DE19723448A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation des Datenalters in einem Interferometer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Messung von Änderungen der Länge oder Position und zur weiteren Bereitstellung von mehreren Längen- oder Positions­ messungen zu einem genauen Zeitpunkt. Insbesondere ergibt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Sicherheit und Genauig­ keit bei der Bestimmung von mehreren dynamischen Positionen, indem die Datenalter-Unterschiede wesentlich verringert werden.

Die Verwendung der Interferometrie zur Messung von Änderungen der Position, der Länge, des Abstandes oder der optischen Länge sind gut bekannt; siehe beispielsweise "Recent advances in displacement measuring interferometry", N. Bobroff, Measurement Science & Technology, Seiten 907-926, Band 4, Nr. 9, September 1993 und das im gemeinsamen Besitz befindliche US-Patent 4 688 940, das am 25. August 1987 erteilt wurde. Die schnell steigende Nachfrage sowie die Notwendigkeit, die genaue Zeit mit einer größeren Genauigkeit zu bestimmen, zu der mehrere dynamische Interferometrie-Positionsmessungen erfaßt werden, hat zu einer Vielzahl von Anstrengungen geführt, die verschie­ denen Quellen für die Unsicherheit zu minimieren, die für die bekannten Verfahren und Vorrichtungen typisch sind. Bekannte Verfahren, wie beispielsweise die, die in dem im gemeinsamen Besitz befindlichen US-Patent 5 249 030 beschrieben sind, das am 28. September 1993 erteilt wurde, erzielen eine gute Genauigkeit für statische Messungen oder für eine einzige dynamische Messung. Bei vielen heutigen Anwendungen, bei­ spielsweise bei den Step-And-Scan-Photolithographie-Hilfs­ mitteln, die zur Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet werden, müssen viele Achsen interferometrisch vermessen werden, und zwar derart, daß alle Positionsmessungen bekannten Zeitpunkten entsprechen. Bekannte Verfahren für dynamische Messungen verwenden entweder die paarweise Ausgabe von Zeit und Position, wie dies beispielsweise in dem in gemeinsamen Besitz befindlichen US-Patent 5 249 030 beschrieben ist, oder sie verwenden die gleichzeitige Ausgabe von inter­ polierten Positionswerten, wie beispielsweise beim Hewlett-Packard HP 10897 "High Resolution VME-Bus Laser Axis Board". Bei diesen beiden bekannten Verfahren treten die Unterschiede zwi­ schen den festen Verzögerungen in den Meß- und Referenz-Signal­ pfaden nachteilig in Erscheinung. Die Quellen für die festen bzw. konstanten Verzögerungen sind: Kabellängen, Längen der optischen Pfade, die Verzögerung durch den photoelektrischen Detektor (die sich auch mit dem Lichtpegel ändern können), Schaltungsverzögerungen (die sich mit der Signalfrequenz ändern) und beispielsweise der OFFSET des Phasenmeßgerätes. Die Aus­ wirkungen von diesen festen Verzögerungen sind Unterschiede im Datenalter der Messung, d. h. der verstrichenen Zeit zwischen dem Ereignis, das die Positionsmessung darstellt, und dem Zeitpunkt, zu dem die Positionsdaten dem Anwender zur Verfügung stehen. Es ist im allgemeinen nicht praktikabel, zur Kompensation dieser festen Verzögerungen eine oder mehrere der gleichen festen Verzögerungen einzustellen. Um diese festen Verzögerungen bei den bekannten Verfahren zu kompensieren, ist es erforderlich, sowohl die Geschwin­ digkeit des Objektes, dessen Position gemessen bzw. erfaßt wird, als auch die Verzögerung in jeder Meßachse zu kennen. Ein bei diesen bekannten Verfahren auftretendes Problem besteht darin, daß die Geschwindigkeit des Objekts, dessen Position erfaßt wird, nicht genau genug gemessen werden kann, wenn sich das Objekt mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt oder eine Beschleunigung erfährt. Beispielsweise ist für eine Meßgenauigkeit von ± 1 nm zur Kompensation einer Verzögerung von 50 ns bei einer Positionsänderung mit 1 m/s eine momentane Geschwindigkeitsmeßgenauigkeit von ± 2% erforderlich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mehrere dynamische Interferometrie-Abstands- oder -Positions- Messungen mit wesentlich verringerten Unterschieden im Datenalter durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung ergibt ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Kompensation von Zeitverzögerungen in den optischen und elektrischen Meß- oder Referenz-Signalpfaden in einem Interferometer. Die Kompensation der Zeitverzögerung besteht aus einem oder aus beiden von zwei Mechanismen. Eine Feinein­ stellung wird durchgeführt, indem der Wert eingestellt wird, der die gemessene Zeit des Auftretens des Meßsignals darstellt. Eine Grobeinstellung wird durchgeführt, indem die Anzahl von Pipeline-Verzögerungsstufen im Signalverarbeitungspfad ver­ größert oder verringert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Phase des Meßsignals durch einen Zähler und einen Verzögerungsleitungsinterpolator, oder durch andere Einrichtungen, bezüglich einem Systemtakt­ signal gemessen. Der Phasenmeßmechanismus ergibt einen ersten Wert als ein Ausgangssignal, das einen Bruchteil der System­ taktperiode darstellt, wobei der Bruchteil normalerweise klei­ ner als 1 ist, obwohl er auch gleich 1 sein kann. Unterschied­ liche Verarbeitungsabschnitte können unterschiedliche System­ taktfrequenzen verwenden, die ganze Vielfache voneinander sind, mit entsprechenden Änderungen in der Bedeutung der Phasen­ messung, wie dies für eine spezielle Ausführungsform be­ vorzugt wird. Eine Zeitverzögerung in dem Meßsignalpfad kann beseitigt werden, indem zu dem ersten Wert ein äquiva­ lenter negativer erster Einstellwert addiert wird, wodurch ein zweiter Wert erzeugt wird. Eine Zeitverzögerung in dem Refe­ renzsignalpfad kann beseitigt werden, indem zu dem zweiten Wert ein äquivalenter positiver zweiter Einstellwert addiert wird, wodurch ein dritter Wert erzeugt wird. Der erste und der zweite Einstellwert werden vorzugsweise zu einem einzigen dritten Einstellwert kombiniert, der den gleichen dritten Wert ergibt. Die ersten, zweiten und dritten Einstellwerte können Zeitabschnitten entsprechen, die größer als eine Systemtaktperiode sind. Der dritte Wert stellt einen einge­ stellten Zeitwert mit einem ganzzahligen Teil und einem Bruch­ teil dar und kann größer als eine Systemtaktperiode sein. Der Bruchteil des dritten Wertes wird als der Zeitwert für die weitere Signalverarbeitung verwendet. Der ganzzahlige Anteil des dritten Wertes wird verwendet, um die Ankunftszeit des Bruchteils des dritten Wertes durch logisches Einfügen (für positive Werte) oder Löschen (für negative Werte) derselben Anzahl von Pipeline-Verzögerungsstufen in dem Signalverar­ beitungspfad einzustellen. Zu dem ersten, zweiten oder dritten Einstellwert kann ein konstanter OFFSET addiert werden, um den Bereich für den dritten Wert derart einzustellen, daß er für den Bereich der in dem Signalverarbeitungspfad vorgesehenen Verzögerungseinstellung geeignet ist. Diese Einstellungen kompensieren, unabhängig von der Geschwindigkeit, genau die Verzögerungen in den Meß- und Referenz-Signalpfaden.

Weil die Referenzfrequenz genau bekannt ist, werden die ge­ messenen Zeitabschnitte oder -intervalle durch arithmetische Manipulation in gemessene Änderungen der Phase umgewandelt. Die Änderungen der Phase werden dann summiert, um die gemessene Position zu ergeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen noch ausführlicher erläutert.

Fig. 1 ist ein Gesamtblockschaltbild von einem der­ zeit bevorzugten Interferometersystem, bei dem die bevorzugte Kompensation des Datenalters gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Fig. 2 ist ein ausführlicheres Blockschaltbild des Teils des bevorzugten Datenalter-Einstellers des Interfero­ metersystems nach Fig. 1.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, vorzugs­ weise ein Interferometersystem und am meisten bevorzugt ein Überlagerungsinterferometersystem, das zur gleichzeitigen Messung, für eine oder mehrere Meßachsen, zu jedem Abtast- oder Meßzeitpunkt, mit Genauigkeit und Sicherheit, von sowohl relativen Änderungen der Position - beispielsweise der Länge oder der optischen Länge - als auch der relativen Zeit, zu der jede Abtastung oder Positionsmessung erfolgt, betrieben wird.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Überlagerungsinterferometer­ system gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine Licht­ quelle 12, beispiels- und vorzugsweise ein Laser mit stabili­ sierter Frequenz, erzeugt ein Paar von im wesentlichen die gleiche Intensität aufweisenden, orthogonal polarisierten optischen Strahlen 14, 16, deren Frequenzen sich vorzugsweise um f₀ voneinander unterscheiden. Die optischen Strahlen 14, 16 sind vorzugsweise weiterhin deckungsgleich, obwohl sie in Fig. 1 zur klareren und einfacheren Darstellung als leicht quer versetzt voneinander dargestellt sind. Die Lichtquelle kann beispielsweise wie in dem im gemeinsamen Besitz befind­ lichen US-Patent 5 249 030 beschrieben sein, wobei die Frequenz f₀ beispiels- und vorzugsweise im Bereich von 20 MHz liegen kann. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Frequenz beschränkt, und es können wesentlich niedrigere oder wesent­ lich höhere Frequenzwerte als der hier als Beispiel angegebene Wert verwendet werden, ohne daß der Schutzbereich der vor­ liegenden Erfindung verlassen wird.

Die orthogonal polarisierten optischen Strahlen 14, 16 werden vorzugsweise dem Interferometer 18 zugeführt, das vorzugsweise zur Messung der interessierenden Länge oder Position konfigu­ riert ist. In Fig. 1 ist das Interferometer 18 lediglich beispielsweise in Form eines einfachen linearen Verschiebungs­ interferometers dargestellt, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art von Interferometern beschränkt ist, sondern mit den verschiedensten Arten von Interferometern verwendet werden kann, wie beispielsweise mit Interferometern mit ebenem Spiegel, Differential- und Multi-Weg-Interfero­ metern. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Interferometer 18 reflektiert ein Polarisations-Strahlteiler 20 das s-polarisierte Licht vollständig, d. h. Licht, dessen Polarisationsvektor senkrecht zur Einfallsebene des ankommenden Strahls 14 ist, der dadurch gerichtet reflektiert wird, wodurch ein Strahl 22 zu einem ersten Rückstrahler 24 festgelegt wird. Der Rückstrahler 24 reflektiert den s-polarisierten Strahl 22 zurück zu dem Strahlteiler 20, wodurch ein Strahl 26 definiert wird, der erneut durch den Strahlenteiler 20 reflektiert wird, um den Ausgangsstrahl 28 zu definieren. Der Rückstrahler 24 ist vor­ zugsweise bezüglich dem Strahlenteiler 20 mit festem Abstand angeordnet, um durch das Interferometer 18 einen Weg mit konstanter Länge zu definieren, den die Strahlen 22, 26 zurück­ legen.

Entsprechend transmittiert der Strahlenteiler 20 das p-polari­ sierte Licht, d. h. Licht, dessen Polarisationsvektor in der Einfallsebene liegt, des ankommenden Strahls 16 vollständig, der dadurch durch den Strahlenteiler 20 geleitet wird und einen Strahl 30 zu einem zweiten Rückstrahler 32 definiert. Der Rückstrahler 32 reflektiert den Strahl 30, wodurch ein Strahl 34 definiert wird, der den Strahlenteiler 20 erneut durchläuft und diesen als Ausgangsstrahl 38 verläßt. Die Ausgangsstrahlen 28 und 38 sind, wie die ankommenden Strahlen 14, 16, vorzugs­ weise deckungsgleich und orthogonal polarisiert. Der zweite Rückstrahler 32 ist vorzugsweise bezüglich dem Strahlenteiler 20 und in den Richtungen, die in Fig. 1 durch die Pfeile gekennzeichnet sind, beweg- oder verschiebbar, um für die optischen Strahlen 30 und 34 einen Weg mit variabler Länge zu definieren. Die Bewegung oder Verschiebung des Rückstrahlers 32 verändert die Phase des Ausgangsstrahls 38 bezüglich dem Ausgangsstrahl 28.

Die Ausgangsstrahlen 28, 38 sind auf einen üblichen Empfänger 40 gerichtet, der vorzugsweise einen Mischpolarisierer 35 ein­ schließt, der die parallelen und sich überschneidenden Anteile der Strahlen 28, 38 mischt, um jeden von ihnen mit einem Anteil ähnlicher Polarisation 28a, 38a zu versehen. Die sich ergeben­ den ähnlich polarisierten Strahlen 28a, 38a werden einem photo­ elektrischen Detektor 37 zugeführt, wie beispielsweise einer Photodiode, um ein elektrisches Meß- oder Interferenzsignal 41 zu erzeugen. Das elektrische Signal 41 von dem photoelektrischen Detektor 37 durchläuft eine übliche Signalverstärkungs- und -konditionierungsschaltung 39, um am Ausgang des Empfängers 40 ein Meßsignal 42 zu erzeugen. Das Meßsignal 42 weist vor­ zugsweise eine Frequenz F_M auf, die gleich f₀ plus der Dopplerfrequenzverschiebung ist, die gleich ± nv/c ist, wobei v die Geschwindigkeit des Interferometerelementes, dessen Position gemessen wird, c die Lichtgeschwindigkeit und n gleich 2,4 usw. ist, abhängig von der Art des verwendeten Verschie­ bungs-Interferometers. In dem Beispiel nach Fig. 1 wird die Dopplerfrequenzverschiebung durch die Bewegung des Rückstrahlers 32 erzeugt, und somit ist n = 2.

Das Referenzsignal 44 ist vorzugsweise ein Signal mit einer konstanten Frequenz F_R, die typischerweise gleich der Diffe­ renzfrequenz f₀ der optischen Strahlen ist, obwohl, falls dies erwünscht ist, auch eine höhere oder niedrigere Frequenz verwendet werden kann, die ein ganzes Vielfaches von f₀ ist. Dieses Signal kann von einem elektrischen Signal innerhalb der Lichtquelle 12 abgeleitet werden, oder es kann erzeugt werden, indem ein Anteil der optischen Strahlen 14, 16 aus der Licht­ quelle 12 einem ähnlichen Empfänger wie dem Meßempfänger 40 zugeführt werden.

Das Referenzsignal 44 wird vorzugsweise einem Phasenmesser 46 zugeführt und von diesem verwendet, um den Systemtakt 48 zu erzeugen. Der Systemtakt 48 wird vorzugsweise von den zugehö­ rigen Schaltungen verwendet, die einen Datenalter-Einsteller 56, einen Akkumulator 62, einen Interpolator 66 und ein Digitalfilter 70 umfassen, um die Daten synchron durch die verschiedenen Verarbeitungsfunktionen zu leiten. Die Frequenz F_C des Systemtaktes ist vorzugsweise eine konstante Frequenz, die derart gewählt ist, daß sie größer als die maximale Meßrate des Phasenmessers 46 und ein ganzes Vielfaches von f₀ ist. Beispielsweise kann die Frequenz F_c gleich 2 × f₀ sein, d. h. in der Größenordnung von 40 MHz liegen.

Auch das Meßsignal 42 wird vorzugsweise dem Phasenmesser 46 zugeführt, der relativ zum Systemtakt 48 die Zeit mißt, zu der Signalübergänge des Meßsignals 42 auftreten. Typischer- und vorzugsweise wird nur ein Signalübergang pro Signalperiode gemessen, beispielsweise der Übergang der ansteigenden Flanke, obwohl die Messung von beiden Übergängen pro Signalperiode eine gewisse Erhöhung der Genauigkeit ergibt und verwendet werden kann, falls dies erwünscht ist.

Vorzugsweise stellt der Phasenmesser 46 bei jedem Zyklus des Systemtakts 48 den gemessenen Flankenqualifiziererwert 50 und den gemessenen Zeitwert 52 zur Verfügung. Wenn eine Flanke, d. h. ein Signalübergang in dem Meßsignal 42 gemessen wurde, zeigt der Flankenqualifiziererwert 50 an, daß eine Flanke aufgetreten ist, und der gemessene Zeitwert 52 stellt die Position der gemessenen Flanke als Bruchteil bezogen auf die Periode des Systemtakts 48 dar. Wenn der gemessene Flanken­ qualifizierwert 50 anzeigt, daß keine Flanke aufgetreten ist, ist der gemessene Zeitwert 52 irrelevant.

Der gemessene Flankenqualifizierwert 50, der gemessene Zeitwert 52 und ein Datenalter-Einstellwert 54 werden vorzugsweise dem Datenalter-Einsteller 56 zugeführt, der vorzugsweise, wie nach­ folgend beschrieben, einen eingestellten Flankenqualifizier­ wert 58 und einen eingestellten Zeitwert 60 erzeugt. Die einge­ stellten Werte können mit dem gleichen Zyklus des Systemtakts 48 wie die entsprechenden Eingangswerte oder mit einem späteren Zyklus des Systemtakts 48 erzeugt werden, entsprechend den Vor­ gaben des Datenalter-Einstellers 56, wie dies nachfolgend im Zusammenhang mit Tabelle 1 noch ausführlicher beschrieben wird. Der eingestellte logische Flankenqualifizierwert 58 wird vor­ zugsweise dem Akkumulator 62, dem Interpolator 66 und dem Digitalfilter 70 zugeführt, um zu ermöglichen, daß nur qualifi­ zierte Werte weitergegeben werden. Diese Datenalter-Einstellung der gemessenen Zeitwerte kompensiert exakt Verzögerungen in den Meß- oder Referenzsignalpfaden, und zwar geschwindigkeits­ unabhängig.

Da die physikalische Position, die optische Phase und die elek­ trische Phase über bekannte Konstanten zusammenhängen, wird in der nachfolgenden Beschreibung der Einfachheit halber auf die Position eingegangen. Bei der Verwirklichung kann vorzugsweise eine bequeme Einheit für die elektrische Phase verwendet wer­ den, beispielsweise 1/512 mal der Periode von f₀, als Posi­ tionseinheit in Bruchform.

Der eingestellte Zeitwert 60 wird vorzugsweise dem Akku­ mulator 62 zugeführt, der diesen zuerst in einen Positions-Differenzwert (nicht gezeigt) umwandelt. Der Positions-Differenzwert wird vorzugsweise aus aufeinanderfolgenden qualifizierten eingestellten Zeitwerten 60 gemäß Gleichung 1 berechnet:

ΔP = M - 1 - C + T₁ - T₂ Gleichung 1

Dabei ist ΔP der Positions-Differenzwert, M ist das Verhältnis zwischen der Frequenz F_C des Systemtakts 48 und der optischen Frequenzdifferenz f₀, T₁ ist der vorhergehende qualifizierte Zeitwert, T₂ ist der aktuelle qualifizierte Zeitwert und C ist die Anzahl von Perioden des Systemtakts 48 zwischen der Messung von T1 und der Messung von T2. Die arithmetische Mani­ pulation zur Erzeugung des Positions-Differenzwertes kann in irgendeiner, für die spezielle Ausführungsform am geeignetsten scheinenden Reihenfolge durchgeführt werden, d. h. entsprechend der hier beschriebenen derzeit am meisten bevorzugten Aus­ führungsform, oder mit der im US-Patent 5 249 030 beschriebenen äquivalenten Methode, ohne sich dadurch von der vorliegenden Erfindung zu entfernen. Die Positions-Differenzwerte (nicht gezeigt) werden in dem Akkumulator 62 summiert, um den summierten Positionswert 64 zu ergeben, der die gemessene Position zu dem Zeitpunkt darstellt, zu dem die gemessene Flanke aufgetreten ist.

Der summierte Positionswert 64 wird vorzugsweise dem Inter­ polator 66 zugeführt, der den Wert auf der Grundlage des ein­ gestellten Zeitwerts 60 der Messung und des Geschwindigkeits­ wertes 74 derart einstellt, daß der Wert die gemessene Position vorzugsweise in der Mitte der Periode des Systemtakts 48 dar­ stellt. Der eingestellte Zeitwert 60, der dem Interpolator 66 zugeführt wird, wird vorzugsweise als ein mit Vorzeichen ver­ sehener gebrochener Wert im Bereich zwischen einschließlich -1/2 und ausschließlich +1/2 interpretiert, wodurch, im Vergleich zu einem alternativen Verfahren, bei dem ein gebrochener Wert im Bereich zwischen einschließlich 0 und ausschließlich 1 verwendet wird, die Auswirkung der Unsicherheit des Geschwindigkeits­ wertes 74 um die Hälfte verringert wird. Der Geschwindigkeits­ wert 74 wird vorzugsweise von dem Geschwindigkeitsausgang der bevorzugten Ausführungsform des Digitalfilters 70 abgeleitet, obwohl auch andere Maßnahmen eingesetzt werden können, um die geschätzte Geschwindigkeit bereitzustellen, ohne daß dadurch der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ver­ lassen wird.

Das Digitalfilter 70 glättet vorzugsweise die interpolierten Positionswerte und stellt einen gefilterten Positionswert 72 und einen Geschwindigkeitswert 74 bei jedem Zyklus des System­ takts 48 zur Verfügung. Die Auswahl von geeigneten Filterkon­ stanten für das digitale Filter ermöglicht es, das Betriebs­ verhalten des Digitalfilters für diese Anwendung einzu­ stellen oder anzupassen. Bei einem Multi-Achsensystem ergibt das Digitalfilter den Vorteil, daß die dynamischen Ansprech­ verhalten der Filter für alle Achsen genau übereinstimmen, indem einfach identische Filterkonstanten ausgewählt werden. Der eingestellte Flankenqualifizierwert 58 modifiziert den Betrieb des Digitalfilters 70 während den Zyklen des System­ takts 48, während denen kein neuer interpolierter Positionswert 68 vorliegt; beispielsweise wird bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform ein (nicht gezeigter) Rückführ-Fehlerwert inner­ halb des Digitalfilters auf seinem vorhergehenden Wert gehalten, wenn kein neuer interpolierter Positionswert 68 vorliegt. Das Digitalfilter 70 ist vorzugsweise ein konventionelles Digitalfilter und kann vorzugsweise von der Art sein, wie sie im "IRE Transactions on Automatic Control", Juli 1962, beschrieben ist. Das Filter 70 weist vorzugsweise die erwünschte Eigenschaft auf, daß zwischen den Eingangswerten und den Ausgangswerten keine Verzögerung auftritt, wenn keine Beschleunigung vorliegt. Wenn dies erwünscht ist, können auch andere Anordnungen für das Digitalfilter 70 verwendet werden, um gleich gute Ergebnisse zu erhalten.

In Fig. 2 ist der derzeit bevorzugte Datenalter-Einsteller 56 dargestellt. Der Systemtakt 48 wird vorzugsweise den Verzöge­ rungsregistern 86, 92, 96, 114 und 122 zugeführt. Wie dies dar­ gestellt und bevorzugt ist, wird der Datenalter-Einstellwert 54 in einen Bruch-Anteil 80 und einen ganzzahligen oder Integer-Anteil 112 aufgeteilt. Der Bruch-Anteil 80 und der Teil des Da­ tenalter-Einstellers 56, der die Bruchteil-Einstellschaltung 130 darstellt, werden vorzugsweise verwendet, um das Daten­ alter über einen Zeitbereich einzustellen, der kleiner als eine Periode des Systemtakts 48 ist. Der ganzzahlige Anteil 112 und der Teil des Datenaltereinstellers 56, der die Integer-Einstellschaltung 132 darstellt, werden vorzugsweise dazu verwendet, das Datenalter über einen Zeitbereich einzustellen, der gleich einer ganzen Anzahl von Perioden des Systemtakts 48 ist, in ganzen Schritten. Vorzugsweise ermöglichen die Bruchteil-Einstellschaltung 130 und die Integer-Einstell­ schaltung 132 gemeinsam die Einstellung des Datenalters über irgendeinen erwünschten Bereich, mit einer Auflösung, die gleich der gemessenen Zeit-Auflösung ist. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 werden der dem Daten­ alter-Einsteller 56 zugeführte Zeitwert und der Datenalter-Einstellwert als vorzeichenlose positive Werte interpretiert, wodurch die Verwirklichung und das Verständnis der Funktionen vereinfacht wird, obwohl jeder oder beide der Werte vorzeichen­ behaftete oder negative Werte, bei geeigneten Änderungen der Ausführungsform, sein können, ohne daß der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Der gemessene Zeitwert 52 und der Bruch-Anteil 80 des Daten­ alter-Einstellwertes werden vorzugsweise durch einen Addierer 82 addiert, der einen Summenwert 84 und einen Übertragswert 90 erzeugt.

Die Verzögerungsregister 86 und 92 halten vorzugsweise den vorhergehenden Summenwert 88 bzw. den vorhergehenden Übertrags­ wert 94. Das Verzögerungsregister 96 hält vorzugsweise den vorhergehenden gemessenen Flankenqualifizierwert 98.

Wie dies in Fig. 2 dargestellt und weiter bevorzugt ist, werden die aktuellen und die vorhergehenden logischen Flanken­ qualifizierwerte 50, 98 und die aktuellen und die vorhergehenden Übertragswerte 90, 94 einer Steuerlogik 102 zugeführt, die vorzugsweise das Fehlersignal 100, den Zwischen-Flankenquali­ fizierwert 104 und den Ausgabeauswahlwert 106 erzeugt.

Die Betriebsweise der derzeit bevorzugten Bruchteil-Einstell­ schaltung 130 des Datenalter-Einstellers ist in Tabelle 1 zusammengefaßt, wobei 0 und 1 logische Zustände darstellen, während x einen Zustand darstellt, der entweder 0 oder 1 sein kann. In dieser Tabelle und in dieser Erläuterung bedeutet ein Qualifizierwert von 1 beispielsweise einen entsprechen­ den gültigen Zeitwert, und ein Qualifizierwert von 0 bedeutet keinen entsprechenden gültigen Zeitwert. Im folgenden wird auf die Zeilen 1 und 2 von Tabelle 1 Bezug genommen. Wenn der gemessene Flankenqualifizierwert 50 gleich 1 ist, was einen gültigen gemessenen Zeitwert 52 und deshalb einen gültigen Summenwert 84 bedeutet, wobei die Addition des Zeitwertes 52 und des Datenalter-Einstellwertes 80 einen Über­ tragswert 90 von 0 ergibt, was bedeutet, daß kein arithmeti­ scher Übertrag von dem Addierer 82 vorliegt, so liegt der eingestellte Zeitwert innerhalb der gleichen Periode des Systemtaktes 48. In diesem Fall gibt die Steuerlogik 102 den Flankenqualifizier-Zwischenwert 104 als 1 aus, um einen gültigen Zeit-Zwischenwert anzuzeigen, und der Aus­ gabeauswahlwert 106 veranlaßt den Multiplexer 108 dazu, den aktuellen Summenwert 84 als Ausgabewert für einen Zeit-Zwischenwert 110 auszuwählen.

Im folgenden wird auf die Zeilen 3 und 4 der Tabelle 1 Bezug genommen. Wenn der vorhergehende Kantenqualifizierwert 98 gleich 1 ist, was einen gültigen Zeitwert 52 für den vorher­ gehenden Zyklus des Systemtakts 48 und deshalb einen aktuellen gültigen Summenwert 88 bedeutet, und der entsprechende vorher­ gehende Übertragswert 94 gleich 1 ist, ist der eingestellte Zeitwert während des vorhergehenden Zyklus des Systemtakts 48 innerhalb des aktuellen Zyklus des Systemtakts 48. In diesem Fall gibt die Steuerlogik 102 den Flankenqualifizier-Zwischen­ wert 104 als 1 aus, um einen gültigen Zeit-Zwischenwert anzu­ zeigen, und der Ausgabeauswahlwert 106 veranlaßt den Multi­ plexer 108 dazu, den vorhergehenden Summenwert 88 als Ausgabe­ wert für einen Zeit-Zwischenwert 110 auszuwählen.

Im folgenden wird auf Zeile 5 von Tabelle 1 Bezug genommen. Wenn die Umstände ein gleichzeitiges Ausgeben des vorhergehen­ den Zeitwertes und des aktuellen Zeitwertes erfordern, ent­ sprechend der vorstehenden Beschreibung, liegt eine Fehlerbe­ dingung oder ein Fehlerzustand vor. Die Steuerlogik 102 erfaßt diese Bedingung vorzugsweise und gibt ein Fehlersignal 100 aus. Diese Fehlerbedingung tritt nicht auf, wenn die bereits erwähn­ te Bedingung, daß die Frequenz des Systemtakts 48 höher als die höchste Meßrate des Phasenmessers ist, erfüllt ist. Bei diesem Fehlerzustand sind der Flankenqualifizier-Zwischenwert 104, der Ausgabeauswahlwert 106 und, deshalb, der Zeit-Zwischenwert 110 nicht definiert.

Im folgenden wird auf die Zeilen 6, 7, 8 und 9 von Tabelle 1 Bezug genommen. Wenn die in den Zeilen 1 bis 5 beschriebenen Bedingungen nicht erfüllt sind, gibt die Steuerlogik 102 den Flankenqualifizier-Zwischenwert 104 als 0 aus, und der Ausgabeauswahlwert 106 und, deshalb, der Zeit-Zwischenwert 110 sind nicht definiert.

Die Integer-Einstellschaltung 132 wird vorzugsweise dazu verwendet, das Datenalter über einen Zeitbereich, der gleich einer ganzen Anzahl von Perioden des Systemtakts 48 ist, ein­ zustellen. Der Zeit-Zwischenwert 110 und der Flankenqualifi­ zier-Zwischenwert 104 werden vorzugsweise von Verzögerungs­ registern 114 bzw. 122, die die verzögerten Werte 116 bzw. 124 erzeugen, um eine Periode des Systemtakts 48 verzögert. Der ganzzahlige Datenalter-Einstellwert 112 verursacht, daß die Multiplexer 126 und 118 entweder die Ausgabe-Zwischenwerte oder die verzögerten Zwischenwerte auswählen, wodurch ein eingestellter Flankenqualifizierwert 58 und ein eingestellter Zeitwert 60 erzeugt werden. Der Einfachheit halber ist die Einstellschaltung 132 für den ganzzahligen Anteil nur für die Einstellung von Zeitabschnitten, die einer Periode des System­ takts 48 entsprechen, dargestellt, obwohl klar sein sollte, daß das gleiche Verfahren auf irgendeinen erwünschten Zeit­ abschnitt ausgedehnt werden kann, beispielsweise durch Kaskadierung von Abschnitten mit Verzögerungen, die gleich aufeinanderfolgenden Potenzen von 2 sind, d. h. eine Verzö­ gerung, zwei Verzögerungen, vier Verzögerungen und acht Ver­ zögerungen.

Vorstehend wurde die Erfindung bezüglich spezieller Ausfüh­ rungsformen beschrieben. Der Fachmann ist in der Lage, ver­ schiedene Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung durchzuführen, ohne daß der Grundgedanke und der Schutzumfang der Erfindung verlassen werden. Es ist beabsich­ tigt, daß alle Kombinationen von Elementen und Schritten, die im wesentlichen die gleiche Funktion auf dem im wesentlichen gleichen Weg durchführen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, in den Schutzbereich der Erfindung fallen.

Tabelle 1

Claims (16)

1. Verfahren zur Kompensation von Zeitverzögerungen in den Meß- und Referenzsignalpfaden eines Interferometers, wobei die Zeitverzögerungen durch die Signalausbreitung und die Signal­ übertragung über diese Pfade verursacht werden und die Zeit­ verzögerung aufgrund der Signalausbreitung ein bekannter Wert ist und die Zeitverzögerung Unterschiede im Datenalter der Messungen entlang von Meßachsen verursacht, wobei das Verfah­ ren die folgenden Schritten umfaßt:
Messung eines Zeitwertes für die Signalübertragung über die Pfade für ein vorgegebenes Taktperiodenintervall;
Einstellung des gemessenen Zeitwertes für das vorgegebene Intervall bezüglich der bekannten Zeitverzögerung, um das Datenalter zu kompensieren, wobei der Einstellschritt den Schritt umfaßt, die bekannte Zeitverzögerung von dem gemessenen Zeitwert für das vorgegebene Intervall zu subtrahieren, um den eingestellten Zeitwert für das vorgegebene Intervall zur Verfügung zu stellen;
Umwandlung des eingestellten Zeitwertes in eine Phasenmessung; und
Umwandlung der Phasenmessung in eine dynamische interfero­ metrische Positionsmessung, um eine Positionsmessung zur Verfügung zu stellen, die unabhängig von irgendeiner Bewegungs­ geschwindigkeit des Objektes ist, dessen Position gemessen wird und die verringerte Datenalter-Unterschiede zwischen den die Messung ergebenden Signalpfaden aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitwert-Meßschritt den Schritt umfaßt, die Phase des Meßsignals bezüglich eines Systemtaktsig­ nals zu messen, um einen ersten Wert zu ergeben, der für das vorgegebene Intervall dem Systemtakt-Periodenintervall zuge­ ordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Phasenmessung den Schritt umfaßt, die Phase mit Hilfe von Zähler- und Verzöge­ rungsinterpolator-Einrichtungen zu messen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wert kleiner oder gleich einer Systemtaktperiode für das vorgegebene Intervall ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellschritt den Schritt umfaßt, die gemessene Zeitverzögerung in dem Meßsignalpfad durch die Addition eines ersten negativen Einstellwertes zu dem ersten gemessenen Wert zu beseitigen, um einen zweiten Wert zu erzeugen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellschritt weiterhin den Schritt umfaßt, die gemessene Zeitverzögerung in dem Referenz­ signalpfad durch die Addition eines äquivalenten zweiten positiven Einstellwertes zu dem zweiten Wert zu beseitigen, um einen dritten Wert zu erzeugen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellschritt weiterhin den Schritt umfaßt, den ersten und den zweiten Einstellwert zu einem dritten Einstellwert zu kombinieren, wobei dieser dritte Ein­ stellwert den dritten Wert ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellwerte Zeiten darstellen, die eine Systemtaktperiode für das vorgebene Intervall über­ schreiten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Wert einen eingestellten Zeitwert darstellt, der einen ganzzahligen Anteil und einen gebrochenen Anteil aufweist, wobei der gebrochene Anteil des dritten Wertes als ein Zeitwert für die weitere Signalverarbei­ tung und der ganzzahlige Anteil des dritten Wertes für die Ein­ stellung der Ankunftszeit des gebrochenen Anteils des dritten Wertes verwendet werden kann.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellschritt den Schritt umfaßt, die bekannte Zeitverzögerung in dem Referenzsignalpfad durch die Addition eines äquivalenten positiven ersten Einstell­ wertes zu dem gemessenen ersten Wert zu beseitigen, um einen zweiten Wert zu erzeugen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellschritt den Schritt umfaßt, die bekannte Zeitverzögerung in dem Meßsignalpfad durch die Addition eines negativen zweiten Einstellwertes zu dem zweiten Wert zu beseitigen, um einen dritten Wert zu erzeugen.

12. Vorrichtung zur Kompensation von Zeitverzögerungen in den Meß- und Referenzsignalpfaden eines Interferometers, wobei die Zeitverzögerungen durch die Signalausbreitung und die Signalübertragung über diese Pfade verursacht werden, und die Zeitverzögerung aufgrund der Signalausbreitung ein bekannter Wert ist und die Zeitverzögerung Unterschiede im Datenalter der Messungen entlang von Meßachsen verursacht, wobei die Vorrichtung die folgenden Einrichtungen einschließt:
Einrichtungen zur Messung eines Zeitwertes für die Signalüber­ tragung über die Pfade für ein vorgegebenes Taktperioden­ intervall;
Einrichtungen, die betriebsmäßig mit den Zeitwertmeßeinrich­ tungen verbunden sind, um zur Kompensation des Datenalters den gemessenen Zeitwert für das vorgegebene Intervall einzustellen, wobei die Einstelleinrichtungen Einrichtungen aufweisen, um die bekannte Zeitverzögerung von dem gemessenen Zeitwert für das vorgegebene Intervall zu subtrahieren, um den eingestellten Zeitwert für das vorgegebene Intervall zur Verfügung zu stellen;
Einrichtungen, die betriebsmäßig mit den Einstelleinrichtungen verbunden sind, um den eingestellten Zeitwert in eine Phasen­ messung umzuwandeln; und
Einrichtungen, die betriebsmäßig mit den Einrichtungen zur Um­ wandlung des eingestellten Zeitwertes verbunden sind, um die Phasenmessung in eine dynamische interferometrische Posi­ tionsmessung umzuwandeln, um eine Positionsmessung zur Verfü­ gung zu stellen, die unabhängig von irgendeiner Bewegungsge­ geschwindigkeit des Objektes ist, dessen Position gemessen wird, und die verringerte Datenalter-Unterschiede zwischen den die Messung ergebenden Signalpfaden aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin Einrichtungen zur Bereitstellung eines die Taktperiode aufweisenden Systemtakts einschließt, wobei die Zeitwertmeßeinrichtungen Einrichtungen aufweisen, die betriebsmäßig mit dem Systemtakt verbunden sind, um die Phase des Meßsignals bezüglich dem Systemtaktsignal zu messen, um einen ersten Wert zu ergeben, der für das vorgegebene Intervall der Systemtaktperiode zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtungen Daten­ alter-Einstelleinrichtungen aufweisen, um einen eingestellten Flankenqualifizierwert und einen eingestellten Zeitwert zur Verfügung stellen, wobei die Einrichtungen, die den Posi­ tionsmeßwert zur Verfügung stellen, Einrichtungen aufweisen, um einen Positionsdifferenzwert aus aufeinanderfolgenden eingestellten Zeitwerten zur Verfügung zu stellen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer ein Überla­ gerungsinterferometer umfaßt, das zur gleichzeitigen Messung von relativen Positions-Änderungen für die Meßachsen betrieben werden kann, wobei die Einrichtungen, die die Positionsdifferenz zur Verfügung stellen, Einrichtungen auf­ weisen, um den Positionsdifferenzwert gemäß dem Ausdruck ΔP = M - 1 - C + T₁ - T₂ bereitzustellen, wobei M das Verhältnis zwischen der Systemtaktfrequenz und der optischen Differenzfrequenz in dem Überlagerungsinterferometer, T₁ der vorhergehende qualifizierte Zeitwert, T₂ der aktuelle qualifizierte Zeitwert, und C die Anzahl der Systemtaktperioden zwischen der Messung von T₁ und der Messung von T₂ ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die die Posi­ tionsmessung zur Verfügung stellen, weiterhin Akkumulatorein­ richtungen zur Summierung der Positionsdifferenzwerte auf­ weisen, um einen summierten Positionswert zur Verfügung zu stellen.