DE102021203126A1

DE102021203126A1 - Messeinrichtung zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz eines optischen Resonators oder einer damit zusammenhängenden Größe

Info

Publication number: DE102021203126A1
Application number: DE102021203126.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Harter; Heiner Zwickel; Matthias Hillenbrand; Alexander Vogler; Matthias Manger
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2022-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (18) zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz eines optischen Resonators (17) oder einer damit zusammenhängenden Größe. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung (18) weist einen Frequenzschieber (23) zum Aufmodulieren einer Frequenzverschiebung auf eine Referenzlichtstrahlung durch eine Wechselwirkung des Frequenzschiebers (23) mit der Referenzlichtstrahlung und eine Steuereinheit (24) zur Abstimmung der Frequenzverschiebung auf einen Resonanzzustand des optischen Resonators (17) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz eines optischen Resonators oder einer damit zusammenhängenden Größe. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Messsystem und ein Messverfahren. Zudem betrifft die Erfindung ein Beleuchtungssystem, ein Projektionssystem und eine Projektionsbelichtungsanlage der Mikrolithografie.
Ein optischer Resonator weist eine Vielzahl von Resonanzfrequenzen auf, die von den geometrischen Abmessungen, beispielsweise der Länge, des optischen Resonators und vom Brechungsindex im optischen Resonator abhängen. Durch Einspeisen von Licht variabler Frequenz kann der optische Resonator in einen seiner Resonanzzustände gebracht werden und durch eine Detektion des Resonanzzustands kann die dazu korrespondierende Resonanzfrequenz ermittelt werden. Aus der ermittelten Resonanzfrequenz kann dann wiederum beispielsweise die Länge des optischen Resonators oder der Brechungsindex im optischen Resonator ermittelt werden. Auf diese Weise kann ein optischer Resonator beispielsweise für Distanzmessungen eingesetzt werden.
Aus der DE 10 2018 208 147 A1 ist eine Messanordnung zur frequenzbasierten Positionsbestimmung einer Komponente, insbesondere in einem optischen System für die Mikrolithographie bekannt, die wenigstens einen optischen Resonator aufweist. Eine durchstimmbare Strahlungsquelle, die eine Einkoppelstrahlung zum Einkoppeln in den optischen Resonator erzeugt, wird auf die Resonanzfrequenz des optischen Resonators abgestimmt. Aus der Frequenz der Einkoppelstrahlung kann die Distanz zwischen den Resonatorspiegeln des optischen Resonators ermittelt werden.
Mit der bekannten Messanordnung lassen sich sehr präzise Messergebnisse erzielen. Allerdings ist hierfür ein durchstimmbarer Laser erforderlich. Sollen mehrere optische Resonatoren vermessen werden, so sind mehrere durchstimmbare Laser erforderlich. Dies kann mit einem erheblichen Aufwand verbunden sein. Außerdem ist es schwierig, mit einem durchstimmbaren Laser eine ähnlich gute Spezifikation zu erfüllen wie mit einem vergleichbaren Laser, der eine feste Frequenz aufweist. Zudem kann eine präzise Bestimmung der Frequenz der Einkoppelstrahlung beispielsweise mit Hilfe eines Frequenzkamms sehr aufwendig sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten zu vermeiden und insbesondere eine präzise Ermittlung einer Resonanzfrequenz eines optischen Resonators oder einer damit zusammenhängenden Größe mit vergleichsweise geringem Aufwand zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz eines optischen Resonators oder einer damit zusammenhängenden Größe mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung weist einen Frequenzschieber zum Aufmodulieren einer Frequenzverschiebung auf eine Referenzlichtstrahlung durch eine Wechselwirkung des Frequenzschiebers mit der Referenzlichtstrahlung und einer Steuereinheit zur Abstimmung der Frequenzverschiebung auf einen Resonanzzustand des optischen Resonators auf.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine Resonanzfrequenz eines optischen Resonators oder eine damit zusammenhängende Größe mit vergleichsweise geringem Aufwand sehr präzise ermittelt werden kann. Die Verwendung eines Frequenzschiebers zur nachträglichen Beeinflussung der Referenzlichtstrahlung erfordert einen geringeren Aufwand als beispielsweise ein durchstimmbarer Laser. Außerdem wird dadurch der Einsatz einer hochstabilen und sehr schmalbandigen Referenzlichtquelle mit einer festen Frequenz ermöglicht, was wiederum eine gute Ausgangsposition für eine präzise Messung ergibt.
Der Frequenzschieber kann so ausgebildet sein, dass die Referenzlichtstrahlung beim Passieren des Frequenzschiebers moduliert wird. Das bedeutet, dass man den Frequenzschieber einfach dadurch als Funktionskomponente hinzufügen kann, dass man ihn in den Strahlengang der Referenzlichtstrahlung bringt.
Der Frequenzschieber kann einen optischen Modulator zur Modulation der Referenzlichtstrahlung aufweisen. Insbesondere kann der Frequenzschieber einen elektrooptischen Modulator aufweisen. Ein derartiger Modulator ist mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar und kann in einfacher Weise mit elektrischen Signalen angesteuert werden.
Die Messeinrichtung kann mehrere Frequenzschieber aufweisen. Dadurch kann eine Redundanz gewährleistet werden und/oder es können mit derselben Messeinrichtung mehrere optische Resonatoren vermessen werden. Insbesondere kann die Messeinrichtung mehrere Frequenzschieber zum Aufmodulieren verschiedener Frequenzverschiebungen aufweisen.
Bei der mit der Resonanzfrequenz zusammenhängenden Größe kann es sich um eine Distanz handeln. Das eröffnet beispielsweise die Möglichkeit Positionen und Positionsveränderungen zu ermitteln. Weiterhin kann es sich bei der mit der Resonanzfrequenz zusammenhängenden Größe um eine optische Weglänge, einen Brechungsindex oder um eine weitere Messgröße handeln, die einer der vorigen Größen direkt oder indirekt beeinflusst wird. Diese Einflussgröße könnte beispielsweise die Temperatur, der Druck oder die Dehnung sein. Durch eine Funktionalisierung des optischen Resonators können durch dieses Messverfahren auch biologische Stoffe oder Gase detektiert werden.
Der Frequenzschieber kann so ausgebildet sein, dass er zur gleichen Zeit mehrere Frequenzverschiebungen auf die Referenzlichtstrahlung aufmoduliert. Das eröffnet die Möglichkeit für eine Reihe von Messoptionen durch die beispielsweise ein sehr großer Messbereich ohne Messunterbrechung zugänglich ist.
Die Steuereinheit kann zur Abstimmung mehrerer Frequenzverschiebungen auf je einen Resonanzzustand des optischen Resonators ausgebildet sein. Dadurch ist es beispielsweise möglich, absolute Messungen von Distanzen oder anderen Messgrößen durchzuführen und einen großen Messbereich unterbrechungsfrei abzudecken.
Die Messeinrichtung kann einen Detektor zur Detektion des Resonanzzustands des optischen Resonators aufweisen. Bei dem Detektor kann es sich um einen Lichtdetektor, insbesondere um eine Fotodiode handeln. Der Detektor kann so ausgebildet sein, dass er Licht vom optischen Resonator detektiert. Insbesondere kann der Detektor vom optischen Resonator reflektiertes Licht detektieren. Es ist auch möglich, dass die Messeinrichtung mehrere Detektoren zur Detektion je wenigstens eines Resonanzzustands je eines optischen Resonators aufweist.
Die Steuereinheit kann eine digitale elektronische Schaltung aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass eine Realisierung mit einem vergleichsweise geringen Aufwand möglich ist. Die digitale elektronische Schaltung kann so ausgebildet sein, dass sie ein elektrisches Signal erzeugt, das der Frequenzverschiebung entspricht. Dabei kann das elektrische Signal eine Wechselspannung mit einer der Frequenzverschiebung entsprechenden Frequenz aufweisen. Die digitale elektronische Schaltung kann insbesondere als ein Field Programmable Gate Array ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil einer kostengünstigen Realisierung, die sehr spezifisch an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann.
Die Steuereinheit kann weiterhin wenigstens eine analoge elektronische Schaltung aufweisen. Mit einer analogen elektronischen Schaltung lassen sich sehr hohe Bandbreiten und sehr geringe Verzögerungen realisieren. Die analoge elektronische Schaltung kann so ausgebildet sein, dass sie eine Wechselspannung mit einer der Frequenzverschiebung entsprechenden Frequenz erzeugt. Es ist auch möglich, dass die Steuereinheit mehrere analoge elektronische Schaltungen aufweist, die eine identische Schaltungsstruktur besitzen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn zur gleichen Zeit mehrere Frequenzverschiebungen erzeugt werden sollen. Dann kann mit je einer elektronischen Schaltung je eine Frequenzverschiebung erzeugt werden. Weiterhin kann die Steuereinheit eine digitale elektronische Schaltung zur Ansteuerung der wenigstens einen analogen elektronischen Schaltung aufweisen. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, eine digitale Schaltung mit einer niedrigeren Bandbreite als die wenigstens eine analoge elektronische Schaltung vorzusehen.
Der Frequenzschieber und/oder die Steuereinheit und/oder der Detektor können als ein Bestandteil eines elektronisch und/oder photonisch integrierten Schaltkreises ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine sehr kompakte und kostengünstige Realisierung. Dieser Vorteil kommt in besonderem Maß dann zum Tragen, wenn wenigstens eine der genannten Komponenten mehrfach vorhanden ist. Insbesondere kann die gesamte Messeinrichtung als ein photonisch integrierter Schaltkreis ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messsystem mit einem optischen Resonator und einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung. Das Messsystem kann auch mehrere optische Resonatoren aufweisen. Dies eröffnet die Möglichkeit von Redundanzen oder der Ermittlung mehrerer Messgrößen.
Das Messystem kann weiterhin eine Referenzlichtquelle zur Erzeugung der Referenzlichtstrahlung aufweisen und die Messeinrichtung kann im Strahlengang zwischen der Referenzlichtquelle und dem optischen Resonator angeordnet sein. Dabei kann die Referenzlichtquelle insbesondere als ein hochstabiler Laser ausgebildet sein, der bei einer konstanten Frequenz arbeitet. In der Regel hat ein hochstabiler Laser bessere Rauscheigenschaften als ein durchstimmbarer Laser und weist eine geringe Linienbreite auf. Dadurch kann eine sehr hohe Genauigkeit beispielsweise bei der Distanzmessung erzielt werden. Außerdem ändert sich die Frequenz des Lasers allenfalls sehr langsam, so dass lange Integrationszeiten und dadurch eine hochgenaue Bestimmung der Referenzlichtquelle möglich ist. Dies führt ebenfalls zu einer hohen Genauigkeit. Zusätzlich treten bei hochstabilen Lasern keine Moden-Sprünge auf, die bei durchstimmbaren Lasern zu Ungenauigkeiten in der Messung führen können.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass das Messsystem für die Ermittlung einer Messgröße ausgebildet ist und einen optischen Resonator aufweist, dessen Resonanzzustand nicht von dieser Messgröße abhängt. Mit einem derartigen optischen Resonator können Schwankungen der Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Änderungen des Brechungsindex, des Drucks oder der Temperatur kompensiert werden. Hierzu kann dieser optische Resonator den gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, denen auch der optische Resonator zur Ermittlung der Messgröße ausgesetzt ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messverfahren zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz eines optischen Resonators oder einer damit zusammenhängenden Größe. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Referenzlichtstrahlung mit einer Frequenzverschiebung moduliert, die modulierte Lichtstrahlung in den optischen Resonator eingespeist und die Frequenzverschiebung so auf den optischen Resonator abgestimmt, dass der optische Resonator in einen Resonanzzustand versetzt wird.
Das erfindungsgemäße Messverfahren liefert äußerst präzise Messergebnisse und ist sehr vielseitig einsetzbar. Mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren können beispielsweise Positionskoordinaten von optischen Elementen einer Projektionsbelichtungsanlage der Mikrolithografie, insbesondere der EUV- Mikrolithografie, ermittelt werden. Die für diese Ermittlung verwendete Resonanzfrequenz kann aus der Frequenz der Referenzlichtstrahlung vor der Durchführung der Modulation und der Frequenzverschiebung im Resonanzzustand ermittelt werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Messverfahrens kann die Abstimmung der Frequenzverschiebung so geändert werden, dass der optische Resonator von einem ersten Resonanzzustand, der durch eine erste Schwingungsordnung charakterisiert ist, in einen zweiten Resonanzzustand überführt wird, der durch eine zweite Schwingungsordnung charakterisiert ist, die sich von der ersten Schwingungsordnung unterscheidet. Mit dieser Vorgehensweise lässt sich ein sehr großer Messbereich realisieren, der weit über den Bereich hinausgeht, welcher ohne Änderung der Schwingungsordnung innerhalb der Bandbreite der Messeinrichtung zur Verfügung steht.
Die Referenzlichtstrahlung kann mit mehreren Frequenzverschiebungen moduliert werden, die so auf den optischen Resonator abgestimmt werden, dass der optische Resonator in mehrere Resonanzzustände versetzt wird. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass eine Ermittlung absoluter Werte für die Messgröße möglich ist. Insbesondere kann der optische Resonator zur gleichen Zeit mit mehreren Frequenzverschiebungen moduliert werden.
Insbesondere ist es auch möglich, dass die Referenzlichtstrahlung mit mehreren Frequenzverschiebungen moduliert wird, die so auf den optischen Resonator abgestimmt werden, dass der optische Resonator in mehrere Resonanzzustände versetzt wird und die Abstimmung einer der Frequenzverschiebungen auf den optischen Resonator innerhalb eines Zeitraums beibehalten wird, innerhalb dessen die Abstimmung einer anderen der Frequenzverschiebungen auf den optischen Resonator so geändert wird, dass der optische Resonator vom ersten Resonanzzustand in den zweiten Resonanzzustand überführt wird. Auf diese Weise ist eine unterbrechungsfreie Messung über einen großen Messbereich möglich.
Weiterhin können der Referenzstrahlung Seitenbänder aufmoduliert werden, mit deren Hilfe ermittelt wird, wie die Frequenzverschiebung auszubilden ist. Die Seitenbänder können der Referenzstrahlung ebenfalls mit Hilfe des Frequenzschiebers aufmoduliert werden. Die Seitenbänder können als Seitenbänder relativ zur Frequenzverschiebung ausgebildet sein und sich bzgl. ihrer Frequenz so stark von der Frequenzverschiebung unterscheiden, dass die Beeinflussung ihre Phasenlage durch den Resonanzzustand des optischen Resonators bei der Ermittlung der Frequenzverschiebung vernachlässigt werden kann. Insbesondere kann die Frequenzverschiebung mit Hilfe des Pound-Drever-Hall-Verfahrens ermittelt werden. Die Verwendung der Seitenbänder hat den Vorteil, dass ein zielgerichtetes Auffinden der Resonanzzustände des optischen Resonators möglich ist, da mit Hilfe der Seitenbänder ermittelt werden kann, ob die Frequenzverschiebung vergrößert oder verkleinert werden muss, um zu einem Resonanzzustand zu gelangen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Beleuchtungssystem der Mikrolithographie, ein Projektionssystem der Mikrolithographie und eine Projektionsbelichtungsanlage der Mikrolithographie, die jeweils das erfindungsgemäße Messsystem aufweisen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen

1 ein Ausführungsbeispiel einer Projektionsbelichtungsanlage für die EUV-Lithographie in einer schematischen Darstellung,
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung von Messungen am optischen Resonator,
3 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in 2 dargestellten Anordnung,
4 eine vereinfachte Funktionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels des Frequenzschiebers,
5 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Abwandlung der in 2 dargestellten Anordnung,
6 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Messprinzips, bei dem eine Abstimmung der Messeinrichtung auf mehrere Resonanzzustände des optischen Resonators vorgesehen ist,
7 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer speziellen Ausgestaltung der in 2 dargestellten Anordnung,
8 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Abwandlung der in 7 dargestellten Anordnung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Projektionsbelichtungsanlage 1 für die EUV-Lithographie in einer schematischen Darstellung.
Die Projektionsbelichtungsanlage 1 weist ein Strahlerzeugungssystem 2, ein Beleuchtungssystem 3 und ein Projektionssystem 4 auf.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Strahlerzeugungssystem 2 ein einen Innenraum des Strahlerzeugungssystems 2 zumindest bereichsweise umschließendes erstes Gehäuse 5, das Beleuchtungssystem 3 ein einen Innenraum des Beleuchtungssystems 3 zumindest bereichsweise umschließendes zweites Gehäuse 6 und das Projektionssystem 4 ein einen Innenraum des Projektionssystems 4 zumindest bereichsweise umschließendes drittes Gehäuse 7 auf. Das erste Gehäuse 5, das zweite Gehäuse 6 und/oder das dritte Gehäuse 7 sind jeweils als Teilgehäuse eines hier nur vereinfacht dargestellten Gesamtgehäuses 8 der Projektionsbelichtungsanlage 1 ausgebildet.
Die Projektionsbelichtungsanlage 1, insbesondere das Gesamtgehäuse 8 oder die das Gesamtgehäuse 8 bildenden Teilgehäuse 5, 6, 7 wird/werden unter Vakuumbedingungen betrieben.
Das Strahlerzeugungssystem 2 weist eine EUV-Lichtquelle 9 und einen Kollektorspiegel 10 auf. Die EUV-Lichtquelle 9 emittiert EUV-Licht, das beispielsweise eine Wellenlänge zwischen 5 nm und 30 nm aufweist. Das EUV-Licht wird vom Kollektorspiegel 10 gebündelt und anschließend in das Beleuchtungssystem 3 geleitet.
Das Beleuchtungssystem 3 weist wenigstens ein erstes optisches Element 11 und ein zweites optisches Element 12 auf. Die optischen Elemente 11, 12 können jeweils als Spiegel oder Spiegelelemente ausgebildet sein und lenken das in das Beleuchtungssystem 3 eingeleitete EUV-Licht auf eine Maske 13, die auch als Retikel bezeichnet wird. Die Maske 13 weist eine Struktur auf, die mittels des Projektionssystems 4 in verkleinertem Maßstab auf einen Wafer 14 oder ein sonstiges Substrat abgebildet wird. Hierzu weist das Projektionssystem 4 ein drittes optisches Element 15 und ein viertes optisches Element 16 auf. Die optischen Elemente 15, 16 können ebenfalls jeweils als Spiegel oder Spiegelelemente ausgebildet sein. Das Projektionssystem 4 kann noch weitere optische Elemente aufweisen, die nicht figürlich dargestellt sind und in entsprechender Weise wie das dritte optische Element 15 und das vierte optische Element 16 ausgebildet sein können. Ebenso kann auch das Beleuchtungssystem 3 noch weitere optische Elemente aufweisen, die nicht figürlich dargestellt sind und in entsprechender Weise wie das erste optische Element 11 und das zweite optische Element 12 ausgebildet sein können.
Die Projektionsbelichtungsanlage 1 weist weiterhin einen optischen Resonator 17, eine Messeinrichtung 18, eine Referenzlichtquelle 19 und einen Lichtleiter 20 auf. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der optische Resonator 17 innerhalb des dritten Gehäuses 7 angeordnet. Die Messeinrichtung 18 und die Referenzlichtquelle 19 sind außerhalb des dritten Gehäuses 7 und auch außerhalb des Gesamtgehäuses 8 angeordnet. Über den Lichtleiter 20, der als eine optische Faser, insbesondere als eine Glasfaser ausgebildet sein kann, ist der optische Resonator 17 mit der Messeinrichtung 18 optisch verbunden. Je nach vorhandenem Bauraum und sonstigen Randbedingungen kann auch eine andere Anordnung dieser Komponenten vorgesehen sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, zusätzlich zum optischen Resonator 17 auch die Messeinrichtung 18 innerhalb des dritten Gehäuses 7 anzuordnen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der optische Resonator 17 auf der Rückseite des dritten optischen Elements 15, d. h. auf der vom einfallenden EUV-Licht abgewandten Seite des dritten optischen Elements 15, angeordnet. Die Rückseite des dritten optischen Elements 15 oder eine daran angebrachte Komponente ist als ein Funktionselement in den optischen Resonator 17 derart eingebunden, dass eine Positionsänderung des dritten optischen Elements 15 eine Änderung einer Abmessung des optischen Resonators 17 zur Folge hat, die für seine Resonanzfrequenz maßgeblich ist. Der optische Resonator 17 ist so ausgebildet, dass diese Änderung der Abmessung möglich ist. Der in 1 dargestellte Block mit dem Bezugszeichen 17 dient lediglich der Repräsentation des optischen Resonators 17 und stellt nicht dessen tatsächliche geometrische Ausbildung dar. Beispielsweise kann der optische Resonator 17 analog zur DE 10 2012 212 663 A1 als ein Fabry-Perot-Resonator mit zwei Resonatorspiegeln ausgebildet sein. Dabei kann der eine Resonatorspiegel an einem Referenzelement in Form eines mit dem dritten Gehäuse 7 fest verbundenen Messrahmens und der andere Resonatorspiegel am dritten optischen Element 15 befestigt sein. Ebenso ist es auch möglich, bei der Ausbildung des optischen Resonators 17 das in der WO 2019/223968 A1 offenbarte Konzept zu nutzen, durch Platzierung eines Umkehrspiegels die von einem Messstrahl im optischen Resonator 17 zurückzulegende Strecke wiederholt zu durchlaufen. Unter Ausnutzung des Prinzips der Umkehrbarkeit des Lichtweges wird auf diese Weise sichergestellt, dass laterale Verschiebungen oder Verkippungen des dritten optischen Elements 15, welche nicht allein in Messrichtung wirken, bei der frequenzbasierten Positionsbestimmung nicht wirksam werden bzw. ohne Auswirkungen auf das Messergebnis bleiben
Bei einer Positionsänderung des dritten optischen Elements 15 und der damit verbundenen Änderung einer Abmessung des optischen Resonators 17 kommt es zu einer Verstimmung des optischen Resonators 17, die mit Hilfe der Messeinrichtung 18 und der Referenzlichtquelle 19 auf die im Folgenden noch näher erläuterte Weise ermittelt werden kann. Aus der Verstimmung kann dann wiederum eine Koordinate oder die Änderung einer Koordinate des dritten optischen Elements 15 ermittelt werden. Wenn man für jeden Freiheitsgrad des dritten optischen Elements 15 je einen optischen Resonator 17 vorsieht, ist es sogar möglich, die räumliche Lage des dritten optischen Elements 15 zu ermitteln. Die ermittelten Werte können mit zugehörigen Sollwerten verglichen werden. Falls der Vergleich unzulässig große Abweichungen von den Sollwerten ergibt, können die Abweichungen durch eine darauf abgestimmte Lageänderung des dritten optischen Elementes 15 eliminiert oder zumindest reduziert werden. Die Lageänderung des dritten optischen Elementes 15 kann mit Hilfe von nicht figürlich dargestellten Manipulatoren durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann auf der Rückseite des ersten optischen Elements 11, des zweiten optischen Elements 12 oder des vierten optischen Elements 16 wenigstens ein optischer Resonator 17 angeordnet werden. In entsprechender Weise sind dann auch jeweils eine zusätzliche Messeinrichtung 18 und eine zusätzliche Referenzlichtquelle 19 vorzusehen oder die vorhandene Messeinrichtung 18 ist so auszubilden, dass sie mehrere optische Resonatoren 17 vermessen kann. Dann ist es möglich auf die vorstehend beschriebene Weise wenigstens eine Koordinate des ersten optischen Elements 11, des zweiten optischen Elements 12 oder des vierten optischen Elements 16 zu ermitteln und abhängig vom ermittelten Ergebnis zu beeinflussen.
2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung von Messungen am optischen Resonator 17. Lichtpfade und Pfade elektrischer Signale sind jeweils durch Pfeile dargestellt.
Die Anordnung enthält die bereits in 1 gezeigten Komponenten, nämlich den optischen Resonator 17, die Messeinrichtung 18 und die Referenzlichtquelle 19. Der Lichtleiter 20 ist nicht zwingend erforderlich, wenn eine direkte Sichtverbindung zwischen der Messeinrichtung 18 und dem optischen Resonator 17 besteht oder auf andere Weise Licht von der Messeinrichtung 18 zum optischen Resonator 17 und vom optischen Resonator 17 zur Messeinrichtung 18 gelangen kann.
Der optische Resonator 17 kann beispielsweise eine erste teilreflektierende Fläche 21 und eine zweite teilreflektierende Fläche 22 aufweisen, die in einer Distanz D voneinander angeordnet sind und parallel zueinander ausgerichtet sind. Es sind auch andere Ausführungsformen wie beispielsweise als ein Faser-Bragg-Gitter, ein Ringresonator usw. möglich. Die Distanz D wird im Folgenden auch als Länge des optischen Resonators 17 bezeichnet und legt die Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 fest. Der Index q dient dabei der Nummerierung der zu den verschiedenen Resonanzzuständen des optischen Resonators 17 korrespondierenden Schwingungsordnungen. Beispielsweise über die erste teilreflektierende Fläche 21 kann Licht der Wellenlänge λ und der Frequenz f in den optischen Resonator 17 eingekoppelt werden. Wenn die Länge D des optischen Resonators 17 ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge λ des eingekoppelten Lichts beträgt, bildet sich eine stehende Welle aus und es kommt zur Resonanz. Für die Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 gilt bei Vernachlässigung der Guoy-Phase: $ƒ_{q} = q \cdot \frac{c}{2 n D}$
Dabei ist c die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und n der Brechungsindex im Inneren des optischen Resonators 17. Über eine Ermittlung einer der Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 lässt sich somit das Produkt aus dessen Länge D und dem Brechungsindex n ermitteln, das im Folgenden auch als optische Weglänge bezeichnet wird. Falls der Brechungsindex n bekannt ist, kann auch die Länge D ermittelt werden. Bei der in 1 dargestellten Anordnung ist der optische Resonator 17 innerhalb des dritten Gehäuses 7 angeordnet, das im Betriebszustand der Projektionsbelichtungsanlage 1 evakuiert ist. Somit ist der Brechungsindex n bekannt und weist den Wert 1 auf.
Bei Anwendungsfällen, bei denen die Länge D des optischen Resonators 17 bekannt ist, kann über die Ermittlung einer der Resonanzfrequenzen f_q der Brechungsindex n im Inneren des optischen Resonators 17 ermittelt werden. Über den Umweg des Brechungsindex n kann auch die Temperatur des umgebenden Mediums bestimmt werden, falls der Brechungsindex n mit der Temperatur in einer bekannten Weise variiert. In gleicher Weise können dadurch auch weitere Messgrößen wie beispielsweise Druck, Dehnung, biologische Stoffe oder Gase gemessen werden.
Die Referenzlichtquelle 19 kann als ein hochstabiler Laser ausgebildet sein, der mit hoher Präzision Licht einer definierten Frequenz f₀ erzeugt und somit eine geringe Linienbreite aufweist und sehr rauscharm ist. Dies ermöglicht eine sehr genaue Messung der Länge D des optischen Resonators 17. Die Frequenz f₀ des Lasers ist zeitlich konstant, d. h. sie variiert nicht oder lediglich sehr langsam innerhalb eines zulässigen Fehlerbereichs mit der Zeit. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines hochstabilen Referenzresonators und durch Einspeisung eines GPS-Signals erreicht werden und erlaubt lange Integrationszeiten bei der Bestimmung der Frequenz f₀ des Lasers und somit sehr genaue Messergebnisse.
Im Strahlengang zwischen der Referenzlichtquelle 19 und dem optischen Resonator 17 ist die Messeinrichtung 18 angeordnet. Die Messeinrichtung 18 weist einen Frequenzschieber 23, eine Steuereinheit 24, einen Lichtdetektor 25 und einen Zirkulator 26 auf. Der Zirkulator 26 kann beispielsweise mittels eines Faraday-Rotators realisiert werden. Ebenfalls ist es auch möglich, den Zirkulator 26 durch einen optischen Koppler nachzubilden.
Der Frequenzschieber 23 bildet einerseits einen optischen Eingang der Messeinrichtung 18 aus und ist andererseits optisch mit dem Zirkulator 26 verbunden. Der Zirkulator 26 bildet einen kombinierten optischen Ein-/Ausgang der Messeinrichtung 18 aus und ist weiterhin optisch mit dem Lichtdetektor 25 verbunden. Der Lichtdetektor 25 ist elektrisch mit der Steuereinheit 24 verbunden, die wiederum elektrisch mit dem Frequenzschieber 23 verbunden ist.
Beim Betrieb der in 2 dargestellten Anordnung wird eine Referenzlichtstrahlung, die von der Referenzlichtquelle 19 erzeugt wird, in den Frequenzschieber 23 eingespeist. Der Frequenzschieber 23 moduliert die eingespeiste Referenzlichtstrahlung in einer im Folgenden noch näher beschriebenen Weise und leitet das so erzeugte modulierte Licht an den Zirkulator 26 weiter. Der Zirkulator 26 gibt das modulierte Licht an den optischen Resonator 17 aus und empfängt vom optischen Resonator 17 reflektiertes Licht. Dieses reflektierte Licht leitet der Zirkulator 26 an den Lichtdetektor 25 weiter. Der Lichtdetektor 25 detektiert das empfangene Licht und erzeugt abhängig vom detektierten Licht ein elektrisches Signal. Hierzu kann der Lichtdetektor 25 beispielsweise als eine Fotodiode ausgebildet sein. Das elektrische Signal leitet der Lichtdetektor 25 an die Steuereinheit 24 weiter. Die Steuereinheit 24 erzeugt aus dem empfangenen elektrischen Signal ein elektrisches Steuersignal und leitet das elektrische Steuersignal an den Frequenzschieber 23 weiter. Hierzu kann die Steuereinheit 24 rein digital, beispielsweise als ein Field Programmable Gate Array, kurz FPGA, ausgebildet sein. Das analoge Signal des Lichtdetektors 25 muss dafür entweder durch den FPGA oder durch einen nicht figürlich dargestellten A/D-Wandler in ein digitales Signal gewandelt werden. Das für die Ansteuerung des Frequenzschiebers 23 benötigte analoge Steuersignal in Form einer elektrischen Wechselspannung kann durch eine D/A-Wandlung vom FPGA bereitgestellt werden oder es kann in der Steuereinheit 24 ein nicht figürlich dargestellter D/A-Wandler als eine weitere Komponente enthalten sein. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass die Steuereinheit 24 analoge Komponenten zur Erzeugung des Steuersignals aufweist und einen FPGA zur Ansteuerung der analogen Komponenten. Dies wird im Folgenden anhand der 7 und 8 noch näher beschrieben.
Vereinfacht dargestellt beruht das Funktionsprinzip der in 2 gezeigten Anordnung darauf, dass die Frequenz der von der Referenzlichtquelle 19 erzeugten Referenzlichtstrahlung beim Passieren des Frequenzschiebers 23 so verschoben wird, dass sie mit einer der Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 übereinstimmt und diesen in einen Resonanzzustand versetzt. Aus der bekannten Frequenz f₀, mit der die Referenzstrahlung die Referenzlichtquelle 19 verlässt und einer vom Frequenzschieber 23 erzeugten Frequenzverschiebung Δf kann eine der Resonanzfrequenzen f_q und damit die Länge des optischen Resonators 17 ermittelt werden: $ƒ_{q} = ƒ_{0} + Δ ƒ$
Die Frequenz f₀ der Referenzlichtquelle 19 wird bei dieser Vorgehensweise mit hoher Präzision unverändert beibehalten und die Abstimmung auf eine der Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 erfolgt über eine Variation der Frequenzverschiebung Δf mit Hilfe des Frequenzschiebers 23. Bei einer Änderung der Länge D des optischen Resonators 17 wird die damit einhergehende Änderung der Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 durch den Frequenzschieber 23 ausgeglichen und aus der dafür erforderlichen Nachführung der Frequenzverschiebung Δf die Änderung der Länge D ermittelt.
Details der Funktionsweise der in 2 dargestellten Anordnung werden anhand von 3 erläutert.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in 2 dargestellten Anordnung.
Der Durchlauf des Ablaufdiagramm startet mit einem Schritt S1, bei dem die in 2 dargestellte Anordnung in Betrieb genommen wird. Dabei wird die Referenzlichtquelle 19 in Betrieb genommen, so dass diese mit hoher Präzision Referenzlichtstrahlung der bekannten Frequenz f₀ erzeugt und die Messeinrichtung 18 mit der erzeugten Referenzlichtstrahlung bestrahlt. Die Komponenten der in 2 dargestellten Anordnung sind so ausgelegt, dass die Frequenz f₀ der Referenzlichtquelle 19 in der Nähe einer der erwarteten Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 liegt. Die Frequenz f₀ der Referenzlichtquelle 19 ist zeitlich konstant und ändert sich während des gesamten im Folgenden geschilderten Ablaufs nicht. Außerdem wird im Schritt S1 die Messeinrichtung 18 in Betrieb genommen, wobei auch die Betriebsparameter der Messeinrichtung 18 initialisiert werden.
An Schritt S1 schließt sich ein Schritt S2 an, bei dem der Frequenzschieber 23 von der Steuereinheit 24 so angesteuert wird, dass die Frequenz der Referenzlichtstrahlung beim Passieren des Frequenzschiebers 23 um die Frequenzverschiebung Δf relativ zur Frequenz f₀ der Referenzlichtquelle 19 verschoben wird. Hierzu wird dem Frequenzschieber 23 eine Wechselspannung mit einer Frequenz zugeführt, die mit der gewünschten Frequenzverschiebung Δf übereinstimmt. Die Verschiebung der Frequenz wird durch eine Modulation der Referenzlichtstrahlung mit Hilfe des Frequenzschiebers 23 erzeugt, der hierfür beispielsweise einen elektrooptischen Modulator aufweist. Ein geeigneter Wert für die Frequenzverschiebung Δf wird beim weiteren Durchlaufen des Ablaufdiagramms ermittelt. Beim erstmaligen Ausführen des Schritts S2 wird für die Frequenzverschiebung Δf ein im Rahmen der Initialisierung zugewiesener Wert verwendet.
Auf Schritt S2 folgt ein Schritt S3, bei dem das modulierte Licht über den Zirkulator 26 in den optischen Resonator 17 eingespeist wird. Abhängig davon, ob die Frequenz des eingespeisten Lichts mit einer der Resonanzfrequenzen f_q übereinstimmt, kommt es im optischen Resonator 17 zu einer Resonanz oder es kommt zu keiner Resonanz.
Auf Schritt S3 folgt ein Schritt S4, bei dem vom optischen Resonator 17 reflektiertes Licht über den Zirkulator 26 dem Lichtdetektor 25 zugeführt und vom Lichtdetektor 25 detektiert wird. Der Zirkulator 26 ist somit in der Lage, einerseits dem optischen Resonator 17 Licht vom Frequenzschieber 23 zuzuführen und andererseits vom optischen Resonator 17 reflektiertes Licht dem Lichtdetektor 25 zuzuführen. Das vom optischen Resonator 17 reflektierte Licht enthält Informationen darüber, ob sich der optische Resonator 17 in einem Resonanzzustand befindet. Der Lichtdetektor 25 erzeugt ein elektrisches Detektorsignal und gibt dieses an die Steuereinheit 24 aus.
Nach Schritt S4 wird ein Schritt S5 ausgeführt, bei dem die Steuereinheit 24 aus dem elektrischen Detektorsignal ermittelt, ob sich der optische Resonator 17 in einem Resonanzzustand befindet. Im Resonanzzustand ist die Intensität des vom optischen Resonator 17 reflektierten Lichts minimal und steigt ausgehend von der jeweiligen Resonanzfrequenz f_q zu kleineren und zu größeren Frequenzen an. Demgemäß weist auch das vom Lichtdetektor 25 detektierte Signal bei der jeweiligen Resonanzfrequenz f_q ein Minimum auf. Wenn das detektierte Signal um weniger als eine Maximalabweichung über dem Minimum liegt, wird angenommen, dass sich der optische Resonator 17 in einem Resonanzzustand befindet. Falls nicht bekannt ist, welchen Wert das Minimum des detektierten Signals aufweist, kann alternativ die Steigung des Signals abhängig von der Frequenz ermittelt werden und auf einen Resonanzzustand geschlossen werden, wenn die Steigung einen Schwellwert unterschreitet.
Falls im Schritt S5 festgestellt wird, dass ein Resonanzzustand vorliegt, wird der Wert der Frequenzverschiebung Δf unverändert beibehalten und es schließt sich an Schritt S5 ein Schritt S6 an. In Schritt S6 wird die Frequenz des in den optischen Resonator 17 eingespeisten Lichts oder eine damit zusammenhängende Größe, wie beispielsweise die Länge D des optischen Resonators 17 von der Steuereinheit 24 zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt. Diese weitere Verwendung kann beispielsweise in der Ansteuerung eines Manipulators zur Veränderung einer Koordinate, die mit der Länge D des optischen Resonators 17 korrespondiert, bestehen.
Andernfalls, d. h., wenn in Schritt S5 kein Resonanzzustand festgestellt wird, schließt sich an Schritt S5 ein Schritt S7 an. In Schritt S7 ermittelt die Steuereinheit 24, wie stark die Frequenz des in den optischen Resonator 17 eingespeisten Lichts vergrößert oder verkleinert werden und demgemäß die Frequenzverschiebung Δf angepasst werden muss, damit die Frequenz des eingespeisten Lichts voraussichtlich mit einer der Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 übereinstimmt. Den Betrag der Anpassung der Frequenzverschiebung Δf kann die Steuereinheit 24 aus der bekannten Resonanzkurve, d. h. der Abhängigkeit der Intensität des vom optischen Resonator 17 reflektierten Lichts von der Frequenz des in den optischen Resonator 17 eingespeisten Lichts, ermitteln. Da diese Abhängigkeit aber bzgl. der jeweiligen Resonanzfrequenz f_q symmetrisch verläuft, kann auf diese Weise nicht ermittelt werden, ob die Frequenzverschiebung Δf um den ermittelten Anpassungsbetrag vergrößert oder verkleinert werden muss, um den optischen Resonator 17 in einen Resonanzzustand zu versetzen.
Allerdings ist der Phasenverlauf des vom optischen Resonator 17 reflektierten Lichts nicht symmetrisch zur jeweiligen Resonanzfrequenz f_q, so dass aus der Phase des vom optischen Resonator 17 reflektierten Lichts ermittelt werden kann, ob die Frequenz des in den optischen Resonator 17 eingespeisten Lichts unterhalb oder oberhalb der jeweiligen Resonanzfrequenz f_q liegt. Aus diesem Grund wird im Rahmen der in Schritt S2 durchgeführten Modulation der Referenzlichtstrahlung beim Passieren des Frequenzschiebers 23 nicht nur die Frequenz der Referenzlichtstrahlung verschoben, sondern es werden der Referenzlichtstrahlung auch Seitenbänder beidseits der verschobenen Frequenz aufmoduliert. Die Seitenbänder weisen einen so großen Frequenzabstand zur verschobenen Frequenz des Lichts auf, dass ihre Phasen im Gegensatz zur verschobenen Frequenz keine Frequenzabhängigkeiten zeigen, wenn sich die verschobene Frequenz einer der Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 annähert. Somit können die Seitenbänder als Referenz zur Ermittlung der Phase der verschobenen Frequenz verwendet werden. Aus der ermittelten Phase der verschobenen Frequenz kann abgeleitet werden, ob oberhalb oder unterhalb der derzeitigen verschobenen Frequenz des Lichts mit der Resonanz des optischen Resonators 17 zu rechnen ist. Demgemäß kann die Frequenzverschiebung Δf um den ermittelten Anpassungsbetrag vergrößert oder verkleinert werden.
Ein mögliches Prinzip der Implementierung ist bereits für die Abstimmung eines frequenzvariablen Lasers auf eine der Resonanzfrequenzen f_q eines optischen Resonators 17 bekannt und wird als Pound-Drever-Hall-Verfahren bezeichnet. Im Unterschied zum üblichen Pound-Drever-Hall-Verfahren wird im Rahmen der Erfindung allerdings nicht die Frequenz f₀ der Referenzlichtquelle 19 verändert. Stattdessen ist der Referenzlichtquelle 18 der Frequenzschieber 23 optisch nachgeschaltet, der die Referenzlichtstrahlung, die stets mit der gleichen Frequenz f₀ von der Referenzlichtquelle 19 emittiert wird, nachträglich verändert, sodass defacto der Frequenzschieber 23 auf den optischen Resonator 17 abgestimmt wird.
Sowohl auf Schritt S6 als auch auf Schritt S7 folgt ein Schrift S8, bei dem geprüft wird, ob die Messung beendet werden soll. Im Falle eines negativen Ergebnisses, d. h. falls die Messung fortgesetzt werden soll, schließt sich an Schritt S 8 wieder der Schritt S2 an und das Ablaufdiagramm wird wieder in der beschriebenen Weise durchlaufen. Andernfalls ist der Durchlauf des Ablaufdiagramms abgeschlossen.
Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise führt dazu, dass die Frequenzverschiebung Δf auch bei einer Änderung der Länge D des optischen Resonators 17 fortwährend so eingestellt wird, dass sich der optische Resonator 17 in einem Resonanzzustand befindet. Folglich kann mit Hilfe des aktuellen Werts für die Frequenzverschiebung Δf jeweils der aktuelle Wert für die Länge D oder zumindest für die Änderung der Länge D des optischen Resonators 17 ermittelt werden.
Wenn nicht bekannt ist, um welchen Resonanzzustand es sich handelt, d. h. welchen Wert der Index q der korrespondierenden Schwingungsordnung aufweist, verbleibt bei der Ermittlung der optischen Weglänge nD oder der Länge D des optischen Resonators 17 eine Mehrdeutigkeit. Diese Mehrdeutigkeit kann beispielsweise dadurch eliminiert werden, dass mit einer bekannten optischen Weglänge nD oder Länge D des optischen Resonators 17 gestartet wird und dann die Schwingungsordnung ermittelt und für weitere Messungen beibehalten wird.
Wenn lediglich kleine Änderungen δD der Länge D des optischen Resonators 17 ermittelt werden sollen, so ist dies näherungsweise auch ohne eine Kenntnis der Schwingungsordnung möglich. Es gilt dann näherungsweise: $\frac{δ ƒ_{q}}{δ D} = \frac{δ Δ ƒ}{δ D} = - \frac{ƒ_{q}}{D}$
Dabei ist δf_q die mit der Änderung δD der Länge D des optischen Resonators 17 einhergehende Änderung der Resonanzfrequenz f_q für die Schwingungsordnung mit dem Index q. Es ist nicht erforderlich, dass der Wert des Index q selbst bekannt ist. δΔf bezeichnet die korrespondierende Änderung der Frequenzverschiebung Δf.
Durch einfache Umformung ergibt sich: $δ D = - D \frac{δ Δ ƒ}{ƒ_{q}}$
In analoger Weise kann auch bei der Ermittlung kleiner Änderungen δn des Brechungsindex n vorgegangen werden, wenn die Länge D des optischen Resonators 17 gleich bleibt.
4 zeigt eine vereinfachte Funktionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels des Frequenzschiebers 23.
Insgesamt führt der Frequenzschieber 23 eine Multiplikation des komplexen elektrischen Feldes E des von der Referenzlichtquelle 19 erzeugten Lichts mit einem komplexen elektrischen Signal s(t) durch. Dabei gilt: $\underline{E} = e^{j 2 π ƒ_{0} t},$
wobei j die imaginäre Einheit und t die Zeit repräsentieren.
Für den zugehörigen Realteil ℜ gilt: $ℜ {e^{j 2 π ƒ_{0} t}} = cos (2 π ƒ_{0} t)$
Weiterhin gilt für das komplexe elektrische Signal s(t): $\underline{s} (t) = s_{I} (t) + j s_{Q} (t)$
Bei einer reinen Verschiebung der Frequenz um die Frequenzverschiebung Δf ergibt sich zudem: $\underline{s} (t) = e^{j 2 π Δ ƒ t}$
Im Einzelnen wird die Funktionalität des Frequenzschiebers 23 auf die folgende Weise realisiert:

Der Frequenzschieber 23 weist einen Strahlteiler 27 auf, der die von der Referenzlichtquelle 19 erzeugte und in den Frequenzschieber 23 eingespeiste Referenzlichtstrahlung in einen ersten Teilstrahl und eine zweiten Teilstrahl aufteilt. Der Realteil des elektrischen Felds der Referenzlichtstrahlung ist in 4 mit Ein bezeichnet.

Der erste Teilstahl passiert ein erstes Multiplikationselement 28, das den Realteil Ein des elektrischen Felds mit einem elektrischen Signal s_I(t) multipliziert, das von der Steuereinheit 24 erzeugt wird. Danach trifft der erste Teilstrahl auf ein Subtraktionselement 29.
Im Strahlengang des zweiten Teilstrahls befinden sich in dieser Reihenfolge ein Phasenschieber 30, ein zweites Multiplikationselement 31 und das Subtraktionselement 29. Der Phasenschieber 30 verschiebt die Phase des zweiten Teilstrahls um -90°. Danach erfolgt im zweiten Multiplikationselement 31 eine Multiplikation mit einem elektrischen Signal s_Q(t), das von der Steuereinheit 24 erzeugt wird.
Im Subtraktionselement 29 wird die Differenz aus dem ersten Teilstrahl und dem zweiten Teilstrahl gebildet und das derart modulierte Licht wird für eine weitere Verwendung außerhalb des Frequenzschiebers 23 ausgegeben. Das ausgegebene Licht weist ein elektrisches Feld mit einem Realteil E_out auf, für den gilt: $E_{o u t} = s_{I} (t) cos (2 π ƒ_{0} t) - s_{Q} (t) sin (2 π ƒ_{0} t) = ℜ {\underline{s} (t) e^{j 2 π ƒ_{0} t}}$
Falls der Frequenzschieber 23 lediglich eine Verschiebung der Frequenz der Referenzlichtstrahlung um die Frequenzverschiebung Δf und keine sonstige Modulation durchführt, ergibt sich: $\underline{s} (t) = e^{j 2 π Δ ƒ t}$
$s_{I} (t) = cos (2 π Δ ƒ t), s_{Q} (t) = sin (2 π Δ ƒ t)$
$E_{out} = ℜ {e^{j 2 π Δ ƒ t} e^{j 2 π ƒ_{0} t}} = cos (2 π (ƒ_{0} + Δ ƒ) t)$
Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, können mit dem Frequenzschieber 23 auch komplexere Modifikationen der von der Referenzlichtquelle 19 erzeugten Referenzlichtstrahlung realisiert werden als eine Verschiebung der Frequenz f₀.
5 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Abwandlung der in 2 dargestellten Anordnung.
Anders als beim Ausführungsbeispiel der 2 ist bei der in 5 dargestellten Abwandlung nicht nur ein optischer Resonator 17 vorhanden, sondern es sind mehrere optische Resonatoren 17 vorhanden, beispielsweise drei Stück. Jeder einzelne optische Resonator 17 kann in analogerweise wie beim Ausführungsbeispiel der 2 ausgebildet sein. Weiterhin sind eine Referenzlichtquelle 19 und eine Messeinrichtung 18 vorhanden.
Die Referenzlichtquelle 19 kann in identischer Weise ausgebildet sein wie beim Ausführungsbeispiel der 2 und speist die von ihr erzeugte Referenzlichtstrahlung in die Messeinrichtung 18 ein.
Die Messeinrichtung 18 weist mehrere, beispielsweise drei, Frequenzschieber 23, Lichtdetektoren 25 und Zirkulatoren 26 auf, die jeweils in analoger Weise untereinander verschaltet sind, wie beim Ausführungsbeispiel der 2. Weiterhin weist die Messeinrichtung 18 eine einzige Steuereinheit 24 auf, die mit jedem der Frequenzschieber 23 und mit jedem der Lichtdetektoren 25 verbunden ist. In einer alternativen Implementierung könnte für jeden Resonator auch eine getrennte Steuereinheit 24 verwendet werden.
Die Referenzlichtstrahlung wird so in die Messeinrichtung 18 eingespeist dass sie parallel allen Frequenzschiebern 23 zugeführt. Dabei ist es unerheblich, wie diese Lichtverteilung realisiert ist und ob etwaige dafür verwendete Komponenten innerhalb oder außerhalb der Messeinrichtung 18 angeordnet sind. Aus diesem Grund sind hierzu in 5 keine Details dargestellt.
Die Frequenzschieber 23 modulieren die ihnen zugeführte Referenzlichtstrahlung jeweils so, dass es gegenüber der Frequenz f₀, welche die Referenzlichtstrahlung vor Einspeisung in die Messeinrichtung 18 aufweist, zu einer Frequenzverschiebung Δf kommt. In der Regel weist die Frequenzverschiebung Δf für jeden der drei Frequenzschieber 23 einen anderen Wert auf, z. B. für den im oberen Bereich der 5 dargestellten Frequenzschieber 23 eine Frequenzverschiebung Δf_x, für den im mittleren Bereich der 5 dargestellten Frequenzschieber 23 eine Frequenzverschiebung Δf_y und für den im unteren Bereich der 5 dargestellten Frequenzschieber 23 eine Frequenzverschiebung Δf_z.
Das modulierte Licht wird von jedem Frequenzschieber 23 über den jeweils nachgeschalteten Zirkulator 26 an den jeweils zugeordneten optischen Resonator 17 ausgegeben und das von diesem optischen Resonator 17 reflektierte Licht wird vom jeweiligen Zirkulator 26 an den jeweiligen Lichtdetektor 25 weitergeleitet. Der jeweilige Lichtdetektor 25 detektiert das ihm zugeführte Licht und erzeugt ein elektrisches Signal, das vom detektierten Licht abhängt. Die elektrischen Signale aller Lichtdetektoren 25 werden der Steuereinheit 24 zugeführt. Die Steuereinheit 24 passt auf Basis dieser elektrischen Signale, die Informationen bzgl. der Resonanzzustände der drei optischen Resonatoren 17 enthalten, die Werte für die Frequenzverschiebungen Δf_x, Δf_y und Δf_z an und führt die angepassten Werte den Frequenzschiebern 23 zu. Die Frequenzschieber 23 modulieren dann die Referenzlichtstrahlung auf Basis der neu zugeführten Werte für die Frequenzverschiebungen Δf_x, Δf_y und Δf_z usw.
Letztendlich führt diese Vorgehensweise dazu, dass alle optischen Resonatoren 17 jeweils in einem Resonanzzustand betrieben werden und die zugehörigen Frequenzschieber 23 die jeweils zugehörigen Werte der Frequenzverschiebungen Δf_x, Δf_y und Δf_z für die weitere Verwendung zu Verfügung stellen. Beispielsweise können daraus die Längen D der einzelnen optischen Resonatoren 17 ermittelt werden, so dass mit der in 5 dargestellten Anordnung mehrere Koordinaten eines oder mehrerer optischer Elemente ermittelt werden können. Alle nicht näher beschriebenen Details können in analoger Weise wie beim Ausführungsbeispiel der 2 ausgebildet sein und durchgeführt werden.
Die Messeinrichtung 18 der in 5 dargestellten Anordnung kann ebenso wie die Messeinrichtung 18 der in 2 dargestellten Anordnung mittels eines photonisch integrierten Schaltkreises oder auch mittels mehrerer photonisch integrierter Schaltkreise realisiert werden und dadurch sehr kompakt und kostengünstig ausgeführt werden. Es ist somit beispielsweise möglich, mit einem einzigen photonisch integrierten Schaltkreis mehrere Koordinaten zu ermitteln. Es ist auch möglich die Anordnung auf andere Weise als mit photonisch integrierten Schaltkreisen zu realisieren.
Bei der in 5 dargestellten Anordnung kann wenigstens einer der optischen Resonatoren 17 als Referenz verwendet werden, um die Genauigkeit der Messung zu steigern. Hierzu wird dieser als Referenz verwendete optische Resonator 17 den gleichen Umwelteinflüssen ausgesetzt wie die für die Messung bestimmten optischen Resonatoren 17. Allerdings wird der als Referenz verwendete optische Resonator 17 nicht dem Einfluss der Messgröße ausgesetzt. Wenn es sich bei der Messgröße beispielsweise um eine Position eines optischen Elements handelt, dann wird der als Referenz verwendete optische Resonator 17 so angeordnet, dass eine Positionsänderung des optischen Elements keinen Einfluss auf diesen optischen Resonator 17 hat. Die für die Messung bestimmten optischen Resonatoren 17 sind dagegen sowohl den Umwelteinflüssen als auch dem Einfluss der Messgröße ausgesetzt. Die Umwelteinflüsse können beispielsweise Auswirkungen auf den Brechungsindex, den Druck oder die Temperatur im Bereich der optischen Resonatoren 17 haben und dadurch die Messergebnisse verfälschen. Mit Hilfe des als Referenz verwendeten optischen Resonators 17, der nicht durch die Messgröße beeinflusst wird und daher ausschließlich die Umwelteinflüsse erfasst, können die Umwelteinflüsse aus den Messergebnissen der anderen optischen Resonatoren 17 herausgerechnet werden.
Weiterhin kann durch die Verwendung mehrerer optischer Resonatoren 17 eine Redundanz ausgebildet werden, so dass beim Ausfall eines optischen Resonators 17 oder eventuell auch mehrerer optischer Resonatoren 17 weiterhin eine Messung möglich ist.
Wenn sich die Messgröße bei der in 2 oder der in 5 dargestellten Anordnung stark ändert, kann der Fall eintreten, dass der optische Resonator 17 bzw. der jeweilige optische Resonator 17 nicht dauerhaft in einem Resonanzzustand gehalten und damit die Messgröße fortwährend bestimmt werden kann, weil für die hierzu erforderliche Verschiebung der Frequenz f₀ der Referenzlichtstrahlung eine Frequenzverschiebung Δf benötigt würde, die größer als die Bandbreite des Frequenzschiebers 23 und/oder der Steuereinheit 24 wäre, welche die Treibersignale für den Frequenzschieber 23 erzeugt. Mit anderen Worten, ohne sonstige Maßnahmen könnten mit der in 2 oder der in 5 dargestellten Anordnung Messgrößen lediglich innerhalb relativ kleiner Messbereiche erfasst werden.
Auf die im Folgenden beschriebene Weise ist es aber möglich, die zugänglichen Messbereiche extrem zu vergrößern ohne die verfügbare Bandbreite zu überschreiten. Wie noch näher erläutert wird, kann für die Vermessung des optischen Resonators 17 auf einen Resonanzzustand für eine andere, insbesondere eine benachbarte, Schwingungsordnung des optischen Resonators 17 gewechselt werden, wenn für die Beibehaltung der bisherigen Schwingungsordnung eine unzulässig große Frequenzverschiebung Δf erforderlich wäre.
Um die durch das Umschalten auf eine andere Schwingungsordnung verursachte Unterbrechung der Messung möglichst kurz zu halten oder ganz zu vermeiden, empfiehlt es sich, zur selben Zeit Licht mehrerer Frequenzen in den optischen Resonator 17 einzuspeisen und gleichzeitig Resonanzzustände für mehrere Schwingungsordnungen anzuregen. Das eröffnet die Möglichkeit, für eine dieser Schwingungsordnungen eine Umschaltung vorzunehmen und zur selben Zeit für eine andere Schwingungsordnung den Resonanzzustand des optischen Resonators 17 ohne Unterbrechung beizubehalten.
6 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Messprinzips, bei dem eine Abstimmung der Messeinrichtung 18 auf mehrere Resonanzzustände des optischen Resonators 17 vorgesehen ist.
Im Diagramm der 6 ist die Intensität des vom optischen Resonator 17 reflektierten Lichts über der Frequenz des in den optischen Resonator 17 eingespeisten Lichts aufgetragen und als eine durchgezogene Linie dargestellt. Außerdem sind im Diagramm die Frequenz f₀ der Referenzlichtquelle 19 als strichpunktierte Linie, drei Resonanzfrequenzen f_q1, f_q2 und f_q3 für unterschiedliche Resonanzzustände des optischen Resonators 17 als gestrichelte Linien und die Frequenzen der beim Pound-Drever-Hall-Verfahren verwendeten Seitenbänder als punktierte Linien eingezeichnet.
Die Intensität des vom optischen Resonator 17 reflektierten Lichts ist bei steigender Frequenz des in den optischen Resonator 17 eingespeisten Lichts streckenweise konstant und bricht in der unmittelbaren Umgebung der Resonanzfrequenzen f_q1, f_q2 und f_q3 des optischen Resonators 17 jeweils stark ein. Jenseits der jeweiligen Resonanzfrequenz f_q1, f_q2 und f_q3 steigt die Intensität des vom optischen Resonator 17 reflektierten Lichts wieder rasch auf das vorherige Niveau an. Der Frequenzabstand zwischen benachbarten Resonanzfrequenzen f_q des optischen Resonators 17 ist konstant und wird als freier Spektralbereich FSR bezeichnet. Für den freien Spektralbereich FSR gilt: $F S R = \frac{c}{2 n D}$
Das Diagramm der 6 bezieht sich auf eine Situation, bei der der optische Resonator 17 gleichzeitig in drei Resonanzzuständen betrieben wird. Dies ist beispielsweise mit den in 2 und 8 dargestellten Anordnungen möglich. Hierzu wird Licht in den optischen Resonator 17 eingespeist, das die Resonanzfrequenzen f_q1, f_q2, f_q3 für drei benachbarte Schwingungsordnungen q1, q2 und q3 des optischen Resonators 17 enthält. Zur Erzeugung dieses Lichts wird die von der Referenzlichtquelle 19 erzeugte Referenzlichtstrahlung mit Hilfe des Frequenzschiebers 23 so moduliert, dass sie Frequenzen enthält, die gegenüber der Frequenz der Referenzlichtquelle 19 um die Frequenzverschiebungen Δf₁, Δf₂, Δf₃ verschoben sind. Außerdem werden die für das Pound-Drever-Hall-Verfahren benötigten Seitenbänder aufmoduliert. Insgesamt ergibt sich somit für das elektrische Feld des von der Messeinrichtung 18 ausgegebenen Lichts: $E_{out} = ℜ {(e^{j 2 π Δ ƒ_{1} t} + e^{j 2 π Δ ƒ_{3} t} + P D H) e^{j 2 π ƒ_{0} t}}$
Dabei sind die für das Pound-Drever-Hall-Verfahren benötigten Seitenbänder durch PDH angedeutet.
Die für eine derartige Modulation des Lichts benötigten elektrischen Treibersignale können von der Steuereinheit 24 erzeugt und in den Frequenzschieber 23 eingespeist werden. Dabei ist es möglich, auch eine sehr komplexe Modulation des Lichts mit einem einzigen Frequenzschieber 23 zu realisieren. Die elektrischen Treibersignale können entweder mittels wenigstens einer digitalen elektronischen Schaltung oder mittels wenigstens einer analogen elektronischen Schaltung erzeugt werden. Bei Verwendung einer analogen elektronischen Schaltung besteht die Möglichkeit, diese wiederum mittels einer digitalen elektronischen Schaltung anzusteuern. Die Modulation kann bei allen Varianten insbesondere so durchgeführt werden, dass die Frequenz f₀ der Referenzlichtquelle 19 in dem vom Frequenzschieber 23 modulierten Licht nahezu vollständig unterdrückt wird.
Wenn sich die Länge D des optischen Resonators 17 ändert, ändern sich auch die Resonanzfrequenzen f_q1, f_q2, f_q3 des optischen Resonators 17. In diesem Fall kann der optische Resonator 17 durch eine Anpassung der Frequenzverschiebungen Δf₁, Δf₂, Δf₃ in Resonanz gehalten werden. Um zu vermeiden, dass die Beträge der Frequenzverschiebungen Δf₁, Δf₂, Δf₃ bei einer fortgesetzten Änderung der Länge D des optischen Resonators 17 jeweils einen maximal zulässigen Wert Δf_max überschreiten, wird die Abstimmung der Messeinrichtung 18 auf eine der bislang verwendeten Schwingungsordnungen des optischen Resonators 17 aufgegeben und stattdessen eine neue Schwingungsordnung ausgewählt, die verglichen mit der bisherigen Schwingungsordnung mit einer betragsmäßig kleineren Frequenzverschiebung Δf erreichbar ist.
Beispielsweise kann bei einer Vergrößerung der Länge D des optischen Resonators 17 die derzeit verwendete Schwingungsordnung mit der kleinsten Resonanzfrequenz aufgegeben werden und stattdessen eine Abstimmung der Messeinrichtung 18 auf eine derzeit nicht verwendete Schwingungsordnung gestartet werden, die zur derzeit verwendeten Schwingungsordnung mit der größten Resonanzfrequenz benachbart ist. Wenn diese Umschaltung beispielsweise für die Resonanzfrequenz f_q1 durchgeführt wird, wird die Abstimmung der Messeinrichtung 18 bezüglich der Resonanzfrequenzen f_q2, f_q3 vorläufig noch beibehalten. Wenn die Umschaltung abgeschlossen und die Messeinrichtung 18 auf die neue Schwingungsordnung abgestimmt ist, kann in analoger Weise auch bzgl. der Resonanzfrequenzen f_q2, f_q3 vorgegangen werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Messeinrichtung 18 fortwährend auf wenigstens eine Schwingungsordnung abgestimmt ist und somit unterbrechungsfrei Messwerte liefert.
Die gleichzeitige Abstimmung der Messeinrichtung 18 auf mehrere Schwingungsordnungen und demgemäß auf mehrere Resonanzzustände des optischen Resonators 17 und die Ermittlung der zugehörigen Resonanzfrequenzen f_q ermöglicht zudem eine absolute Ermittlung der optischen Weglänge nD des optischen Resonators 17. Wenn der Brechungsindex n des Mediums innerhalb des optischen Resonators 17 bekannt ist, kann sogar die Länge D des optischen Resonators 17 absolut ermittelt werden. Aus der Differenz zweier gleichzeitig ermittelter Resonanzfrequenzen f_q1, f_q2 benachbarter Schwingungsordnungen des optischen Resonators 17 kann der freie Spektralbereich FSR des optischen Resonators 17 ermittelt werden: $F S R = ƒ_{q 2} - ƒ_{q 1}$
Aus dem freien Spektralbereich FSR ergibt sich die optische Weglänge nD des optischen Resonators 17: $n D = \frac{c}{2 F S R}$
Prinzipiell ist es auch möglich, eine Abstimmung der Messeinrichtung 18 auf eine andere Anzahl als drei Schwingungsordnungen mit den in 6 dargestellten drei Resonanzfrequenzen f_q1, f_q2, f_q3 vorzunehmen. Bei der Verwendung von jeweils drei Schwingungsordnungen besteht die Möglichkeit, dass die Messeinrichtung 18 fortwährend auf zwei Schwingungsordnungen abgestimmt ist und somit unterbrechungsfrei absolute Messwerte für die optische Weglänge nD des optischen Resonators 17 liefert. Diese Messwerte stehen durchgehend für eine weitere Verwendung zur Verfügung. Außerdem kann aus diesen Messwerten zu jedem Zeitpunkt eindeutig ermittelt werden, auf welche neue Schwingungsordnung die dritte bisher verwendete Schwingungsordnung umgeschaltet werden kann. Das Umschalten kann somit sehr schnell durchgeführt werden.
Lediglich eine einzige Schwingungsordnung zu verwenden, kommt insbesondere dann in Betracht, wenn sich die Länge D des optischen Resonators 17 lediglich geringfügig ändert und somit die bei der Messeinrichtung 18 maximal verfügbare Frequenzverschiebung Δf_max nicht überschritten wird. Dann ist es nicht erforderlich, auf eine andere Schwingungsordnung umzuschalten und es kann durchgehend bei der gleichen Schwingungsordnung gemessen werden. Falls es zu einer starken Änderung der Länge D des optischen Resonators 17 kommt, ist es auch bei Verwendung nur einer Schwingungsordnung möglich, auf eine neue Schwingungsordnung umzuschalten. Allerdings kann die Messeinrichtung 18 für die Zeitdauer des Umschaltvorgangs bis zum Abschluss der Abstimmung auf die neue Schwingungsordnung keine Messwerte ermitteln und ausgeben. Es kommt daher bei jedem Umschalten auf eine neue Schwingungsordnung zu einer Unterbrechung der Messung. Eine Ermittlung absoluter Messwerte ist ohne Zusatzinformationen mit nur einer Schwingungsordnung nicht möglich.
Eine Abstimmung der Messeinrichtung 18 auf zwei Schwingungsordnungen ermöglicht eine unterbrechungsfreie Messung und eine Ermittlung absoluter Messwerte, aber keine unterbrechungsfreie Ermittlung absoluter Messwerte.
Eine Abstimmung der Messeinrichtung 18 auf mehr als drei Schwingungsordnungen kann dann angeraten sein, wenn über viele gleichzeitig durchgeführte Einzelmessungen gemittelt werden soll, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen. Dies gilt auch hinsichtlich der Ermittlung von absoluten Einzelmesswerten. Allerdings kann sich bei einer Aufteilung der verfügbaren Lichtleistung auf viele Schwingungsordnungen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verschlechtern. Außerdem ist die Anzahl der gleichzeitig zugänglichen Schwingungsordnungen durch den freien Spektralbereich FSR und die maximal verfügbare Frequenzverschiebung Δf_max begrenzt.
Bei einer digitalen Erzeugung der Frequenzverschiebung Δf in der Steuereinheit 24 beispielsweise mit einem Field Programmable Gate Array und anschließender Umwandlung in ein analoges Signal kann es insofern zu Einschränkungen kommen, als eine hohe Bandbreite der Analogausgänge der Steuereinheit 24, die den Frequenzschieber 23 ansteuern, benötigt wird. Außerdem kann es durch die digitale Prozessierung zu unerwünschten Verzögerungen des Signals kommen. Durch diese Verzögerungen kann die Bandbreite der Regelschleife, in welche die Steuereinheit 24 eingebunden ist, limitiert werden. Um diese unerwünschten Effekte zu umgehen, können die Komponenten der Steuereinheit 24, welche die Bandbreite limitieren, in Analogtechnik ausgeführt werden. Dies wird anhand von 7 erläutert.
7 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer speziellen Ausgestaltung der in 2 dargestellten Anordnung.
Der prinzipielle Aufbau der Anordnung gemäß 7 ist identisch zu 2, d. h. die Anordnung weist einen optischen Resonator 17, eine Referenzlichtquelle 19, einen Frequenzschieber 23, einen Zirkulator 26, einen Lichtdetektor 25 und eine Steuereinheit 24 auf. Ein Unterschied besteht lediglich darin, dass in 7 eine mögliche Ausbildung der Steuereinheit 24 im Detail dargestellt ist. Bei dieser Ausbildung weist die Steuereinheit 24 ein Digitalteil 32 und ein Analogteil 33 auf.
Das Analogteil 33 ist als eine analoge elektronische Schaltung ausgebildet und weist einen durchstimmbaren Oszillator 34 auf, der als ein Voltage Controlled Oscillator VCO, d. h. als ein spannungsgesteuerter Oszillator, ausgebildet sein kann. Der durchstimmbare Oszillator 34 generiert ein elektrisches Signal zur Erzeugung der Frequenzverschiebung Δf und gibt das elektrische Signal an ein drittes Multiplikationselement 35 aus, in das außerdem ein elektrisches Signal eines Seitenbandoszillators 36 eingespeist wird. Mit dem elektrischen Signal des Seitenbadgenerators 36 werden die für die PDH-Regelung benötigten Seitenbänder erzeugt.
Das durch die Multiplikation der elektrischen Signale des durchstimmbaren Oszillators 34 und des Seitenbandgenerators 36 erzeugte elektrische Signal wird über einen Umformer 37 in den Frequenzschieber 23 eingespeist. Der Umformer 37 führt eine Hilbert-Transformation des elektrischen Signals durch und bereitet das elektrische Signal dadurch auf die Einspeisung in den Frequenzschieber 23 vor.
Das Signal des Seitenbandoszillators 36 wird weiterhin an ein viertes Multiplikationselement 38 ausgegeben und dort mit dem Signal des Lichtdetektors 25 multipliziert. Das Signal des Lichtdetektors 25 enthält eine Modulation entsprechend der Frequenz der Seitenbänder. Diese Modulation ist umso stärker ausgeprägt, je weiter die Frequenz des in den optischen Resonator 17 eingespeisten Lichts von der jeweiligen Resonanzfrequenz f_q entfernt ist. Durch die Multiplikation des Signals des Lichtdetektors 25 mit dem Signal des Seitenbandoszillators 36, welche beide mit der gleichen Frequenz schwanken, entsteht unter anderem ein DC-Signal, das von der Stärke der Modulation des Signals des Lichtdetektors 25 abhängt. Demgemäß wird das DC-Signal Null, wenn sich der optische Resonator 17 in einem Resonanzzustand befindet und das Vorzeichen des DC-Signals gibt an in welche Richtung die Frequenz verschoben werden muss, wenn das DC-Signal ungleich Null ist.
Das durch die Multiplikation erzeugte Signal wird einem PID-Regler 39, der wiederum den durchstimmbaren Oszillator 34 ansteuert, als Regelabweichung zugeführt. Im Resonanzzustand des optischen Resonators 17 liegt am Eingang des PID-Reglers 39 ein minimales Signal an. Demgemäß wird der PID-Regler 39 den durchstimmbaren Oszillator 34 auf eine Frequenzverschiebung Δf einregeln, bei der sich der optische Resonator 17 in einem Resonanzzustand befindet. Diese Frequenzverschiebung Δf gibt der durchstimmbare Oszillator 34 zusätzlich an das Digitalteil 32 aus. Das Digitalteil 32 kann als eine digitale elektronische Schaltung, insbesondere als ein Field Programmable Gate Array, realisiert sein. Wie bereits bei 3 erwähnt, kann aus der Frequenzverschiebung Δf beispielsweise die Länge D des optischen Resonators 17 oder eine sonstige Messgröße ermittelt werden. Das Digitalteil 32 kontrolliert die Funktion des durchstimmbaren Oszillators 34.
Durch die vorstehend beschriebene analoge Realisierung der Regelschleife lässt sich die Zeitverzögerung in der Regelschleife sehr gering halten.
8 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Abwandlung der in 7 dargestellten Anordnung.
Die in 8 dargestellte Abwandlung ermöglicht eine Abstimmung der Messeinrichtung 18 auf mehrere Resonanzzustände des optischen Resonators 17. Dies wird dadurch erreicht, dass für jeden Resonanzzustand eine eigene analoge elektronische Schaltung vorhanden ist. Mit Ausnahme der Ausbildung des Analogteils 33 der Messeinrichtung 18 und der daraus resultierenden abweichenden Anzahl von Verbindungen zwischen dem Analogteil 33 und dem Digitalteil 32 ist die Anordnung gemäß 8 identisch zur Anordnung der 7 ausgebildet. Es wird daher im Folgenden lediglich auf die Ausbildung des Analogteils 33 der Messeinrichtung 18 näher eingegangen und im Übrigen auf die vorstehende Beschreibung der in 7 dargestellten Anordnung verwiesen.
Das Analogteil 33 der Abwandlung gemäß 8 weist die in 7 dargestellte analoge elektronische Schaltung mit Ausnahme des Umformers 37 in dreifacher Ausfertigung auf. Dabei sind alle drei analogen elektronischen Einzelschaltungen einander parallelgeschaltet. Das bedeutet, dass die vierten Multiplikationselemente 38 aller drei analoger elektronischer Einzelschaltungen mit dem Lichtdetektor 25 verbunden sind, so dass das elektrische Signal des Lichtdetektors 25 gleichermaßen in alle drei analogen elektronischen Einzelschaltungen eingespeist wird. Weiterhin sind die dritten Multiplikationselemente 35 aller drei analoger elektronischer Einzelschaltungen mit dem Umformer 37 verbunden, so dass die elektrischen Signale aller drei analoger Einzelschaltungen in den Umformer 37 eingespeist werden.
Die Funktionsweise der drei analogen elektronischen Einzelschaltungen entspricht jeweils der Funktionsweise der korrespondierenden analogen elektronischen Schaltung gemäß 7, wobei jede analoge elektronische Einzelschaltung allerdings auf einen anderen Resonanzzustand des optischen Resonators 17 abgestimmt wird, der durch eine andere Schwingungsordnung charakterisiert ist und demgemäß eine andere Frequenzverschiebung Δf ermittelt. So kann eine der analogen elektronischen Einzelschaltungen auf einen ersten Resonanzzustand abgestimmt werden und eine erste Frequenzverschiebung Δf₁ erzeugen. Eine zweite analoge elektronische Einzelschaltung kann auf einen zweiten Resonanzzustand abgestimmt werden und eine zweite Frequenzverschiebung Δf₂ erzeugen. Eine dritte analoge elektronische Einzelschaltung kann auf einen dritten Resonanzzustand abgestimmt werden und eine dritte Frequenzverschiebung Δf₃ erzeugen. Allen drei derartigen elektrischen Signalen werden jeweils noch durch eine Multiplikation in den Multiplikationselementen 35 die zugehörigen Seitenbänder überlagert und dann werden die elektrischen Signale additiv zu einem gemeinsamen elektrischen Signal überlagert und in den Umformer 37 eingespeist. Die additive Überlagerung zu einem gemeinsamen elektrischen Signal ist in 8 durch eine Zusammenführung der jeweiligen Signalleitungen dargestellt und es sind nicht eigens Elemente eingezeichnet, welche eine additive Überlagerung durchführen. Die aus dem gemeinsamen elektrischen Signal resultierende Ansteuerung des Frequenzschiebers 23 führt zu einer Modulation der von der Referenzlichtquelle 19 erzeugten Referenzlichtstrahlung derart, dass das Licht nach dem Passieren des Frequenzschiebers 23 die Frequenzen f₀ + Δf₁, f₀ + Δf₂ und f₀ + Δf₃ und die jeweils zugehörigen Seitenbänder aufweist.
Das Digitalteil 32 ist mit allen drei durchstimmbaren Oszillatoren 34 verbunden. Diese Verbindungen dienen einerseits dazu, dass die durchstimmbaren Oszillatoren 34 dem Digitalteil 32 die von ihnen ermittelten Frequenzverschiebungen Δf₁, Δf₂, Δf₃ übermitteln, aus denen das Digitalteil 32 beispielsweise die optische Weglänge nD oder die Länge D des optischen Resonators 17 ermitteln kann. Andererseits dienen die Verbindungen dazu, dass das Digitalteil 32 den durchstimmbaren Oszillatoren 34 übermittelt, auf welche Resonanzzustände des optischen Resonators 17 sie abgestimmt werden sollen. Die Auswahl der Resonanzzustände und die Veranlassung von Umschaltungen auf andere Resonanzzustände wird vom Digitalteil 32 vorgenommen. Die diesbezügliche Vorgehensweise wurde bereits anhand von 6 im Einzelnen erläutert. Da das Digitalteil 32 lediglich die Umschaltung zwischen verschiedenen Resonanzzuständen durchführt, die für diese Resonanzzustände erforderlichen Frequenzverschiebungen Δf₁, Δf₂, Δf₃ aber selbst nicht erzeugt, kann für die Realisierung des Digitalteils 32 ein Field Programmable Gate Array mit einer vergleichsweise geringen Bandbreite verwendet werden. Insbesondere kann die Bandbreite des Field Programmable Gate Array deutlich kleiner sein als bei einem Ausführungsbeispiel der Steuereinheit 24, bei der die Frequenzverschiebungen Δf₁, Δf₂, Δf₃ vom Field Programmable Gate Array erzeugt werden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kommt jeweils eine Referenzlichtquelle 19 zum Einsatz, die als ein hochstabiler Laser ausgebildet ist, der permanent bei einer konstanten Frequenz betrieben wird. Prinzipiell ist es aber auch möglich, einen Laser zu verwenden, dessen Frequenz variierbar ist. Auf diese Weise könnten zum Beispiel langsame Drifts ausgeglichen oder der Messbereich erweitert werden. Außerdem könnte die Häufigkeit des Umschaltens auf neue Resonanzzustände reduziert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung mit einer Projektionsbelichtungsanlage 1 beschränkt, sondern ist beispielsweise auch in oder mit optischen Koordinatenmesssystemen, in oder mit Lidar (light detection and ranging)-Systemen oder in oder mit optischen Kohärenztomografie-Systemen verwendbar. Des Weiteren lässt sich die Erfindung auch für die Auslesung von Faser-Bragg-Gittern, Ringresonatoren, Biosensoren oder Gassensoren einsetzen.
Bezugszeichenliste

1: Projektionsbelichtungsanlage
2: Strahlerzeugungssystem
3: Beleuchtungssystem
4: Projektionssystem
5: Erstes Gehäuse
6: Zweites Gehäuse
7: Drittes Gehäuse
8: Gesamtgehäuse
9: EUV-Lichtquelle
10: Kollektorspiegel
11: Erstes optisches Element
12: Zweites optisches Element
13: Maske
14: Wafer
15: Drittes optisches Element
16: Viertes optisches Element
17: Optischer Resonator
18: Messeinrichtung
19: Referenzlichtquelle
20: Lichtleiter
21: Erste teilreflektierende Fläche
22: Zweite teilreflektierende Fläche
23: Frequenzschieber
24: Steuereinheit
25: Lichtdetektor
26: Zirkulator
27: Strahlteiler
28: Erstes Multiplikationselement
29: Subtraktionselement
30: Phasenschieber
31: Zweites Multiplikationselement
32: Digitalteil
33: Analogteil
34: Durchstimmbarer Oszillator
35: Drittes Multiplikationselement
36: Seitenbandoszillator
37: Umformer
38: Viertes Multiplikationselement
39: PID-Regler

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

DE 102018208147 A1 [0003]
DE 102012212663 A1 [0038]
WO 2019/223968 A1 [0038]

Claims

Messeinrichtung zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz eines optischen Resonators (17) oder einer damit zusammenhängenden Größe, mit - einem Frequenzschieber (23) zum Aufmodulieren einer Frequenzverschiebung auf eine Referenzlichtstrahlung durch eine Wechselwirkung des Frequenzschiebers (23) mit der Referenzlichtstrahlung und - einer Steuereinheit (24) zur Abstimmung der Frequenzverschiebung auf einen Resonanzzustand des optischen Resonators (17).
Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Frequenzschieber (23) so ausgebildet ist, dass er zur gleichen Zeit mehrere Frequenzverschiebungen auf die Referenzlichtstrahlung aufmoduliert.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (24) zur Abstimmung mehrerer Frequenzverschiebungen auf je einen Resonanzzustand des optischen Resonators (17) ausgebildet ist.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (18) einen Detektor (25) zur Detektion des Resonanzzustands des optischen Resonators (17) aufweist.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (24) eine digitale elektronische Schaltung aufweist.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (24) wenigstens eine analoge elektronische Schaltung aufweist.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Frequenzschieber (23) und/oder die Steuereinheit (24) und/oder der Detektor (25) als ein Bestandteil eines elektronisch und/oder photonisch integrierten Schaltkreises ausgebildet sind.
Messsystem mit - einem optischen Resonator (17) und - einer Messeinrichtung (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Messsystem nach Anspruch 8, wobei das Messsystem eine Referenzlichtquelle (19) zur Erzeugung der Referenzlichtstrahlung aufweist und die Messeinrichtung (18) im Strahlengang zwischen der Referenzlichtquelle (19) und dem optischen Resonator (17) angeordnet ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Messsystem für die Ermittlung einer Messgröße ausgebildet ist und einen optischen Resonator (17) aufweist, dessen Resonanzzustand nicht von dieser Messgröße abhängt.
Messverfahren zur Ermittlung einer Resonanzfrequenz eines optischen Resonators (17) oder einer damit zusammenhängenden Größe, wobei - eine Referenzlichtstrahlung mit einer Frequenzverschiebung moduliert wird, - die modulierte Lichtstrahlung in den optischen Resonator (17) eingespeist wird und - die Frequenzverschiebung so auf den optischen Resonator (17) abgestimmt wird, dass der optische Resonator (17) in einen Resonanzzustand versetzt wird.
Messverfahren nach Anspruch 11, wobei die Abstimmung der Frequenzverschiebung so geändert wird, dass der optische Resonator (17) von einem ersten Resonanzzustand, der durch eine erste Schwingungsordnung charakterisiert ist, in einen zweiten Resonanzzustand überführt wird, der durch eine zweite Schwingungsordnung charakterisiert ist, die sich von der ersten Schwingungsordnung unterscheidet.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Referenzlichtstrahlung mit mehreren Frequenzverschiebungen moduliert wird, die so auf den optischen Resonator (17) abgestimmt werden, dass der optische Resonator (17) in mehrere Resonanzzustände versetzt wird.
Messverfahren nach Anspruch 12, wobei die Referenzlichtstrahlung mit mehreren Frequenzverschiebungen moduliert wird, die so auf den optischen Resonator (17) abgestimmt werden, dass der optische Resonator (17) in mehrere Resonanzzustände versetzt wird und die Abstimmung einer der Frequenzverschiebungen auf den optischen Resonator (17) innerhalb eines Zeitraums beibehalten wird, innerhalb dessen die Abstimmung einer anderen der Frequenzverschiebungen auf den optischen Resonator (17) so geändert wird, dass der optische Resonator (17) vom ersten Resonanzzustand in den zweiten Resonanzzustand überführt wird.
Messverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Referenzstrahlung Seitenbänder aufmoduliert werden, mit deren Hilfe ermittelt wird, wie die Frequenzverschiebung auszubilden ist.
Beleuchtungssystem der Mikrolithographie mit einem Messsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
Projektionssystem der Mikrolithographie mit einem Messsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
Projektionsbelichtungsanlage der Mikrolithographie mit einem Messsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10.