DE19715232A1 - Verfahren zur Bestimmung optischer Wegdifferenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung optischer Wegdifferenzen für Anwendungen in der hochpräzisen Längenmeßtechnik, Positionierung, Lageüberwachung u.ä.

Es ist bekannt hochgenaue optische Wegmessungen, die Erfassung und Überwachungen von Stell- und Positioniervorgängen etc. mit interferometrischen Methoden zu realisieren (z. B. Klein, Furtak: "Optik", Springer Verlag, 1988). Dazu erzeugt man mittels Strahlteilung zwei räumlich getrennte, kohärente Teilstrahlen (Meß- und Referenzstrahl), die nach Passieren eines bestimmten optischen Weges wieder zusammengeführt und zur Referenz gebracht werden. Aus den durch die Zusammenführung der Teilstrahlen entstehenden Intensitätsverteilungen können Rückschlüsse auf die optischen und damit auch auf die geometrischen Wegdifferenzen der Teilstrahlen gezogen werden. Man nutzt dabei die hohe Kohärenz der verfügbaren Laserlichtquellen aus, um große Wegdifferenzen zwischen Meß- und Referenzstrahl detektieren zu können. Diese Meßverfahren erreichen derzeit die höchsten Genauigkeiten.

Die interreferenzoptischen Meßverfahren besitzen allerdings den Nachteil, daß für eine hochgenaue Analyse des entstehenden Interferenzmusters entweder ein Detektor mit hoher Ortsauflösung oder eine dynamische Messung erforderlich sind. Die erste Bedingung ist nur mit sehr aufwendigen und kostenintensiven Detektorsystemen erfüllbar. Die Möglichkeit einer dynamischen Messung läßt sich hingegen nur schwer mit den auftretenden Forderungen nach Echtzeitanalysen vereinen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, optische Wegdifferenzen auf möglichst einfache Weise und auch unter Echtzeitbedingungen hochgenau messen zu können.

Erfindungsgemäß wird ein polarisierter Lichtstrahl einer kohärenten Lichtquelle mit geeigneten Mitteln in zwei vorzugsweise senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgespaltet, welche die beiden in ihrer Differenz zu bestimmenden Wege getrennt durchlaufen und anschließend zu einem Auswertestrahl zusammengeführt werden. Durch die Detektion des aus dem durch die Zusammenführung der beiden Teilstrahlen resultierenden Polarisationszustand dieses Auswertestrahls (z. B. mit Hilfe eines an sich bekannten Polarimeters) werden Informationen über die Differenzen der optischen Wege der beiden Teilstrahlen gewonnen. Die beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen können zum Zeitpunkt t mathematisch wie folgt beschrieben werden:

wobei A, B die Amplituden der beiden Teilstrahlen sind, ω die Winkelfrequenz des Lichtstrahls ist und δ=2π.Δs/λ die Differenz der optischen Wege Δs der beiden Teilstrahlen enthält. Durch die Zusammenführung der beiden Teilstrahlen entsteht eine Welle, die zum Zeitpunkt t durch

beschrieben werden kann. Das entspricht dem allgemeinen Fall einer elliptisch polarisierten Welle. Ändern sich die Intensitäten der Teilstrahlen nicht, so besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Polarisationszustand und der Phasenverschiebung δ und damit der optischen Wegdifferenz Δs. Die erreichbare Genauigkeit hängt dabei davon ab, wie exakt der Polarisationszustand bestimmt werden kann.

Ein großer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die Polarisationsanalyse im Gegensatz zu interferometrischen Verfahren punktuell, d. h. auf einer Fläche von wenigen µm², mit sehr hoher Genauigkeit in Echtzeit erfolgen kann.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird in den Auswertestrahl, der sich aus der Zusammenführung der zwei senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen vorzugsweiser gleicher Intensität ergibt, ein λ/4-Plättchen eingefügt, dessen Achsrichtung 45° zu den Polarisationsrichtungen der beiden Teilstrahlen liegt. Dieses λ/4-Plättchen transformiert den im allgemeinen elliptischen Polarisationszustand in linear polarisiertes Licht, wobei die Richtung der Polarisation direkt von der Differenz der optischen Wege der beiden Teilstrahlen abhängt. Sind die Intensitäten der beiden Teilstrahlen nicht gleich, so ist der Polarisationszustand nach dem λ/4 elliptisch, wobei die Richtung der Ellipsenhauptachse aber mit der Richtung der linearen Polarisation im Falle gleicher Intensitäten übereinstimmt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, die Polarisationsauswertung nacheinander oder gleichzeitig bei mehreren Wellenlängen, vorzugsweise bei paralleler Auswertung in einem kontinuierlich durchstimmbaren Wellenlängenbereich, durchzuführen, wobei die Auswertung der Teilstrahlen für die einzelnen Wellenlängen mit bekannten Verfahren der spektrometrischen Polarisationsanalyse erfolgen kann. Auf diese Art und Weise kann insbesondere der Eindeutigkeitsbereich der Differenzmessung stark vergrößert werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

In der Zeichnung ist eine einfache und vorteilhafte Anordnung zur spektrometrischen Auswertung der optischen Wegstrecken gezeigt.

Eine kohärente Lichtquelle 1 erzeugt einen Lichtstrahl 2 mit einer Wellenlänge λ, der in einer (durch Pfeile in der Zeichnung angedeuteten) Polarisationsrichtung 3 unter einem Winkel von 45° bezüglich eines beliebigen Koordinatensystems linear polarisiert ist und auf einen Strahlteiler 4 trifft. Durch den Strahlteiler 4 wird der Lichtstrahl 2 in einen ersten Teilstrahl 5 und in einen zweiten Teilstrahl 6 aufgespaltet. Mit Hilfe eines Polarisators 7 wird aus dem Teilstrahl 5 linear polarisiertes Licht in einer (durch Pfeile in der Zeichnung angedeuteten) Polarisationsrichtung 8 von 0° herausgefiltert und an einem Referenzspiegel 9 reflektiert. In gleicher Weise wird aus dem Teilstrahl 6 durch einen Polarisator 10 linear polarisiertes Licht in einer (ebenfalls durch Pfeile in der Zeichnung angedeuteten) Polarisationsrichtung 11 von 90° herausgefiltert und an einem Meßspiegel 12 reflektiert. Die Polarisationsrichtungen 8, 11 der beiden Teilstrahlen 5, 6 stehen damit senkrecht aufeinander. Nach Reflexion am Referenzspiegel 9 bzw. am Meßspiegel 12 werden die Teilstrahlen 5, 6 am Strahlteiler 4 zu einem gemeinsamen Auswertestrahl 13 wieder zusammengeführt.

Der Polarisationszustand des resultierenden Auswertestrahls 13 ist im allgemeinen Fall elliptisch (durch eine Polarisationsrichtung 14 in der Zeichnung angedeutet), wobei die Elliptizität und die Richtung der Ellipse abhängig von der Differenz der optischen Wege ist, welche die beiden Teilstrahlen 5, 6 zurückgelegt haben. Ein λ/4-Plättchen 15 mit jeweils 45° Achsrichtung zu den Polarisationsrichtungen 8, 11 der Teilstrahlen 5, 6 transformiert das elliptisch polarisierte Licht in eine Strahlung mit (durch einen Pfeil in der Zeichnung angedeuteter) linearer Polarisationsrichtung 16. Diese ist ebenfalls von der Differenz der optischen Wege der beiden Teilstrahlen 5, 6 abhängig und kann mit einem Polarisationsmeßgerät 17 bestimmt werden. Aus der Polarisationsrichtung 16 wird auf die optische Wegdifferenz Δs gemäß

rückgeschlossen, wobei α der Polarisationswinkel und δ=2π.Δs/λ ist.

Damit läßt sich beispielsweise eine durch Pfeile in der Zeichnung symbolisierte Verschiebung des Meßspiegels 12 erfassen, da sich in diesem Fall die Differenz der optischen Wege der Teilstrahlen 5, 6 und damit die Polarisationsrichtung 16 ändern.

Die Änderung der Brechzahl des Mediums, durch das der Teilstrahl 6 läuft, führt ebenfalls zu einer Drehung der Polarisationsrichtung 16 nach dem λ/4-Plättchen 15. Ist das Polarisationsmeßgerät 17 in der Lage, den vollständigen Polarisationszustand der wieder zusammengeführten Teilstrahlen 5, 6 zu detektieren, kann das λ/4-Plättchen 15 entfallen. Die Aufspaltung des Lichtstrahls 2 in die zwei Teilstrahlen 5, 6 mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationskomponenten kann auch mit Hilfe von an sich bekannten doppelbrechenden Kristallen (z. B. Wollaston-Prisma) erfolgen, wobei dann die beiden Polarisatoren 7, 10 nicht benötigt werden.

Bezugszeichenliste

1

Lichtquelle

2

Lichtstrahl

3

,

8

,

11

,

14

,

16

Polarisationsrichtung

4

Strahlteiler

5

,

6

Teilstrahl

7

,

10

Polarisator

9

Referenzspiegel

12

Meßspiegel

13

Auswertestrahl

15

λ/4-Plättchen

17

Polarisationsmeßgerät
λ Wellenlänge des Lichtstrahls

2

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung optischer Wegdifferenzen, bei dem ein kohärenter Lichtstrahl in zwei räumlich getrennte, Teilstrahlen aufgespaltet wird, die nach Durchlaufen der in ihrer Differenz zu bestimmenden Wegstrecken wieder zu einem Auswertestrahl, welcher auf die optische Wegdifferenz der Teilstrahlen untersucht wird, zusammengeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der kohärente Lichtstrahl in zwei die Wegstrecken durchlaufenden Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisation aufgespaltet wird, daß der aus der Zusammenführung der Teilstrahlen resultierenden Polarisationszustand des Auswertestrahls gemessen wird und daß aus dem resultierenden Polarisationszustand des Auswertestrahls über eine aus der Phasenbeziehung zweier Signale an sich bekannte Vektorrechnung die optische Wegdifferenz bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kohärente Lichtstrahl in senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen gleicher Intensität aufgespaltet wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Polarisationszustand des Auswertestrahls mit Hilfe eines λ/4-Plättchens, dessen Achse um 45° gegenüber den Polarisationsrichtungen der Teilstrahlen gedreht ist, in einen linearen Polarisationszustand transformiert wird, dessen Polarisationsrichtung direkt proportional zur optischen Wegdifferenz der Teilstrahlen ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kohärente Lichtstrahl nacheinander oder gleichzeitig für mehrere Wellenlängen in Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisation aufgespaltet wird und daß der resultierende Polarisationszustand des Auswertestrahls ebenfalls in Abhängigkeit der Wellenlänge ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge in einem kontinuierlichem Wellenlängenbereich durchgestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der optischen Wegdifferenz aus dem resultierenden Polarisationszustand des Auswertestrahls rechentechnisch erfolgt.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang (2) einer kohärenten Lichtquelle (1) ein Strahlteiler (4) mit Polarisatoren (7, 10) angeordnet ist, wodurch der mit 45° polarisierten Lichtstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen (5, 6) zum getrennten Durchlaufen der Wegstrecken aufspaltet, daß Spiegel (9, 12) vorgesehen sind, welche die Teilstrahlen (5, 6) vorzugsweise über den Strahlteiler (4) zu einem Auswertestrahl (13) zusammenführen und daß im Auswertestrahl (13) ein λ/4-Plättchen (15), dessen Achse um 45° gegenüber den Polarisationsrichtungen der Teilstrahlen (5, 6) gedreht ist, sowie ein Polarimeter (17) angeordnet sind.

8. Anordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt des Strahlteilers (4) mit den Polarisatoren (7, 10) doppelbrechende Kristalle, z. B. ein Wollaston-Prisma, eingesetzt werden.