DE102009035635A1 - Verschiebungsmessinstrument und Verschiebungsmessmethode - Google Patents

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Abstract

Ein laserinterferometrisches Messinstrument, welches umfasst: Eine Lichtquelle 110, welche ein Laserstrahl mit 1064 nm und ein anderer Laserstrahl mit 532 nm emittiert; ein Polarisationsstrahlsplitter 120; ein dichroitischer Spiegel 320, welcher ein Langwellenlängenlaserstrahl, welcher in einem optischen Messpfad 300 bereitgestellt wird, splittet; ein Langwellenlängeneckwürfel 330, welcher den gesplitteten Laserstrahl reflektiert; ein Messeckwürfel 340, welcher entlang des optischen Messpfads 300 verschiebbar ist; ein Referenzeckwürfel 220, welcher entlang eines optischen Referenzpfads 200 verschiebbar ist; eine optische Pfadveränderungseinheit, welche eine optische Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls verändert; ein Phasendetektor 420, welcher Interferenzsignale ausgibt; einen Summensignalcomputer, welcher ein Summensignal berechnet; eine Verschiebungssteuerung, welche den Referenzeckwürfel 220 verschiebt, so dass eine Phase des Summensignals nicht verändert wird; ein Referenzverschiebungsdetektor, welcher eine Verschiebung des Referenzeckwürfels 220 detektiert; und ein Messverschiebungscomputer, welcher eine Verschiebung des Messeckwürfels 340 berechnet.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verschiebungsmessinstrument und ein Verschiebungsmessverfahren zum Messen einer Verschiebung eines Objekts.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Ein Laserinterferometer, geeignet zur frei einstellbaren Ausrichtung und zum Reduzieren von Abbe-Fehlern in Bezug auf einen festen Maßstab war typischerweise bekannt (z. B., siehe Dokument 1: JP-A-5-272913 ).
  • In dem Laserinterferometer, welches in Dokument 1 offenbart wird, werden ein 1,06 μm YAG Laser und seine zweite Oberschwingung von einer Lichtquelle emittiert, um auf einen Strahlsplitter zu fallen, nachdem ihre Polarisierungszustände durch eine Halbwellenplatte angepasst wurden. Ein Laserstrahl, welcher vom Strahlsplitter reflektiert wird, wird durch einen Referenzspiegel reflektiert, und ein Laserstrahl, welcher durch den Strahlsplitter passiert, wird von einem Geberspiegel reflektiert, so dass diese reflektierten Strahlen wieder auf den Strahlsplitter einfallen, um miteinander zu interferieren. Dann werden die Interferenzringe detektiert, so dass geometrische Längen berechnet werden.
  • Wenn solch ein Laserinterferometer, wie von Dokument 1 offenbart, benutzt wird, treten nicht vernachlässigbare Interpolationsfehler in einem kleinen Messbereich von wenigen μm auf. Entsprechend ist es schwierig, ein Objekt mit Sub- Nanometer-Genauigkeit zu messen. Daher wurden ein Verfahren zum Verkürzen einer Wellenlänge eines Laserstrahls, ein Verfahren zum Verstärken einer optischen Weglänge durch häufigeres Erwidern eines Laserstrahls zwischen einem Laserinterferometer und einem, beweglichen zu messenden Reflektor (z. B. Dokument 2: Takeshi Hatsuzawa, Kouji Toyoda, Yoshihisa Tanimura, Makoto Nara, Syuuji Toyonaga, Shin-ya Hara, Hirotaka Iwasaki und Kazuhiko Kondou, „Präzise Messungen von Mikro-Linienbreiten mit einem Mikrointerferometer und einem Rasterelektronen-Mikroskop", Journal der Japanischen Gesellschaft für Präzisions-Maschinenbau, Band 60, Nr. 11 (November 1994), Seiten 1582–1585), und ein Verfahren zum Benutzen eines Wellenlängen variablen Lasers (z. B. Dokument 3: Tuan BANN QUOC, Yuuta HOSHINO, Masashi ISHIGE, Takeshi KOBAYASHI und Masato AKETAGAWA, „Entwicklung eines Laserinterferometers mit Pikometer-Auflösung unter Benutzung eines Frequenz-einstellbaren Lasers – Der fünfte Bericht: Kompensierung der Verschiebungsmessung aufgrund der Fluktuation des Luftbrechungsindex-" gesammelte Veröffentlichungen der Frühlingsvorlesung der japanischen Gesellschaft für Präzisionsmaschinenbau 2008, F02, Seiten 441 bis 442) benutzt.
  • Entsprechend dem Verfahren, welches in Dokument 2 offenbart wird, wird ein Laserstrahl durch Prismen reflektiert, welche einander gegenüber stehen, so dass der Laserstrahl fünf Mal zwischen den Prismen wiedergegeben wird. Daher hat der Laserstrahl eine Auflösung, welche optisch zehnmal so hoch ist, wie ein typischer Laserstrahl.
  • Gemäß dem Verfahren, wie in Dokument 3 offenbart, wird eine Wellenlänge variiert, wobei ein Wellenlängen variabler Laser während der Messung benutzt wird, so dass die Messung ohne Interpolations-Fehler durchgeführt werden kann.
  • Wenn das oben beschriebene Verfahren des Verkürzens der Wellenlänge eines Laserstrahls zum Erhöhen der Auflösung und Genauigkeit des Laserinterferometers eingesetzt wird, kann die Auflösung verbessert werden, und Interpolations fehler reduziert werden. Die Stabilität einer Lichtquelle und die Verfügbarkeit und Sicherheit optischer Komponenten werden jedoch reduziert, wenn Licht in einem ultravioletten Bereich oder Röntgenstrahlenbereich benutzt wird, welche eine kürzere Wellenlänge als der sichtbare Bereich aufweisen, und dass Instrument vergrößert wird.
  • Wenn das Verfahren des Verstärkens der optischen Pfadlänge wie in Dokument 2 offenbart eingesetzt wird, wird die Wellenlänge des Laserstrahls visuell verkürzt, wodurch die Genauigkeit erhöht wird. Jedoch wird ein optisches System kompliziert und die Lichtquantität wird reduziert wegen der vergrößerten optischen Pfadlänge. Des Weiteren wird die maximale Bewegungsgeschwindigkeit zur Messung verlangsamt.
  • Nach dem Verfahren der Benutzung eines Wellenlängen variablen Lasers, wie in Dokument D3 offenbart, wird ein Laserstrahl in optischen Komponenten gestreut, da die Wellenlänge dynamisch während der Messung variiert. Des Weiteren wird eine hohe Stabilität der Wellenlänge kaum erreicht.
  • Daher ist es schwierig, für ein Laserinterferometer, welches eine einfache Anordnung aufweist, die Subnanometer-Messgenauigkeit in einem engen Messbereich von wenigen Mikrometern zu verbessern.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Hinsichtlich des Vorausgehenden ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verschiebungsmessinstrument und ein Verschiebungsmessverfahren bereitzustellen, welches geeignet ist, eine Verschiebung eines Objekts in einem engen Bereich einfach und genau zu messen.
  • Ein Verschiebungsmessinstrument, gemäß einem Aspekt der Erfindung, umfasst: eine Lichtquelle, welche zwei Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen emittiert, welche eine multiple Beziehung aufweisen; ein Polarisierungs-Splitter, welcher den Laserstrahl aufsplittet, welcher von der Lichtquelle in Abhängigkeit der Polarisierungsrichtung des Laserstrahls emittiert wird, so dass einer der aufgesplitteten Laserstrahlen auf einen optischen Messpfad in einer Richtung zu einem Zielobjekt abgestrahlt wird, und der andere der gesplitteten Laserstrahlen zu einem optischen Referenzpfad in einer Richtung abgestrahlt wird, welche anders als die Richtung des optischen Messpfads ist; ein Messlicht-Splitter, welcher in dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um einen Langwellenlängenlaserstrahl aus den zwei Laserstrahlen zu reflektieren, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen, und einen Kurzwellenlängenlaserstrahl aus den beiden Laserstrahlen übertragen; ein Langwellenlängenreflektor, welcher in dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um den Langwellenlängenlaserstrahl, welcher durch den Messlichtsplitter gesplittet wird, zu reflektieren; eine optische Messpfadlängenveränderungseinheit, welche in dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um eine optische Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls zu verändern; ein Messreflektor, welcher an dem Zielobjekt befestigt ist, und entlang des optischen Messpfads beweglich ist, um die Kurzwellenlängenlaserstrahlen zu reflektieren; ein Referenzreflektor, welcher in dem optischen Referenzpfad beweglich ist, um den Laserstrahl zu reflektieren; eine optische Referenzpfadlängenveränderungseinheit, welche in dem optischen Referenzpfad bereitgestellt wird, um die optische Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls zu verändern; eine Licht überlagernde Einheit, welche den Laserstrahl, welcher durch den Messreflektor reflektiert wird, und den Langwellenlängenreflektor in dem optischem Messpfad auf dem Laserstrahl, welcher durch den Referenzreflektor in dem optischen Referenzpfad reflektiert wird, zu überlagern; ein Detektor, welcher Interferenzwellen empfängt, welche von den Laserstrahlen erzeugt werden, welche durch die Licht überlagernde Einheit überlagert werden, empfängt und Interreferenzsignale ausgibt, welche den empfangenden Interferenzwellen entsprechen; ein Summensignalcomputer, welcher ein Summensignal des Interferenzsignals berechnet, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl entspricht und das Interferenzsignal, welches dem Kurzwellenlängenlaserstrahl aus den Interferenzsignalen entspricht, welche von dem Detektor ausge geben werden; eine Verschiebungssteuerung, welche den Referenzreflektor so verschiebt, dass eine Phase des Summensignals nicht verändert wird; ein Referenzverschiebungsdetektor, welcher eine Verschiebung des Referenzreflektors detektiert; und ein Messverschiebungscomputer, welcher eine Verschiebung des Messreflektors anhand der Verschiebung des Referenzreflektors berechnet.
  • Ein Verschiebungsmessverfahren nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird in einem Verschiebungsmessinstrument benutzt, welches einschließt: eine Lichtquelle, welche zwei Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen emittiert, welche eine multiple Beziehung aufweisen; einen Polarisierungssplitter, welcher die Laserstrahlen, welche von der Lichtquelle emittiert werden, in Abhängigkeit von den Polarisierungsrichtungen der Laserstrahlen aufsplittet, so dass einer der aufgesplitteten Laserstrahlen zu einem optischen Messpfad in einer Richtung zu einem Zielobjekt abgestrahlt wird, und der andere der aufgesplitteten Laserstrahlen zu einem optischen Referenzpfad in einer anderen Richtung als die Richtung des optischen Messpfads abgestrahlt wird; ein Messlichtsplitter, welcher in dem optischem Messpfad bereitgestellt wird, um einen Langwellenlängenlaserstrahl zu reflektieren, und einen Kurzwellenlängenlaserstrahl von den zwei Laserstrahlen, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen, fort zu leiten; ein Langwellenlängenreflektor, welcher im dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um den Langwellenlängenlaserstrahl zu reflektieren, welcher durch den Messlichtsplitter aufgesplittet wurde; eine optische Messpfadlängenveränderungseinheit, welche in dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um eine optische Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls zu verändern; ein Messreflektor, welcher an einem Zielobjekt befestigt ist, und entlang der optischen Messpfade verschiebbar ist, um den Kurzwellenlängenlaserstrahl zu reflektieren; ein Referenzreflektor, welcher in dem optischen Referenzpfad verschiebbar ist, um den Laserstrahl zu reflektieren; eine optische Referenzpfadlängenveränderungseinheit, welche in dem optischen Referenzpfad bereitgestellt wird, um eine optische Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls zu verändern; eine Licht überlagernde Einheit, welche die Laserstrahlen, welcher durch den Messreflektor und den Langwellenreflektor in dem optischen Messpfad reflektiert werden, auf dem Laserstrahl überlagert, welcher durch den Referenzreflektor in dem optischen Referenzpfad reflektiert wird; und einen Detektor, welcher Interferenzwellen empfängt, die von den Laserstrahlen erzeugt werden, welche durch die Licht überlagernde Einheit überlagert werden, und Interferenzsignale ausgibt, welche den empfangenen Interferenzwellen entsprechen. Die Verschiebungsmessmethode schließt ein: Berechnen eines Summensignals des Interferenzsignals, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl entspricht, und des Interferenzsignals, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl und dem Interferenzsignal entspricht, welches dem Kurzwellenlängenlaserstrahl aus dem Interferenzsignal entspricht; Verschieben des Referenzreflektors um eine Phase des Summensignals zu verändern; Detektieren einer Verschiebung des Referenzreflektors; und Berechnen einer Verschiebung des Messreflektors anhand der Verschiebung des Referenzreflektors.
  • Gemäß der obigen Anordnung werden die zwei Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen, welche eine multiplikative Beziehung haben (d. h. die Wellenlänge von einem der Laserstrahlen beträgt ein Vielfaches der Wellenlänge der anderen Laserstrahlen) in den optischen Messpfad in Richtung zu dem Zielobjekt und dem optischen Referenzpfad in eine andere Richtung als die Richtung des optischen Messpfads aufgesplittet. Hier kann der Polarisierungssplitter ein P-polarisiertes Licht des Laserstrahls fortleiten und ein S-polarisiertes Licht der Laserstrahlen reflektieren.
  • Aus den Laserstrahlen, welche in den optischen Messpfad gesplittet sind, wird der Langwellenlängenlaserstrahl durch den Messlichtsplitter gesplittet und durch den Langwellenlängenreflektor reflektiert. Nachdem die optischen Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls durch die optische Messpfadlängenveränderungseinheit verändert wird, fällt der Langwellenlängenlaserstrahl auf die Licht überlagernde Einheit ein. Der Kurzwellenlängenlaserstrahl in dem optischen Messpfad wird durch den Messreflektor reflektiert und fällt dann auf die Licht überlagernde Einheit.
  • Andererseits fällt der Langwellenlängenlaserstrahl aus den Laserstrahlen, welche in den optischen Referenzpfad aufgesplittet sind, auf die Licht überlagernde Einheit, nachdem die optische Weglänge durch die optische Referenzpfadlängenveränderungseinheit verändert wird. Auch wird der Kurzwellenlängenlaserstrahl in dem optischen Referenzpfad durch den Referenzreflektor reflektiert und fällt auf die Licht überlagernde Einheit ein. Dann erzeugt die Licht überlagernde Einheit die Interferenzwellen durch Überlagern der Laserstrahlen, welche dieselben Wellenlängen aufweisen, um die Überlagerungswellen auf den Detektor zu strahlen.
  • Der Detektor empfängt die Interferenzwellen, um das Interferenzsignal auszugeben, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl entspricht, und das Interferenzsignal, welches dem Kurzwellenlängenlaserstrahl entspricht.
  • Darauf berechnet der Signalsummencomputer die Signalsumme der zwei Interferenzsignale und der Referenzverschiebungsdetektor verschiebt den Referenzreflektor, um die Phase des Summensignals nicht zu ändern. Dann berechnet der Verschiebungsmesscomputer die Verschiebung des Messreflektors basierend auf der Verschiebung des Referenzreflektors.
  • In dem Verschiebungsmessinstrument, wie oben beschrieben, werden die Verschiebungen des Interferenzsignals, welche von dem Detektor ausgegeben werden, durch die folgende Formel dargestellt, wenn die Verschiebung des Referenzreflektors mit l bezeichnet wird. Im Übrigen ändert die optische Messpfadlängenveränderungseinheit einen optischen Pfad des Langwellenlängenlaserstrahls, welcher am optischen Messpfad abgestrahlt wird, so, dass der Langwellenlängenlaserstrahl zweimal zwischen dem Polarisationssplitter und dem Langwellenlängenreflektor erwidert wird, und dass die optische Referenzpfadlängenveränderungseinheit einen optischen Pfad des Langwellenlängenlasers, welcher zu dem optischen Referenzpfad abgestrahlt wird, so verändert, dass der Langwellenlängenla serstrahl zweimal zwischen dem Polarisationssplitter und dem Referenzreflektor erwidert wird.
  • Figure 00080001
  • In den oberen Formeln (1) und (2) ist i eine Suffix um die Wellenlängen zu unterscheiden. i = 1 den Langwellenlängenlaserstrahl und i = 2 steht für den Kurzwellenlängenlaserstrahl. λi repräsentiert eine Vakuumwellenlänge von jedem Laserstrahl und λ1 ist gleich 2λ2 nach diesem Aspekt der Erfindung. ni repräsentiert einen Brechungsindex jedes Laserstrahls. Der Brechungsindex jedes Laserstrahls beträgt z. B. 1 in der Luft. Die Brechungsindexe sind in der Praxis jedoch leicht unterschiedlich in Abhängigkeit der Laserstrahlen. Der Unterschied der Brechungsindexe in der Luft wird durch die folgende Formel (3) dargestellt. n2 – n1 = 4. 2 × 10–6 (3)
  • Die Interferenzsignale y1 und y2 der Laserstrahlen, welche durch die obigen Formeln (1) und (2) dargestellt werden, unterscheiden sich durch den Brechungsindexunterschied, welcher durch die Formel (3) dargestellt wird.
  • Hier berechnet der Summensignalcomputer die Summensignale der Interferenzsignale y1 und y2 wie durch die folgende Formel (4) dargestellt.
  • Figure 00080002
  • 1 zeigt eine Variation des Summensignals, welches der Verschiebung des Referenzreflektors entspricht. In 1 wird das Summensignal y1 + y2 in schwarz gezeigt. In der Praxis ist das Summensignal jedoch eine Signalwelle, welche mit einem extrem kurzen Zyklus, wie in der vergrößerten Ansicht in 1 gezeigt, oszilliert.
  • Wie in Formel (4) gezeigt, wird das Summensignal y1 + y2 durch ein Multiplizieren einer Signalkomponente aus cos(2πl(n1 + n2)/λ2) berechnet, welche eine extrem kurze Periode aufweist, mit einer Signalkomponente von cos(2πl(n1 – n2)/λ2), welche eine lange Periode aufweist, berechnet. 2 zeigt eine Formsignalkomponente A1, welche Scheitelpunkte der Wellenform des Summensignals und einer Signalkomponente A2 (cos(2πl(n1 – n2)/λ2)) verbindet, welche eine lange Periode in 1 aufweist. Wie in 2 gezeigt, ist eine Periode eines Punkts, wo die Formsignalkomponente A1 die Scheitelpunkte der Wellenform des Summensignals y1 + y2 verbindet, d. h. eines Nullkreuzpunkts der Formsignalkomponente zusammenfallend mit einer Halbperiode der Signalkomponente A2 (cos(2πl(n1 – n2)/λ2)), welche die lange Periode aufweist. Entsprechend vervollständigt die Formsignalkomponente A1 eine Periode, wenn die Verschiebung l die folgende Formel (5) erfüllt.
  • Figure 00090001
  • Wenn die Verschiebung l zu dieser Zeit als lT bezeichnet wird, wird die Verschiebung lT durch folgende Formel (6) erhalten.
  • Figure 00090002
  • Die Verschiebung lT kann durch den Unterschied der Brechungsindexe der beiden Laserstrahlen und der Wellenlänge des Kurzwellenlängenlaserstrahls berechnet werden.
  • Andererseits, wenn die Verschiebung des Messreflektors durch D bezeichnet wird, wenn das Zielobjekt gescannt wird, wird die Verschiebung des Interferenzsignals, welches von dem Detektor ausgegeben wird, durch die folgende Formel dargestellt.
  • Figure 00100001
  • Hier wird der Langwellenlängenlaserstrahl durch den Messungslichtsplitter gesplittet und nicht an den Messreflektor weitergereicht. Der Langwellenlängenlaserstrahl wird durch den Langwellenlängenreflektor reflektiert und wird zu dem Detektor abgestrahlt, so dass er nicht durch die Verschiebung des Messreflektors beeinflusst wird. Entsprechend hängt das Summensignal y1 + y2 des Interferenzsignals von der Veränderung von y2 ab.
  • 3 zeigt eine Veränderung des Summensignals, welche der Verschiebung des Messreflektors entspricht. In 3 werden Signalformen gezeigt, wenn die Phasenverschiebung in der Formel (7) +0, +0,5π, + 1,0π oder 1,5π in dieser Reihenfolge von oben beträgt.
  • Wie in 3 gezeigt, vervollständigt die Verschiebung D des Messreflektors eine Periode wenn die folgende Formel erfüllt wird.
  • Figure 00100002
  • Wenn die Verschiebung D zu dieser Zeit mit DT bezeichnet wird, wird die Verschiebung DT durch die folgende Formel (9) erhalten.
  • Figure 00110001
  • Die Veränderung des Summensignals, wenn der Referenzreflektor in den optischen Referenzpfad durch lT verschoben wird, ist dieselbe wie die Veränderung des Summensignals, wenn der Messreflektor in den optischen Messpfad um DT verschoben wird. Daher, wenn ein Verhältnis der Verschiebung lT und DT mit K bezeichnet wird, wird K durch folgende Formel dargestellt
    Figure 00110002
    K ist eine Konstante (bezeichnet als Umgebungsfaktorkonstante), welche durch die Brechungsindexe des Laserstrahls gegeben wird, und welche durch die Umgebungsmessfaktoren so wie Temperatur, atmosphärischer Druck, Feuchtigkeit und CO2-Konzentration bestimmt wird. Beispielsweise kann K einfach berechnet werden, indem ein Thermometer, Barometer, Hygrometer und CO2-Konzentrationsmeter verwendet wird.
  • Des Weiteren wird die folgende Formel durch die obige Formel (10) erhalten. D = K1 (11)
  • Die Verschiebung l des Referenzreflektors ist in linearer Abhängigkeit mit der Verschiebung D des Messreflektors. Daher wird der Referenzreflektor durch die Verschiebungssteuerung so verschoben, dass die Phase des Summensignals nicht verändert wird, und die Verschiebung l wird durch den Verschiebungsreferenzde tektor detektiert, so dass die Verschiebung D des Messreflektors durch den Verschiebungsmesscomputer anhand der obigen Formel 11 berechnet werden kann.
  • In dem oben beschriebenen Verschiebungsmessinstrument und dem Verschiebungsmessverfahren ist K ungefähr 4.2 × 10–6 in der Luft und ausreichend kleiner als 1.
  • Daher, selbst wenn die Verschiebung D des Messreflektors extrem gering ist, wird die Verschiebung D in die Verschiebung l des Referenzreflektors umgewandelt, um einen hohen Wert aufzuweisen. Durch Messen der Verschiebung l des Referenzreflektors zu ungefähr 10 πm, kann z. B. die Verschiebung D des Messreflektors genau in Pikometern gemessen werden. Mit anderen Worten kann das Verschiebungsmessinstrument der Erfindung durch eine einfache Anordnung bereitgestellt werden, ohne Röntgenstrahlen zu benutzen, welche eine Kurzwellenlänge aufweisen, oder ein großes Instrument bereitzustellen, welches ein kompliziertes optisches System und teure optische Komponenten umfasst. Zusätzlich, da Laserstrahlen in einem sichtbaren Bereich oder in einem nahen Infrarotbereich benutzt werden können, kann die Sicherheit in der Lichtquelle gewährleistet werden. Des Weiteren, da die Lichtquelle Laserstrahlen emittiert, welche vorbestimmte Wellenlängen aufweisen, kann eine hohe Stabilität der Wellenlängen erreicht werden, ohne durch die Dispersion des Laserstrahls in den optischen Komponenten, wie in dem wellenlängenvariablen Laser, beeinflusst zu werden. Des Weiteren kann die Verschiebungsmessung genau in Pikometern ausgeführt werden, wie oben beschrieben, wobei dadurch die Messgenauigkeit in einem engen Bereich verbessert wird.
  • *Anspruch 2*
  • Gemäß der obigen Anordnung detektiert der Referenzverschiebungsdetektor die Verschiebung des Referenzreflektors anhand des Interferenzsignals, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl entspricht. Hier wird der Langwellenlängenlaser strahl, welcher zu dem optischen Messpfad abgestrahlt wird, durch den Messlichtsplitter gesplittet und durch den Langwellenlängenreflektor reflektiert, um dem Messreflektor nicht zu erreichen. Mit anderen Worten kann die Verschiebung l des Referenzreflektors einfach und genau in Nanometern berechnet werden, wobei die Wellenlänge λ1 des Langwellenlängenlaserstrahls und der Brechungsindex n1 des Langwellenlängenlaserstrahls benutzt werden, welche auf der obigen Formel (1) basieren.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Veränderung eines Summensignals, welches von einer Verschiebung des Referenzreflektors abhängt.
  • 2 ist eine Darstellung, in welcher eine Signalkomponente weggelassen wird, welche bei hoher Geschwindigkeit, wie in 1 gezeigt, fluktuiert.
  • 3 zeigt eine Veränderung des Summensignals, welches von der Verschiebung des Messreflektors abhängt.
  • 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches ein interferometrisches Lasermessinstrument gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 5 ist ein Blockdiagramm, welches einen Entwurf eines optischen Systems eines Laserinterferometers in dem interferometrischen Lasermessinstrument zeigt.
  • 6 zeigt Definitionen von Umgebungsfaktoren und ihren Veränderungsbereichen.
  • 7 zeigt eine Veränderung einer Umgebungsfaktorkonstante K wenn die Temperatur in dem Veränderungsbereich, welcher in 6 gezeigt wird, verändert wird, und atmosphärischer Druck, Feuchtigkeit und CO2-Konzentration bei in 6 gezeigten Standardwerten gehalten worden.
  • 8 zeigt eine Veränderung der Umgebungsfaktorkonstanten K, wenn der atmosphärische Druck in dem Veränderungsbereich, welcher in 6 ge zeigt wird, verändert wird, und die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO2-Konzentration bei in 6 gezeigten Standardwerten gehalten wird.
  • 9 zeigt eine Veränderung der Umgebungsfaktorkonstanten K, wenn die Feuchtigkeit in dem in 6 gezeigten Veränderungsbereich verändert wird und die Temperatur, der atmosphärische Druck und die CO2-Konzentration bei den Standardwerten, welche in 6 gezeigt werden, gehalten werden.
  • 10 zeigt eine Veränderung der Umgebungsfaktorkonstanten K, wenn die CO2-Konzentration in dem in 6 gezeigten Veränderungsbereich verändert werden und die Temperatur, der atmosphärische Druck und die Feuchtigkeit bei in 6 gezeigten Standardwerten gehalten werden.
  • 11 ist ein Flussdiagramm eines Verschiebungsmessverfahrens, welches das interferometrische Lasermessinstrument benutzt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
  • Ein interferometrisches Lasermessinstrument wird beispielhaft als ein Verschiebungsmessinstrument nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
  • 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches ein interferometrisches Lasermessinstrument, gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, zeigt.
  • Ein interferometrisches Lasermessinstrument 1 misst z. B. eine Verschiebung D eines Zielobjekts 3 auf einem Gestell 2, wie in 4, gezeigt. Das interferometrische Lasermessinstrument 1 ist in einem Maschinenwerkzeug zur Herstellung von Präzisionskomponenten enthalten, einem hochgenauen Messinstrument, einem mikroskopischen Profilmessinstrument oder Ähnlichem, um eine Verschiebung eines Zielobjekts in 10–12 m genau zu messen. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird das interferometrische Lasermessinstrument 1 zum Messen der Verschiebung des Zielobjekts 3, welches auf dem Gestell 2 bereitgestellt wird, beispielhaft beschrieben. Das interferometrische Lasermessinstrument 1 kann jedoch auch als Instrument zum Einschätzen einer Verschiebung und Kalibrierung benutzt werden, um eine kapazitive Verschiebungslehre, einen digitalen Maßstab und Ähnliches zu berechnen und zu kalibrieren. Wie in 4 gezeigt, umfasst das interferometrische Lasermessinstrument 1 ein Laserinterferometer 100, einen Umgebungsmonitor 500 und eine Längenmessungssteuerung 600.
  • Anordnung des Laserinterferometers
  • 5 ist ein Blockdiagramm, welches eine Skizze eines optischen Systems eines Laserinterferometers 100 in dem interferometrischen Lasermessinstrument 1 zeigt. In 5 stellt die gestrichelte Linie einen optischen Pfad eines Langwellenlängenlaserstrahls und die durchgezogene Linie einen optischen Pfad eines Kurzwellenlängenlaserstrahls dar. Wie in 5 gezeigt, schließt das Laserinterferometer 100 ein: eine Lichtquelle 100; einen polarisierenden Strahlsplitter 120, welcher als Polarisierungs-Splitter und Licht überlagernde Einheit dient; einen optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130, welcher als Teil einer optischen Messpfadlängen-Veränderungseinheit und als optische Referenzpfadlängenveränderungseinheit dient; einen optischen Referenzpfad 200; einen optischen Messpfad 300; und optischer Interferenzlängenmesspfad 400.
  • Die Lichtquelle 110 emittiert einen Langwellenlängenlaserstrahl von 1064 nm und einen Kurzwellenlängenlaserstrahl, welcher eine Halbwellenlänge der Wellenlänge des Langwellenlängenlaserstrahls aufweist (d. h. 532 nm Wellenlänge) zu dem polarisierenden Strahlsplitter 120. Die Lichtquelle 110 kann eine Laserlichtquelle sein, welche den Langwellenlängenlaserstrahl emittiert, welcher 1064 nm Wellenlänge aufweist, und eine zweite Harmonische des Langwellenlängenlaserstrahls als den Kurzwellenlängenlaserstrahl ausgibt, wobei ein Wellenlängenumwandler benutzt wird, oder kann eine Laserlichtquelle umfassen, welche den Langwellenlängenlaserstrahl und eine andere Laserlichtquelle, die den Kurzwel lenlängenlaserstrahl emittiert, umfassend, so dass die Laserstrahlen emittiert werden, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen. In dieser beispielhaften Ausführungsform werden der Langwellenlängenlaserstrahl, welcher 1064 nm Wellenlänge aufweist, und der Kurzwellenlängenlaserstrahl, welcher 532 nm Wellenlänge aufweist, beispielhaft als die zu emittierenden Laserstrahlen beschrieben. Jedoch können zwei Laserstrahlen, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen, emittiert werden, solange die Wellenlängen eine multiplikative Beziehung haben.
  • Der polarisierende Strahlsplitter 120 strahlt die Laserstrahlen ab, welche von der Lichtquelle 110 zu dem optischen Messpfad 300 emittiert werden, und einen optischen Referenzpfad 200, welcher von den Polarisierungsrichtungen der Laserstrahlen abhängt. Besonders wird der polarisierende Strahlsplitter 120 durch eine Vielzahl von durchsichtigen Komponenten bereitgestellt, welche zusammengesetzt sind, wobei die durchsichtigen Komponenten im Querschnitt eine parallel geformte Säule aufweisen. Auf den Grenzoberflächen der durchsichtigen Komponenten werden abwechselnd eine Polarisierungssplittschicht und ein reflektierender Film bereitgestellt. Die Polarisierungssplittschicht splittet ein S-polarisiertes Licht und leitet ein P-polarisiertes Licht fort. Die reflektierende Schicht reflektiert das S-polarisierte Licht.
  • Die auf den polarisierenden Strahlsplitter 120 einfallenden Laserstrahlen werden in zwei linear polarisierte Lichter gesplittet, da das S-polarisierte Licht durch die Polarisierungssplittschicht an einem Punkt B reflektiert wird, und das P-polarisierte Licht wird durch die Polarisierungs-Splitt-Schicht an den Punkt B fortgeleitet. Das durch die Polarisierungssplittschicht S-gesplittete, polarisierte Licht wird durch die Reflektionsschicht reflektiert und von einer ersten Endoberfläche des polarisierten Strahlsplitters 120 abgestrahlt, welche angrenzend an den optischen Referenzpfad 200 ist. Andererseits wird das S-polarisierte Licht, welches durch die Polarisierungssplittschicht fortgeleitet wird, von einer zweiten Endoberfläche des polarisierenden Strahlsplitters 120, welcher an den optischen Messpfad 300 angrenzt, abgestrahlt.
  • Der polarisierende Strahlsplitter 120 kombiniert einen einfallenden Laserstrahl von dem optischen Referenzpfad 200 und einen einfallenden Laserstrahl von dem optischen Messpfad 300, so dass der kombinierte Laserstrahl zu dem optischen Interferenzmesspfad 400 abgestrahlt wird, welcher angrenzend an die Lichtquelle 110 bereitgestellt wird. Genauer reflektiert der polarisierende Strahlsplitter 120 das einfallende S-polarisierte Licht von dem optischen Referenzpfad 200 und leitet das einfallende, von dem optischen Messpfad 300 P-polarisierte Licht, fort. Entsprechend wird eine Interferenzwelle durch Überlagerung des einfallenden S-polarisierten Lichts von dem optischen Referenzpfad 200 über das P-polarisierte Licht, welches von dem optischen Messpfad 300 einfällt, um zu dem Interferenzlängen-optischen Pfad 400 abgestrahlt zu werden, bereitgestellt.
  • Hier wird das P-polarisierte Licht, welches von dem optischen Referenzpfad 200 einfällt, fortgeleitet, um zu dem optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 von einer Endoberfläche gegenüber zu der ersten Endoberfläche, welche an den optischen Referenzpfad 200 angrenzt, abgestrahlt zu werden. Auch wird das S-polarisierte Licht, welches von dem optischen Messpfad 300 einfällt, durch die Reflektionsschicht reflektiert und zu dem optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 abgestrahlt. Des Weiteren wird das P-polarisierte Licht, welches von dem optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 einfällt, fortgeleitet, um zu dem optischen Referenzpfad 200 abgestrahlt zu werden. Das S-polarisierte Licht, welches von dem optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 einfällt, wird durch die Reflektionsschicht reflektiert und zu dem optischen Messpfad 300 abgestrahlt.
  • Wie in 5 gezeigt, ist der optische Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 eine optische Komponente, welche einen rechten Dreieckspiegel aufweist. Der optische Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 reflektiert den Laserstrahl, welcher von dem Polarisierungsstrahlsplitter 120 durch 3 Spiegeloberflächen einfällt, um den Laserstrahl zu dem polarisierenden Strahlsplitter 120 abzustrahlen.
  • Das Licht, welches an einem vorbestimmten Punkt (ein Punkt A in 5) in dem polarisierten Strahlsplitter 120 reflektiert wird, kann kondensiert werden, indem der optische Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 benutzt wird; ein Referenzeckwürfel 220, wie später als ein Referenzreflektor beschrieben; ein Messeckwürfel 340, wie später beschrieben als ein Messreflektor; und ein Langwellenlängeneckwürfel 330, wie später beschrieben als ein Langwellenlängenreflektor. Daher kann eine Interferenzwelle vorzugsweise bereitgestellt werden. Auch kann der einfallende optische Pfad des Laserstrahls, welcher von der Lichtquelle 110 einfällt, durch Bereitstellen des optischen Interferenzlängenmesspfads 400 auf dem optischen Pfad, welcher durch den Punkt A geht, von dem optischen Interferenzlängenmesspfad 400 wie in 5 gezeigt, getrennt werden. Daher können optische Komponenten auf dem optischen Interferenzlängenmesspfad 400 bereitgestellt werden, ohne mit dem Laserstrahl zu interferieren, welcher durch den einfallenden optischen Pfad hindurchgeht. Obwohl der Laserstrahl durch den optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 in dieser beispielhaften Ausführungsform reflektiert wird, kann der Laserstrahl z. B. durch einen Spiegel reflektiert werden.
  • Der Referenzeckwürfel 220, welcher als Referenzreflektor dient, und eine Viertelwellenplatte 210 werden in dem optischen Referenzpfad 200 bereitgestellt. Die optische Referenzpfadlängenveränderungseinheit der Erfindung wird durch die Viertelwellenplatte 210 und den optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 bereitgestellt.
  • Die Viertelwellenplatte 210 ist ein Verzögerer, welcher nur mit dem Langwellenlängenlaserstrahl, welcher 1064 nm Wellenlänge aufweist, aus dem S-polarisierten Licht effektiv funktioniert, welches durch den polarisierten Strahlsplitter 120 hindurchgegangen ist. Die Viertelwellenplatte 210 wandelt den Langwellenlängenlaserstrahl in ein kreispolarisiertes Licht und strahlt das kreispolarisierte Licht ab.
  • Ähnlich dem optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 ist der Referenzeckwürfel 220 eine optische Komponente, welche einen rechten Dreieckspiegel aufweist. Der Referenzeckwürfel 220 reflektiert den von dem polarisierenden Strahlsplitter 120 einfallenden Laserstrahl durch 3 Spiegeloberflächen um den Laserstrahl zu dem polarisierenden Strahlsplitter 120 abzustrahlen. Zu dieser Zeit reflektiert der Referenzeckwürfel 220 den Laserstrahl zu dem optischen Pfad, welcher durch den Punkt A in dem polarisierten Strahlsplitter 120, wie oben beschrieben, hindurch läuft.
  • Der Referenzeckwürfel 220 ist entlang des optischen Referenzpfads 200 verschiebbar und wird nach vorne und hinten, in Bezug auf den optischen Referenzpfad, durch einen Treiber (nicht gezeigt) geschoben. Der Treiber wird genau durch die Längenmesssteuerung 600, z. B. in 10–9 Metern, gesteuert.
  • Der Laserstrahl, welcher zu dem Referenzpfad 200 abgestrahlt wird, durchgeht einen optischen Pfad, wie unten beschrieben.
  • Der Langwellenlängenlaserstrahl des S-polarisierten Lichts, welcher von dem polarisierenden Strahlsplitter 120 abgestrahlt wird, wird in ein kreispolarisiertes Licht durch die Viertelwellenplatte 210 umgewandelt, um in den Referenzeckwürfel 220 einzutreten. Der Langwellenlängenlaserstrahl wird durch den Referenzeckwürfel 220 reflektiert, um durch die Viertelwellenplatte 210 wieder hindurch zu gehen und in den polarisierenden Strahlsplitter 120 wieder einzutreten. Zu dieser Zeit wird die Polarisierungsrichtung des Langwellenlängenlaserstrahls durch die Viertelwellenplatte geändert. Mit anderen Worten wird der Langwellenlängenlaser in das P-polarisierte Licht umgewandelt. Im Folgenden geht der Langwellenlängenlaser des P-polarisierten Lichts durch den Punkt A in den polarisierten Strahlsplitter 120, um von der Endoberfläche gegenüber des optischen Referenzpfads 200 abgestrahlt zu werden, und um durch den optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 reflektiert zu werden. Der Langwellenlängenlaser des P-polarisierten Lichts tritt in den polarisierten Strahlsplitter 120 wieder ein und geht durch den Punkt P hindurch um in den optischen Referenzpfad 200 einzutreten. Dann wird der Langwellenlängenlaserstrahl des P-polarisierten Lichts durch die Viertelwellenplatte 210 fortgeleitet, um in das kreispolarisierte Licht umgewandelt zu werden, und wird durch den Referenzeckwürfel 220 reflektiert. Der Langwellenlaserstrahl geht durch die Viertelwellenplatte 210 wieder hindurch, um in das S-polarisierte Licht umgewandelt zu werden, dessen Polarisierungsrichtung geändert wird. Dann fällt der Langwellenlängenlaser des S-polarisierten Lichts auf den polarisierten Strahlsplitter 120 und wird durch die reflektierende Schicht am Punkt A so reflektiert, dass sie in den Differenzlängen messenden optischen Pfad 400 eintritt. In anderen Worten wird die Langwellenlänge zweimal zwischen dem polarisierenden Strahlsplitter 120 und dem Referenzeckwürfel 220 durch die Viertellängenplatte 210 und den optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 wiedergegeben.
  • Andererseits wird der Kurzwellenlängenlaserstrahl des S-polarisierten Lichts, welcher von dem polarisierten Strahlsplitter 120 abgestrahlt wird, nicht durch die Viertelwellenplatte 210 beeinflusst und fällt auf den Referenzeckwürfel 220 als das S-polarisierte Licht. Der Kurzwellenlängenlaserstrahl wird durch den Referenzeckwürfel 220 reflektiert, um wieder durch die Viertelwellenplatte 210 hindurchzugehen, und in den Polarisierungsstrahlsplitter 120 einzutreten. Zu dieser Zeit wird der Kurzwellenlängenlaser durch die Viertelwellenplatte 210 nicht beeinflusst und tritt in den Referenzeckwürfel 120 als das S-polarisierte Licht. Dann wird der Kurzwellenlängenlaser durch die Reflektionsschicht am Punkt A in dem polarisierenden Strahlsplitter reflektiert, um zu dem Interferenzlängen optischen Messpfad 400 abgestrahlt zu werden.
  • Auf dem optischen Messpfad 300 werden eine Viertelwellenplatte 310; ein dichroitischer Spiegel 320, welcher als Messlichtsplitter dient; der Langwellenlängeneckwürfel 330, welcher als Langwellenlängenreflektor dient; und der Messeckwürfel 340, welcher als Messreflektor dient bereitgestellt. Im Übrigen wird die optische Pfadlängenveränderungseinheit der Erfindung durch die Viertelwellenplatte 310 und den optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 bereitgestellt.
  • Ähnlich zu der Viertellängenplatte 210 ist die Viertellängenplatte 310 eine Verzögerung, welche nur effektiv auf den Langwellenlaserstrahl wirkt, welcher eine 1064 nm Wellenlänge aufweist, aus dem Lasterstrahl des P-polarisierten Lichts, welches durch den polarisierenden Strahlsplitter 120 durchgegangen ist. Die Viertelwellenplatte 310 wandelt den Langwellenlängenlaser in das kreispolarisierte Licht und strahlt das kreispolarisierte Licht ab.
  • Der dichroitische Spiegel 310 reflektiert den Langwellenlaserstrahl, welcher eine 1064 mm Wellenlänge aufweist, und leitet den Kurzwellenlängenlaserstrahl, welcher eine 532 mm Wellenlänge aufweist, fort.
  • Der Langwellenlängeneckwürfel 330 ist eine optische Komponente welche einen rechten Dreieckspiegel aufweist. Der Langwellenlängeneckwürfel 330 reflektiert den Langwellenlängenlaserstrahl, welcher durch den dichroitischen Spiegel 320 reflektiert wurde, wobei drei Spiegeloberflächen benutzt werden, und strahlt den Langwellenlängenlaserstrahl zu dem dichroitischen Spiegel 320 ab. Zu diesem Zeitpunkt reflektiert der Langwellenlängeneckwürfel 330 den Langwellenlängenlaserstrahl so, dass der Langwellenlängenlaserstrahl durch den optischen Pfad hindurchgeht, wobei er durch den Punkt A in dem polarisierten Strahlsplitter 120, wie oben beschrieben, hindurchgeht.
  • Der Messeckwürfel 340 ist eine optische Komponente, welche einen rechten Dreieckspiegel aufweist, ähnlich zu dem optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 330, der Referenzeckwürfel 220 und der Langwellenlängeneckwürfel 330, wie oben beschrieben. Der Messeckwürfel 340 reflektiert den Kurzwellenlängenlaserstrahl, welcher von dem polarisierten Strahlsplitter 120 einfällt, durch drei Spiegeloberflächen und strahlt den Kurzwellenlängenlaserstrahl zu dem polarisierenden Strahlsplitter 120. Zu diesem Zeitpunkt reflektiert der Messeckwürfel 340 den Kurzlängenwellenlaserstrahl zu dem optischen Pfad, welcher durch den Punkt A in dem polarisierenden Strahlsplitter 120, wie oben beschrieben, hindurchgeht.
  • Der Laserstrahl, welcher zu dem Messpfad 330 abgestrahlt wird, geht durch einen optischen Pfad, wie unten beschrieben, hindurch.
  • Der Langwellenlängenlaserstrahl des P-polarisierten Lichts, welches von dem polarisierten Strahlsplitter 120 abgestrahlt wird, wird in das kreispolarisierte Licht durch die Viertelwellenplatte 310 umgewandelt und wird dann durch den dichroitischen Spiegel 320 reflektiert, um in den Langwellenlängeneckwürfel 330 einzutreten. Nachdem er von dem Langwellenlängeneckwürfel 330 reflektiert wurde, wird der Langwellenlängenlaserstrahl durch den dichroitischen Spiegel 320 reflektiert, um durch die Viertelwellenplatte 310 hindurchzugehen, und in den polarisierenden Strahlsplitter 120 einzutreten. Zu diesem Zeitpunkt wird der Langwellenlängenlaser durch die Viertelwellenplatte 310 in das S-polarisierte Licht umgewandelt, dessen Polarisierungsrichtung verändert wird. Im Folgenden wird der Langwellenlängenlaserstrahl des S-polarisierten Lichts am Punkt A des polarisierenden Strahlsplitters 120 reflektiert, um von der Endoberfläche gegenüber des optischen Referenzpfads 200 abgestrahlt zu werden, und durch den optischen Pfadlängenveränderungswürfel 330 reflektiert zu werden. Dann fällt der Langwellenlängenlaserstrahl wieder auf den polarisierten Strahlsplitter 120 und wird am Punkt B reflektiert, um zu dem optischen Messpfad 300 abgestrahlt zu werden. Der Langwellenlängenlaserstrahl des S-polarisierten Lichts wird in kreispolarisiertes Licht durch die Viertellängenplatte 310 umgewandelt, geht durch den dichroitischen Spiegel 320, und wird durch den Langwellenlängeneckwürfel 330 reflektiert. Dann wird das kreispolarisierte Licht durch den dichroitischen Spiegel 320 zu dem polarisierenden Strahlsplitter 120 reflektiert und geht durch die Viertelwellenplatte 310, so dass das kreispolarisierte Licht in das P-polarisierte Licht umgewandelt wird, dessen Polarisierungsrichtung geändert wird. Dann tritt das P-polarisierte Licht in den polarisierenden Strahlsplitter 120 wieder ein und geht durch den Punkt A, um zu dem optischen Interefrenzlängenmesspfad 300 abge strahlt zu werden. In anderen Worten wird der Langwellenlängenlaserstrahl zweimal zwischen dem polarisierenden Strahlsplitter 120 und den Langwellenlängeneckwürfel 330 durch die Viertelwellenplatte 310, den optischen Pfadwellenlängenveränderungseckwürfel 130, den dichroitischen Spiegel 320 und den Langwellenlängeneckwürfel 330 erwidert.
  • Andererseits wird der Kurzwellenlängenlaserstrahl des P-polarisierten Laserstrahls, welcher von dem polarisierenden Strahlsplitter 120 abgestrahlt wird, nicht durch die Viertelwellenplatte 310 beeinflusst. Der Kurzwellenlängenlaserstrahl geht durch den dichroitischen Spiegel 320 und tritt in den Messeckwürfel 340 ein. Der Kurzwellenlängenlaserstrahl wird durch den Messeckwürfel 340 reflektiert, um durch den dichroitischen Spiegel 320 und die Viertelwellenplatte 310 hindurchzugehen, und in den polarisierenden Strahlsplitter 120 einzutreten. Zu diesem Zeitpunkt wird der Kurzwellenlängenlaserstrahl auch nicht durch die Viertelwellenlängenplatte 310 beeinflusst. Folglich tritt der Kurzwellenlängenlaserstrahl in den polarisierenden Strahlsplitter 120 als das P-polarisierte Licht ein. Der Kurzwellenlängenlaserstrahl geht dann durch den Punkt A in dem polarisierenden Strahlsplitter hindurch, um in den optischen Interferenzlängenmesspfad 400 einzutreten.
  • Ein ebener Spiegel 410, zum Reflektieren des Laserstrahls, welcher von dem polarisierenden Strahlsplitter 120 abgestrahlt wird und ein Phasendetektor 420, welcher als Detektor zum Empfang des Laserstrahls, welcher durch den Plattenspiegel 410 reflektiert wird dient, wird auf dem Interreferenzlängenmessungsoptischen Pfad 400 bereitgestellt.
  • Der Phasendetektor 420 empfängt die beiden in Interreferenzwellen des Laserstrahls, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen, die durch den polarisierenden Strahlsplitter 120 überlagert werden und gibt Interferenzsignale aus, welche den Interreferenzwellen entsprechen, die verschiedene Wellenlängen zu einer Längenmessungssteuerung 600 aufweisen.
  • Anordnung eines Umgebungsmonitors
  • Der Umgebungsmonitor 500 schließt Messinstrumente sowie ein Thermometer, Barometer, Hygrometer, CO2-Konzentrationsmeter, ein. Der Umgebungsmonitor 500 misst Umgebungsfaktoren (Temperatur, atmosphärischer Druck, Feuchtigkeit, CO2-Konzentration), welche zum Berechnen eines Luftbrechungsindex unter Benutzung dieser Messinstrumente benötigt werden und gibt Messwerte zu der Längenmesssteuerung 600 aus. Da der Effekt der CO2-Konzentration besonders klein ist, ist die Messung unter Benutzung des CO2-Konzentrationsmeters nicht immer notwendig und ein angemessener fester Wert, z. B. 450 ppm, kann gewählt werden.
  • Anordnung der Längenmesssteuerung
  • Die Längenmesssteuerung 600 ist mit dem Laserinterferometer 100 verbunden und berechnet feine Verschiebungen des Referenzeckwürfels 220 und des Messeckwürfels 340 auf Grundlage des Interferenzsignals, welches von dem Laserinterferometer ausgegeben wird. Die Längenmesssteuerung 600 steuert auch den Referenzeckwüfel 220 in dem Laserinterferometer, um sich in eine vorbestimmte Richtung zu bewegen. Die Längenmesssteuerung 600 kann ein gewöhnlicher Computer sowie ein Personalcomputer sein, oder auch eine spezielle Steuerungsvorrichtung.
  • Obwohl die genaue Anordnung der Längenmesssteuerung 600 nicht dargestellt ist, schließt die Längenmesssteuerung 600 ein: Ein CPU (Central Processing Unit), zum Steuern des gesamten Instruments; eine Eingabe- und Ausgabeeinheit sowie eine Tastatur und eine Maus durch welche ein Nutzer Eingabehandlungen ausführen kann; und einen Speicher, wie einen Datenspeicher, um voran abgelegte Daten zu speichern, welche von dem CPU berechnet wurden und ein HDD zum Speichern verschiedener Daten und Programme.
  • Wie in 4 gezeigt, speichert der Speicher der Längenmesssteuerung 600: Ein Umgebungsfaktorenleser 610; ein Brechindexcomputer 620; ein Umgebungsfaktorkonstanten Computer 630; ein Interferenzsignalleser 640; ein Summensignalcomputer 650; eine Verschiebungssteuerung 660; eine Referenzverschiebungssteuerung 670; eine Messverschiebungssteuerung 680, wie verschiedene Programme, welche durch das CPU verarbeitet werden. Die obigen Einheiten werden als die Programme gespeichert und durch die CPU in dieser beispielhaften Ausführungsform verarbeitet, aber die Einheiten sind nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können die Einheiten in einen integrierten Schaltkreis wie einen IC-Chip integriert sein.
  • Der Umgebungsfaktorenleser 610 liest Messdaten (Temperaturdaten, atmosphärische Druckdaten, Feuchtigkeitsdaten und CO2-Konzentrationsdaten), welche von dem Umgebungsmonitor 500 eingegeben werden. Der Umgebungsfaktorenleser 610 schreibt die Messdaten in den Speicher um die Daten vorübergehend zu speichern, so dass die Daten durch das CPU verarbeitet werden können.
  • Der Brechungsindexcomputer 620 berechnet ein Luftbrechungsindex n1 des Langwellenlängenlaserstrahls (1064 nm) und ein Luftbrechungsindex n2 des Kurzwellenlängenlaserstrahls (532 nm), wobei die Messdaten des Umgebungsfaktors benutzt werden, welche von dem Umgebungsfaktorenleser 610 gelesen werden. Der Brechungsindexcomputer 620 berechnet den Luftbrechungsindex n1 und n2 von den Messdaten, welche auf der Ciddor-Formel beruhen (siehe: P. E. Ciddor, „Brechungsindex von Luft; neue Gleichung für sichtbares und nahes infrarot," Appl. Opt. 35, 1566–1573 (1996)).
  • Der Umgebungsfaktorkonstantencomputer 630 berechnet eine Umgebungsfaktorkonstante K wobei die Luftbrechungsindexe n1 und n2 benutzt werden, welche von dem Brechungsindexcomputer 620 auf der Grundlage der obigen Formel (10) berechnet werden.
  • Der Interfrequenzsignalleser 640 liest Interferenzsignale, welche den Laserstrahlen der verschiedenen Wellenlängen entsprechen, welche von dem Laserinterferometer 100 ausgegeben werden. Der Interfrequenzsignallaser 640 schreibt die Interferenzsignale der Interferenzwellen in den Datenspeicher um die Signale zeitweise so zu speichern, dass die Signale durch das CPU verarbeitet werden können.
  • Der Summensignalcomputer 650 berechnet ein Summensignal des Interferenzsignals, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl und dem Interferenzsignal entspricht, welches dem Kurzwellenlängenlaserstrahl entspricht, auf Grundlage der gelesenen Interfrequenzsignale.
  • Der Summensignalcomputer 650 berechnet Interferenzsignale y1 und y2 und ein Summensignal des Interferenzsignals y1 + y2 auf Grundlage der oben beschriebenen Formeln (1), (2) und (4).
  • Die Verschiebungssteuerung 660 steuert den Antrieb des Treibers, welcher auf dem Referenzeckwürfel 220 bereitgestellt wird, um den Referenzeckwürfel 220 entlang des optischen Referenzpfads 200 zu verschieben.
  • Zu diesem Zeitpunkt verschiebt die Verschiebungssteuerung 660 den Referenzeckwürfel 220 so, dass das Summensignal y1 + y2 welches durch den Summensignalcomputer 650 berechnet wird, einen Nulldurchgang kreuzt.
  • Der Referenzverschiebungscomputer 670 berechnet eine Verschiebung des Referenzeckwürfels 220, wenn der Referenzeckwürfel 220 durch die Verschiebungssteuerung 660 bewegt wird. Zu diesem Zeitpunkt berechnet der Referenzverschiebungscomputer 670 eine Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 auf Grundlage des Interferenzsignals y1, welches dem Langwellenlaserstrahl entspricht, welcher nicht durch die Verschiebung des Messeckwürfels 340 beeinflusst wird. Ins besondere werden der Luftbrechungsindex n1 des Langwellenlängenlaserstrahls, welcher durch den Brechungsindexcomputer 620 berechnet wurde, und das Interferenzsignal y1 des Langwellenlängenlaserstrahls, welches durch den Interferenzsignalleser 640 gelesen wurde, der obigen Formel (1) zugeordnet, um die Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 zu berechnen.
  • Der Verschiebungsmesscomputer 680 berechnet eine Verschiebung des Messeckwürfels 340 auf Grundlage der oben beschriebenen Formel (11), von der Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220, und der Umgebungsfaktorkonstanten K, welche durch den Umgebungsfaktorkonstantencomputer 630 berechnet wird.
  • Verschiebungsmessprinzip eines interferometrischen Lasermessinstruments
  • Als nächstes wird das Messprinzip zum Messen einer Verschiebung des Zielobjekts 3 durch das oben beschriebene, laserinterferometrische Messinstrument unten beschrieben werden.
  • In dem Laserinterferometer 100, wie oben beschrieben, empfängt der Phasendetektor 420, wenn der Langwellenlängenlaserstrahl, welcher 1064 nm Wellenlänge aufweist, und der Kurzwellenlängenlaserstrahl, welcher 532 nm Wellenlänge aufweist, von der Lichtquelle 110 abgestrahlt werden, diese zwei Laserstrahlen, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen, durch einen optischen Pfad, wie unten beschrieben.
  • Die Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen werden von dem Polarisationsstrahlsplitter 120 in Abhängigkeit ihrer Polarisierungsrichtung gesplittet. Insbesondere werden die Laserstrahlen mit S-polarisiertem Licht zu dem optischen Referenzpfad 200 und die Laserstrahlen mit P-polarisiertem Licht zu dem optischen Messpfad 300 abgestrahlt.
  • Der Langwellenlängenlaserstrahl, welcher zu dem optischen Referenzpfad 200 abgestrahlt wird, wird zweimal zwischen dem polarisierenden Strahlsplitter 120 und dem Referenzeckwürfel 220 erwidert und der Kurzwellenlängenlaserstrahl, welcher von dem optischen Referenzpfad 200 abgestrahlt wird, wird einmal zwischen dem polarisierendem Strahlsplitter 120 und dem Referenzeckwürfel 220 erwidert. Andererseits wird der Langwellenlängenlaserstrahl, welcher zu dem optischen Messpfad 300 abgestrahlt wird, zweimal zwischen dem polarisierenden Strahlsplitter 120 und dem Langwellenecklängenwürfel 330 erwidert und der Kurzwellenlängenlaserstrahl, welcher von dem optischen Messpfad 300 abgestrahlt wird, wird einmal zwischen dem polarisierenden Strahlsplitter 120 und dem Messeckwürfel 340 wiedergegeben. Die jeweiligen Laserstrahlen werden durch den polarisierenden Strahlsplitter 120 kombiniert und zu dem optischen Interferenzlängenmesspfad 400 abgestrahlt, um von dem Phasendetektor 420 empfangen zu werden. Der Phasendetektor 420 erzeugt Interferenzsignale, welche den Interferenzwellen durch fotoelektrische Umwandlung entsprechen und gibt das Interferenzsignal zu der Längenmesssteuerung 600 aus.
  • Wenn der Referenzeckwürfel 220 durch die Verschiebung l verschoben wird, ist die Wellenlänge des Langwellenlängenlaserstrahls zweimal so lang wie jene des Kurzwellenlängenlaserstrahls. Daher werden die Interferenzsignal y1 und y2 durch die oben beschriebenen Formeln (1) und (2) dargestellt. Das Summensignal y1 und y2 der Interferenzsignale wird durch die Formel (4) dargestellt. Wie in 1 gezeigt ist, wenn die Verschiebung lT ist, eine Periode eines Formkomponentensignals, welches eine Kurvenlinie ist, die die Scheitelpunkte des Summensignals y1 + y2 verbindet, äquivalent zu einer Halbperiode einer Langperiode cos(2πl(n1 – n2)λ2). Entsprechend werden die Formeln (5) und (6) bereitgestellt.
  • Andererseits wird, wenn die Verschiebung des Messeckwürfels 340 durch D bezeichnet wird, dass Interferenzsignal y2 des Kurzwellenlängenstrahls durch die Formel (7) dargestellt. Wie in 3 gezeigt, ist eine Periode des Interferenzsig nals y2 2π, wenn die Verschiebung D in diesem Fall mit DT bezeichnet wird, wird die Formel (9) eingeführt.
  • Des Weiteren wird die Verschiebung des Summensignals y1 + y2, wenn der Referenzeckwürfel 220 in dem optischen Referenzpfad 200 durch lT verschoben wird, derselbe, als wenn der Messeckwürfel 340 in dem optischen Messpfad 300 durch eine Verschiebung um DT verschoben wird. Daher wird K, wenn ein Verhältnis der Verschiebung lT und DT als Umgebungsfaktorkonstante K definiert wird, durch die Formel (10) dargestellt und daher die Formel (11) abgeleitet.
  • Die Umgebungsfaktorkonstante K wird durch die Luftbrechungsindexe n1 und n2 der Laserstrahlen, wie durch Formel (10) dargestellt, berechnet. Die Luftbrechungsindexe n1 und n2 werden durch die Ciddor-Formel erhalten, welche auf den Umgebungsfaktoren (Temperatur, atmosphärischer Druck, Feuchtigkeit, CO2 Konzentration) beruht.
  • Hier werden Standardwerte der Umgebungsfaktoren, wie in 6 gezeigt, bestimmt. 7 zeigt eine Veränderung der Umgebungsfaktorkonstante K, wenn die Temperatur im Veränderungsbereich, welche in 6 gezeigt wird, verändert wird und der atmosphärische Druck, die Feuchtigkeit und die CO2-Konzentration bei Standardwerten gehalten werden, welche in 6 gezeigt sind. 8 zeigt eine Veränderung der Umgebungsfaktorkonstanten K, wenn der atmosphärische Druck im Veränderungsbereich, welcher in 6 gezeigt wird, verändert wird und die Temperatur, die Feuchtigkeit und die CO2-Konzentration auf in 6 gezeigten Standardwerten gehalten werden. 9 zeigt eine Veränderung der Umgebungsfaktorkonstante K, wenn die Feuchtigkeit in dem Veränderungsbereich, welcher in 6 gezeigt wird, verändert wird und die Temperatur, der atmosphärische Druck und die CO2-Konzentration bei Standardwerten, welche in 6 gezeigt sind, gehalten werden. 10 zeigt eine Veränderung der Umgebungsfaktorkonstante K, wenn die CO2-Konzentration in dem Veränderungsbereich, welcher in 6 gezeigt wird, verändert wird und die Temperatur, der at mosphärische Druck und die Feuchtigkeit bei Standardwerten, welche in 6 gezeigt werden, gehalten werden.
  • Wie in 7 bis 10 gezeigt ist n2 – n1 auch 4,2 × 10–6, da K ungefähr 4,2 × 10–6 und der Luftbrechungsindex n2 fast gleich zu n1 ist und fast gleich zu 1 ist.
  • Entsprechend ist die Umgebungsfaktorkonstante K ausreichend kleiner als 1. Daher kann die Verschiebung D des Messeckwürfels 340 genau durch Messen der Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 auf Grundlage der Formel (11) berechnet werden.
  • Verschiebungsmessmethode unter Benutzung eines laserinterferometrischen Messinstruments
  • Als nächstes wird eine Messmethode zum Messen der Verschiebung D des Zielobjekts unter Benutzung des oben beschriebenen laserinterferometrischen Messinstruments 1 unten beschrieben werden.
  • 11 ist ein Flussdiagramm einer Verschiebungsmessmethode mit einem laserinterferometrischen Messinstrument 1. Wie in 11 gezeigt, wird der Referenzeckwürfel 220 als ursprüngliche Einstellung so verschoben, dass das Summensignal y1 + y2 der Interferenzsignale der Laserstrahlen, überlagernd mit dem Nulldurchgangpunkt wird. Für diesen Zweck liest der Interferenzsignalleser 640 der Längenmesssteuerung 600 die Interferenzsignale y2 des Laserstrahls und der Summensignalcomputer 650 berechnet das Summensignal y1 + y2, welches ein kombiniertes Signal der Interferenzsignale y1 und y2 ist. Dann verschiebt die Verschiebungssteuerung 660 der Längenmesssteuerung 600 den Referenzeckwürfel 220 durch Antreiben des Treibers in Bezug auf das Summensignal y1 bis y2. Wenn das Summensignal y1 bis y2 den Nulldurchgang kreuzt wird die Bewegung des Referenzeckwürfels 220 angehalten (Schritt S101).
  • Des Weiteren liest der Umgebungsfaktorleser 610 der Längenmesssteuerung 600 die Messdaten des Umgebungsfaktors, welche von dem Umgebungsmonitor 500 eingegeben werden und der Brechungsindexcomputer 620 berechnet die Luftbrechungsindexe n1 und n2 der Laserstrahlen von den Messdaten, welche auf Ciddors Formel basieren (Schritt S102). Des Weiteren berechnet der Umgebungsfaktorkonstantencomputer 630 der Längermesssteuerung 600 die Umgebungsfaktorkonstante K von den Luftbrechungsindexen n1 und n2 auf Grundlage der Formel (10) (Schritt 103). Im Übrigen wird die berechnete Umgebungsfaktorkonstante K leicht in Abhängigkeit von den Umgebungsfaktoren verändert, aber ist ungefähr 4,2 × 10–6, wie in 7 und 8 gezeigt.
  • Dann wird der Messeckwürfel 340, an welchem das Zielobjekt 3 befestigt ist, verschoben (Schritt S104).
  • Zu diesem Zeitpunkt wird das Summensignal y1 + y2 verändert, da dass Interferenzsignal y2, aufgrund der Verschiebung des Messeckwürfels 340, verändert wird. Entsprechend wird der Referenzeckwürfel 220 verschoben, um der Veränderung des Summensignals entgegenzuwirken. In anderen Worten verschiebt die Verschiebungssteuerung 660 der Längenmessteuerung 600 den Referenzeckwürfel 220 so, dass das Summensignal y1 + y2, welches durch den Summensignalcomputer 650 berechnet wird, immer den Nulldurchgang kreuzt (Schritt S105).
  • Der Referenzverschiebungscomputer 670 berechnet eine Verschiebung des Referenzeckwürfels 220 von der ursprünglichen Position des Referenzeckwürfels 220, welche in Schritt S101 eingestellt wurde, anhand der Verschiebung des Interferenzsignals über y1 (Schritt S106). Zu diesem Zeitpunkt berechnet der Referenzverschiebungscomputer 670 die Verschiebung l anhand der Formel (1) in dem der Luftbrechungsindex n1 des Langwellenlängenlaserstrahls, welcher in Schritt S102 berechnet wurde und ein Interferenzsignal y1 des Langwellenlängenlaserstrahls, welches durch den Interferenzsignallaser 640 gelesen wurde, benutzt wird.
  • Dann berechnet der Verschiebungsmesscomputer 680 der Längenmesssteuerung 600 die Verschiebung D des Messeckwürfels 340 anhand von Formel (11), indem die Umgebungsfaktorkonstante K benutzt wird, welche in dem Schritt S103 berechnet wurde, und die Verschiebung l, welche in Schritt S106 berechnet wurde.
  • Ungenauigkeitsanalyse
  • Als nächstes wird eine Ungenauigkeitsanalyse in der oben beschriebenen Verschiebungsmessverfahren unten beschrieben.
  • Die oben beschriebene Formel (11) wird abgeleitet um die folgende Formel zu erhalten. δD = δ(K1) = δK1 + Kδ1 (12)
  • In dem ersten Ausdruck der obigen Formel (12) stellt δK die Unsicherheit der Umgebungsfaktorkonstante K und δ dar und δ1 stellt die Unsicherheit der Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 dar.
  • Auf Grundlage der Ergebnisse, welche in 7 und 10. gezeigt werden, ist die Unsicherheit δK der Umgebungsfaktorkonstante K fast gleich 2.0 × 10–9, wenn die Temperatur 0,1°C, der atmosphärische Druck 1 hPa und die Feuchtigkeit 3% ist. Diese Messwerte weisen eine Genauigkeit auf, welche geeignet ist, um einfach durch im Allgemeinen erhältliche Thermometer, Barometer und Hygrometer gemessen zu werden. Die Unsicherheit δK der Umgebungsfaktorkonstante K, welche durch die im Allgemeinen erhältlichen Messinstrumente gemessen werden, ist genügend klein. Im Übrigen ist der Effekt der CO2-Konzentration genügend klein, um mit anderen Umgebungsmessfaktoren und der Unsicherheit δK der Umgebungsfaktorkonstanten K verglichen zu werden, da die Veränderung der CO2-Konzentration kleiner ist als der obige Wert. Daher muss die CO2-Konzentration nicht immer notwendigerweise gemessen werden.
  • Zum Beispiel ist δK fast gleich 0,1266 nm, wenn die Unsicherheit δK der Umgebungsfaktorkonstanten K 2,0 × 10–9 und die Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 63,33 mm ist. Auch kann die Verschiebung l aus der Verschiebung D gleich 266 nm des Messeckwürfels 340 und der Umgebungsfaktorkonstanten K in dem Messsystem des obigen laserinterferometrischen Messinstruments erhalten werden. Daher kann die Verschiebung D des Messeckwürfels 340 mit einer Genauigkeit von 0,1266 nm gemessen werden.
  • Wie oben beschrieben wird die Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 durch die Formel (1) auf Grundlage des Interferenzsignals erhalten, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl mit 1064 nm entspricht. Entsprechend kann die Messgenauigkeit δl der Verschiebung l in Mikrometern einfach sichergestellt werden. Wenn die Umgebungsfaktorkonstante K fast gleich 4,2 × 10–6 ist und die Messgenauigkeit δl der Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 10 μm in dem zweiten Ausdruck der obigen Formel (12) ist, ist δKl fast gleich 4,2 × 10–11. Daher ist die Unsicherheit von δKl in dem zweiten Ausdruck extrem klein.
  • Wie oben beschrieben ist die Veränderung der Umgebungsfaktorkonstante K aufgrund von Umgebungsfaktoren in der Praxis genügend klein und die Unsicherheit der Messwerte der Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 wird reduziert. Daher kann unter Benutzung der Formel (11) die Verschiebung D des Messeckwürfels 340 genau gemessen werden.
  • Vorteile eines laserintrofermetrischen Messinstruments
  • In dem laserinterfrometrischen Messinstrument 1, wie oben beschrieben, emittiert die Lichtquelle 110 des Laserinterformeters 100 die beiden Laserstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen, welche ein multiplikative Verhältnis aufweist, das heißt den Langwellenlängenlaserstrahl mit 1064 nm und den Kurzwellenlängenlaserstrahl mit 532 nm. Dann splittet der Polarisierungsstrahlsplitter 120 die Laser strahlen in den optischen Referenzpfad 200 und in den optischen Messpfad 300 in Abhängigkeit der Polisierungsrichtungen. Der Referenzeckwürfel 220, welcher entlang der optischen Achse verschiebbar ist, wird in dem optischen Referenzpfad 200 bereitgestellt und der Messeckwürfel 340, an welchen das Zielobjekt befestigt ist und welcher entlang der optischen Achse verschiebbar ist, wird in dem optischen Messpfad 300 bereitgestellt. Auch wird der optische Pfadlängenveränderungseckwürfel 130 so bereitgestellt, dass er die Endoberfläche des polarisierenden Strahlsplitters 120 gegenüber dem optischen Referenzpfand 200 entgegengesetzt ist. Die Viertelwellenplatte 210 wird in dem optischen Referenzpfad 200 bereitgestellt. Die Viertelwellenplatte 210 arbeitet nur auf dem Langwellenlängenlaserstrahl und den Langwellenlängenlaserstrahl zwischen dem polarisierendem Strahlsplitter 120 und dem Referenzeckwürfel 220 erwidert, um die optische Pfadlänge zu verändern. In dem optischen Messpfad 300 werden die Viertelwellenplatte 210, welche nur auf dem Langwellenlängenlaserstrahl wirkt; der dichroitische Spiegel 320, welcher nur den Langwellenlängenlaserstrahl reflektiert, um den Langwellenlängenlaserstrahl zu dem Langwellenlängeneckwürfel 330 zu führen; und der Langwellenlängeneckwürfel 330 bereitgestellt. Diese optischen Komponenten, und der optische Pfadlängenveränderungseckwürfel 130, erwidern den Langwellenlängenlaserstrahl, welcher von dem optischen Messpfad 300 abgestrahlt wird zweimal zwischen dem polarisierenden Strahlsplitter 120 und dem Langwellenlängeneckwürfel 330, wobei dadurch die optische Pfadlänge verändert wird. Dann kombiniert der polarisierende Strahlsplitter 120 die Laserstrahlen, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen, die von dem optischen Referenzpfad 200 und dem optischen Messpfad 300 einfallen, um die Interferenzwellen bereitzustellen. Der Phasendetektor 420 der Interferenzlängen optischen Messpfads 400 detektiert die Interferenzsignale der Interferenzwellen und gibt die Signale an die Längenmesssteuerung 600 aus. Die Längenmesssteuerung 600 umfasst: den Summensignalcomputer 350 zum Berechnen des Summensignals y1 bis y2, welches durch Kombinieren der Interferenzsignale y1 und y2 entsprechend zu den detektieren Laserstrahlen, welche verschiedene Wellenlängen aufweisen, erhalten; und die Verschiebungssteuerung 660 zum Verschieben des Referenzeck würfels 220, so dass das Summensignal y1 + y2 mit dem Nulldurchgangspunkt überlagert wird. Dann berechnet der Referenzverschiebungscomputer 670 der Längenmesssteuerung 600 die Verschiebung D des Referenzeckwürfels 220, welcher durch die Verschiebungssteuerung 660 verschoben wird und der Messverschiebungscomputer 680 berechnet die Verschiebung des Messeckwürfels 340 auf Grundlage der berechneten Verschiebung des Referenzeckwürfels 220.
  • Gemäß der Laserinterferenz des Messverfahrens, welches das laserinterformetrische Messinstrument benutzt, wird das Summensignal y1 bis y2 der detektieren Interferenzsignale y1 und y2 berechnet und der Referenzeckwürfel 220 wird verschoben, so dass das Summensignal y1 bis y2 den Nulldurchgangspunkt, wie oben beschrieben, kreuzt. Auf Grundlage von dieser Verschiebung des Referenzeckwürfels 220 wird die Verschiebung des Messeckwürfels 340 berechnet.
  • Unter Benutzung des laserinterferometrischen Messinstruments und des Laserinteferenzmessverfahrens, wie oben beschrieben, kann die Verschiebung des Messeckwürfels 340 auf Grundlage von Formel (11) erhalten werden. In anderen Worten kann die Verschiebung D des Messeckwürfels 340 durch multiplizieren der Umgebungsfaktorkonstante K, welche ausreichend kleiner als 1 ist, mit der Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 berechnet werden. Hier ist die Umgebungsfaktorkonstante K ungefähr 4,2 × 10–6 in der Luft. Entsprechend kann, z. B. die Verschiebung D des Messeckwürfels 340, welche in Picometern berechnet wird, durch Messung der Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 in z. B. Mikrometern berechnet werden. Des Weiteren kann eine Ausrichtung in irgendeiner Position in dem Laserinterformeter eingestellt werden und die Verschiebung kann in einem engen Bereich gemessen werden.
  • Daher kann, im Vergleich zu der Messung, welche ein Kurzwellenlängenlaserstrahl benutzt, welcher eine relativ kurze Wellenlänge sowie ein Kurzwellenlängenlaserstrahl in einem Bereich außerhalb des sichtbaren Bereichs oder im Röntgenbereich aufweist, die Sicherheit gewährleistet werden und die Anordnung des gesamten Instruments vereinfacht werden, was zu einer Verkleinerung des Laserinterferometrischen Messinstruments und zu einer Kostenverringerung führt. Da nur relativ einfache optische Pfade ohne Verdopplungen der optischen Längen durch erwiderte Laserstrahlen mehrere Male in einem komplizierten optischen System bereitgestellt werden, wird das optische System der beispielhaften Ausführungsform nicht verkompliziert und die Anordnung wird vereinfacht, so dass eine stabile Messung durchgeführt werden kann, während eine Reduzierung von Lichtquantität der Laserstrahlen vermieden wird. Des Weiteren, da es nicht verlangt wird einen veränderbaren Laserstrahl zu benutzen, kann der Laserstrahl eine vorbestimmte Wellenlänge aufweisen, welche stabil, ohne Dispersionsaspekte des Laserstrahls, bereitgestellt wird. Daher kann ein Laserinterferometermessinstrument 1 und das Verschiebungsmessverfahren zum genauen Messen der Verschiebung mit der einfachen Anordnung bereitgestellt werden, während die Stabilität und Sicherheit genügend gewährleistet sind.
  • Der Referenzverschiebungscomputer 670 berechnet die Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 anhand der Formel (1) in dem das Interferenzsignal y1 des Langwellenlängenlaserstrahls, welches durch den Interferenzsignalleser 640 gelesen wird, und der Luftbrechungsindex n1 des Langwellenlängenlaserstrahls, welcher durch den Brechungsindexcomputer 620 auf Grundlage der Messdaten des Umgebungsfaktors, welcher von dem Umgebungsmonitor 500 ausgegeben wird, berechnet ist.
  • Daher kann die Verschiebung durch Berechnung der Verschiebung l des Referenzeckwürfels 220 von dem Interferenzsignal des Langwellenlängenlaserstrahls genauer im Vergleich zu z. B. der Messung durch Lesen eines Rasters, welches entlang der Verschiebungsrichtung des Referenzeckwürfels 220 bereitgestellt wird, berechnet werden. Insbesondere kann die Verschiebung des Messeckwürfels 340 durch Berechnung der Verschiebung des Referenzeckwürfels 220 in Mikrometern, welche einfach, wie oben beschrieben, erhalten wird, genauer z. B. in Picometern gemessen werden.
  • Das Laserinformeter 100 umfasst: Den Messeckwürfel 340, als Messreflektor; den Referenzeckwürfel 220, als Referenzreflektor; den Langwellenlängeneckwürfel 330, als Langwellenlängenreflektor; und den optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130, als Teil der messoptischen Pfadlängenveränderungseinheit und referenzoptischen Pfadlängenveränderungseinheit. Entsprechend wird der optische Pfad des Laserstrahls, welcher von dem optischen Interferenzlängenmesspfad 400 abgestrahlt wird, von dem Polarisationsstrahlsplitter 120 parallel zu dem optischen Pfad des Laserstrahls, welcher auf den Polarisationsstrahlsplitter 120 von der Lichtquelle 110 auftrifft so bereitgestellt, dass der Laserstrahl, welcher von dem Polarisationsstrahlsplitter 120 in der Lichtquelle 110 einfällt, nicht überlagert wird. In anderen Worten: Wird der Laserstrahl mit verschiedenen Wellenlängen im optischen Messpfad 300 und optischem Referenzpfad 200 am Punkt B in dem Polarisationsstrahlsplitter 120 gesplittet und am Punkt A kombiniert, welcher verschieden von dem Punkt B ist; in dem Polarisationsstrahlsplitter 120, um in den optischen Interferenzlängenmesspfad 400 einzutreten. Mit dieser Anordnung, wie oben beschrieben, ist der Ebenenspiegel 410 nur in optischen Interferenzlängenmesspfad 400 angeordnet und daher werden die Laserstrahlen in dem optischen Pfad von der Lichtquelle 110 zu dem Polarisationsstrahlsplitter 120 nicht überlagert. Im Übrigen können optische Komponenten, welche einfallendes Licht von einer Seite fortleiten und einfallendes Licht von einer anderen Seite reflektieren, benutzt werden. Jedoch, wenn solche optischen Komponenten genutzt werden, können die Laserstrahlen, welche von dem polarisierenden Strahlsplitter 120 zu dem interferenzlängenoptischen Messpfad 400 abgestrahlt werden, in eine Laserlichtquelle der Lichtquelle eintreten, so dass die Laserlichtquelle instabil oszilliert und keine stabilen Laserstrahlen emittieren kann. Auch kann ein Teil der Laserstrahlen, welche von der Lichtquelle 110 emittiert werden, von den optischen Komponenten reflektiert werden und in den Phasendetektor 420 einfallen, wobei dadurch eine genaue Messung verhindert wird. Jedoch können mit der Anordnung, wie oben beschrieben, nur die Laserstrahlen, welche durch den polarisie renden Strahlsplitter 120 kombiniert werden, auf den Phasendetektor 420 einfallen, wodurch die Messung genauer ausgeführt wird.
  • Anpassung der beispielhaften Ausführungsform(en)
  • Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die oben beschriebene Ausführungsform aber schließt die folgenden Anpassungen ein, solange eine Aufgabe der Erfindung erreicht wird.
  • Zum Beispiel wird der Referenzeckwürfel 220 so verschoben, dass das Summensignal y1 bis y2 den Nulldurchgang kreuzt, um die Periode des Summensignals y1 + y2 mit der Periode des Interferenzsignale y2 der Kurzwellen des Kurzwellenlängenlaserstrahls in der beispielhaften Ausführungsform zu überlagern, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Es ist nur verlangt, dass der Referenzeckwürfel 220 verschoben wird, dass die Phase des Summensignals y1 + y2 sich nicht verändert, wenn die Verschiebung des Zielobjekts gemessen wird. Zum Beispiel kann ein Steuerpunkt an einem bestimmten anderen Punkt als dem Nulldurchgangspunkt bereitgestellt werden, genauer kann der Steuerpunkt an einen Punkt gesetzt werden, wo die Amplitude des Summensignals y1 + y2 1,0 ist und der Bezugseckwürfel 220 so verschoben werden kann, dass das Summensignal y1 bis y2 1,0 des Steuerpunkts während des Ausgangsmesszustandes und der Verschiebungssteuerung des Referenzeckwürfels 220 in S105 wird.
  • Obwohl das Laserinterferometer 100 einschließt: Den Messeckwürfel 340, als Messreflektor; den Referenzeckwürfel 220, als Referenzreflektor; den Langwellenlängeneckwürfel 330, als Langwellenlängenreflektor; und den optischen Pfadlängenveränderungseckwürfel 130, als ein Teil der optischen Messpfadlängenveränderungseinheit und optischen Referenzpfadveränderungseinheit in der beispielhaften Ausführungsform, ist das Laserinferometer 100 nicht darauf beschränkt, z. B. können Reflektionsspiegel als Reflektoren zum Reflektieren der Laserstrahlen bereitgestellt werden, welche jeweils eine orthogonale Oberfläche zu einem optischem Pfad aufweisen. Mit einer solchen Anordnung können Kosten für Teile reduziert werden.
  • Wie oben beschrieben, kann die Lichtquelle 110 eine Laserlichtquelle sein, welche ein Langwellenlängenlaserstrahl von 1064 nm ausstrahlt und ein Teil des Laserstrahls als Kurzwellenlängenlaserstrahl mit 532 nm ausstrahlt, wobei ein Wellenlängenumwandler benutzt wird. Alternativ kann eine Laserlichtquelle einen Laserstrahl mit 532 nm emittieren und einen Teil des Laserstrahls als ein Langwellenlängenlaserstrahl mit 1064 nm emittieren, in welchem der Laserstrahl von 532 nm durch ein Wellenlängenumwandler umgewandelt wird. Des Weiteren kann eine Laserlichtquelle zum Emittieren eines Laserstrahls mit 1064 nm und zum Emittieren eines Laserstrahls mit 532 nm zwei Arten von Laserstrahlen emittieren.
  • Obwohl das laserinferometische Messinstrument 1 in der beispielhaften Ausführungsform beschrieben wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Das Verschiebungsmessinstrument der Erfindung ist als Laserinteferenzlängeneinschätzinstrument benutzbar zum Einschätzen von Interpolationsfehlern eines herkömmlichen Laserinferometer. Das Verschiebungsmessinstrument der Erfindung ist auch einsetzbar, um verschiedene Verschiebungsmessinstrumente sowie eine Verschiebungslehre und ein digitales Maß einzuschätzen oder zu kalibrieren. Des Weiteren ist das Verschiebungsmessinstrument der Erfindung anwendbar zum Einschätzen einer Linearität von verschiedenen genauen Anzeigeelementen oder Einschätzung einer genauen Verformung von Substanzen. Des Weiteren kann das Verschiebungsmessinstrument der Erfindung auch ein Sensor für ein hochgenaues Bewegungsgestell sein.
  • Obwohl ein Interferenzsignal für jede Wellenlänge in der beispielhaften Ausführungsform benutzt wird, kann der Phasendetektor 420 ein vier Phasenmeter sein, um die Bewegungsrichtungen des Messeckwürfels 340 und des Referenzeckwürfels 220 zu bestimmen, oder die Interferenzsignale zu verstärken. Im Moment kann ein Zweiphasensinuswellensignal, welches einen Phasenshift von 90° für jede Wellenlänge aufweist, benutzt werden, so dass die Messung genau durchgeführt werden kann.
  • Obwohl der Umgebungsmonitor 500 die Umgebungsfaktoren (Temperatur, atmosphärischer Druck, Feuchtigkeit, CO2-Konzentration) in der beispielhaften Ausführungsform misst, kann ein gewöhnlich erhältliches Thermometer, Barometer, Hydrometer und CO2-Konzentrationmeter die Umgebungsfaktoren messen. Sogar in einem solchen Fall ist die Unsicherheit δK der Umgebungsfaktorkonstante K genügend klein, so dass die Messung exakt ausgeführt werden kann. Obwohl die Messdaten der Umgebungsfaktoren, welche in dem Umgebungsmonitor 500 gemessen werden, an die Längenmesssteuerung 600 ausgegeben werden, kann ein Nutzer die Messdaten direkt in die Längenmesssteuerung 600 eingeben. Auch kann ein Nutzer direkt die Brechungsindexe n1 und n2 den Laserstrahlen und der Umgebungsfaktorkonstanten K eingeben.
  • Auch wird der Langwellenlängenlaserstrahl zweifach zwischen den polarisierenden Strahlsplitter 120 und dem Langwellenlängeneckwürfel 330 erwidert und ist auch zweimal zwischen dem Polarisierungsstrahlsplitter 120 und dem Referenzeckwürfel 220 erwidert, wobei die Viertelwellenplatten 210 und 310 und der optische Pfadlängenveränderungseckwürfel 130, als die optische Pfadlängenmesseinheit und optischen Referenzpfadlängenveränderungseinheit verwendet werden, kann der Langwellenlaserstrahl dreimal oder mehr erwidert werden.
  • Die speziellen Anordnungen und Verfahren zum Ausführen der Erfindung können in jeglicher Weise verändert werden, solange eine Aufgabe der Erfindung erreicht wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 5-272913 A [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Takeshi Hatsuzawa, Kouji Toyoda, Yoshihisa Tanimura, Makoto Nara, Syuuji Toyonaga, Shin-ya Hara, Hirotaka Iwasaki und Kazuhiko Kondou, „Präzise Messungen von Mikro-Linienbreiten mit einem Mikrointerferometer und einem Rasterelektronen-Mikroskop”, Journal der Japanischen Gesellschaft für Präzisions-Maschinenbau, Band 60, Nr. 11 (November 1994), Seiten 1582–1585 [0004]
    • - Tuan BANN QUOC, Yuuta HOSHINO, Masashi ISHIGE, Takeshi KOBAYASHI und Masato AKETAGAWA, „Entwicklung eines Laserinterferometers mit Pikometer-Auflösung unter Benutzung eines Frequenz-einstellbaren Lasers – Der fünfte Bericht: Kompensierung der Verschiebungsmessung aufgrund der Fluktuation des Luftbrechungsindex-” gesammelte Veröffentlichungen der Frühlingsvorlesung der japanischen Gesellschaft für Präzisionsmaschinenbau 2008, F02, Seiten 441 bis 442 [0004]
    • - P. E. Ciddor, „Brechungsindex von Luft; neue Gleichung für sichtbares und nahes infrarot,” Appl. Opt. 35, 1566–1573 (1996 [0082]

Claims (3)

  1. Verschiebungsmessinstrument, umfassend: eine Lichtquelle, die zwei Laserstrahlen verschiedener Wellenlänge emittiert, welche eine multiplikative Beziehung aufweisen; ein Polarisationssplitter, welcher die Laserstrahlen, welche von der Lichtquelle emittiert werden, in Abhängigkeit von Polarisierungsrichtungen der Laserstrahlen splittet, so dass einer der gesplitteten Laserstrahlen zu einem optischen Messpfad in einer Richtung zu einem Zielobjekt gestrahlt wird und der andere der gesplitteten Laserstrahlen zu einem optischen Referenzpfad in einer Richtung verschieden von der Richtung des optischen Messpfads gestrahlt wird; ein Messlichtsplitter, welcher in dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um ein Langwellenlängenlaserstrahl und einen Kurzwellenlängenlaserstrahl fortzuleiten aus den zwei Laserstrahlen, welche verschiedene Wellenlängen ausweisen, zu reflektieren; ein Langwellenlängenreflektor, welcher in dem optischen Messpfad bereitgestellt ist, um den Langwellenlängenlaserstrahl zu reflektieren, welcher von dem Messlichtsplitter gesplittet ist; eine optische Messpfadlängenveränderungseinheit, welche in dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um eine optische Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls zu ändern; ein Messreflektor, welcher an dem Zielobjekt befestigt ist, und entlang dem optischen Messpfad verschiebbar ist, um den Kurzwellenlängenlaserstrahl zu reflektieren; ein Referenzreflektor, welcher in dem optischen Referenzpfad verschiebbar ist, um den Laserstrahl zu reflektieren; eine optische Referenzpfadlängenveränderungseinheit, welche in dem optischen Referenzpfad bereitgestellt ist, um die optische Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls zu verändern; eine Licht überlagernde Einheit, welche die Laserstrahlen, welche von dem Messreflektor und dem Langwellenlängenreflektor in dem optischen Messpfad reflektiert werden, auf den Laserstrahl überlagert, welcher von dem Referenzreflektor in dem optischen Referenzpfad reflektiert wird. ein Detektor, welcher Interferenzwellen empfängt, die von den Laserstrahlen, welche durch die Licht überlagernde Einheit überlagert werden, erzeugt werden und Interferenzsignale ausgibt, welche den empfangenen Interferenzwellen entsprechen; ein Summensignalcomputer, welcher ein Summensignal eines Interferenzsignals, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl entspricht, und eines Interferenzsignals, welches dem Kurzwellenlängenlaserstrahl entspricht, aus Interferenzsignalen, welche von dem Detektor ausgegeben werden, berechnet; eine Verschiebungssteuerung, welche den Referenzreflektor so verschiebt, dass eine Phase des Summensignals nicht verändert wird; ein Referenzverschiebungsdetektor, welcher eine Verschiebung des Referenzreflektors detektiert; und ein Messverschiebungscomputer, welcher eine Verschiebung des Messreflektors anhand der Verschiebung des Referenzreflektors berechnet.
  2. Verschiebungsmessinstrument nach Anspruch 1, wobei der Referenzverschiebungsdetektor die Verschiebung des Referenzreflektors detektiert, welche auf dem Interferenzsignal, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl entspricht, basiert, detektiert.
  3. Verschiebungsmessverfahren, welches in einem Verschiebungsmessinstrument benutzt wird, umfassend: Eine Lichtquelle, welche zwei Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen emittiert, die eine multiplikative Beziehung aufweisen; ein Polarisationssplitter, welcher die Laserstrahlen, welche von der Lichtquelle emittiert werden, in Abhängigkeit von Polarisierungsrichtungen der Laserstrahlen so splittet, dass einer der gesplitteten Laserstrahlen zu einem optischen Messpfad in einer Richtung zu einem Zielobjekt abgestrahlt wird und der andere der gesplitteten Laserstrahlen zu einem optischen Referenzpfad in einer Richtung, verschieden von der Richtung des optischen Messpfads, abgestrahlt wird; ein Messlichtsplitter, welcher in dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um aus den zwei Laserstrahlen, welche verschiedene Wellenlängen haben, einen Langwellenlängenlaserstrahl zu reflektieren und einen Kurzwellenlängenlaserstrahl fortzuleiten; ein Langwellenlängenreflektor, welcher in dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um den Langwellenlängenlaserstrahl, welcher von dem Messlichtsplitter gesplittet ist, zu reflektieren; eine optische Messpfadlängenveränderungseinheit, welche in dem optischen Messpfad bereitgestellt wird, um eine optische Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls zu verändern; einen Messreflektor, welcher an dem Zielobjekt befestigt ist und entlang des optischen Messpfads verschiebbar ist, um den Kurzwellenlängenlaserstrahl zu reflektieren; ein Referenzreflektor, welcher in dem optischen Referenzpfad verschiebbar ist, um den Laserstrahl zu reflektieren; eine optische Referenzpfadlängenveränderungseinheit, welche in dem optischen Referenzpfad bereitgestellt ist, um eine optische Pfadlänge des Langwellenlängenlaserstrahls zu verändern; eine Licht überlagernde Einheit, welche die Laserstrahlen, welche von dem Messreflektor und dem Langwellenlängenreflektor in dem optischen Messpfad reflektiert sind, auf den Laserstrahl, welcher von dem Referenzreflektor in dem optischen Referenzpfad reflektiert ist, zu überlagern; und ein Detektor, welcher Interferenzwellen empfängt, die von den Laserstrahlen, welche durch die Licht überlagernde Ein heit überlagert werden, erzeugt werden, empfängt und Interferenzsignale ausgibt, welche den empfangenen Interferenzwellen entsprechen, wobei das Verschiebungsmessverfahren umfasst: Berechnen eines Summensignals eines Interferenzsignals, welches dem Langwellenlängenlaserstrahl entspricht, und eines Interferenzsignal, welches dem Kurzwellenlängenlaserstrahl entspricht, aus den Interferenzsignalen; Verschieben des Referenzreflektors, so dass eine Phase des Summensignals nicht verändert wird; Detektieren einer Verschiebung des Referenzreflektors; und Berechnen einer Verschiebung des Messreflektors anhand der Verschiebung des Referenzreflektors.
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