rectangular coordinates with thermal expansion compensation, characterized in that the real-time displacement of the interference divider with respect to the selected basic position is measured simultaneously in real time independently of the measured rectangular coordinate length and all these simultaneously measured the data are evaluated in an electronic unit.

Device for laser interference measurement of lengths in two rectangular coordinates with thermal expansion compensation, consisting of two multiple linear interferometers with separate rectilinear reflectors, characterized in that the separate rectilinear reflectors are formed by a rectilinear piano angle (3) with planar surfaces (3x, 3y) of optical rectangular coordinates (x, y) and in the combined interference dividers (2x, 2y) there is a first or a second polarizing prism (22,

25) provided with two symmetrically placed corner prisms (27, 28).

3. Device according to claim 2, characterized in that the inlet dividing blocks (Ix, ly) are provided with a dividing plate (11) and a reflecting rectangular prism (12).