DE19738328B4

DE19738328B4 - Interferometrische Vorrichtung zur Messung von Bewegungen eines Objektträgers relativ zu festen Reflektoren

Info

Publication number: DE19738328B4
Application number: DE19738328A
Authority: DE
Inventors: Carl A. Middlefield Zanoni
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2017-09-03
Also published as: JPH10213413A; DE19738328A1; US5724136A

Abstract

Interferometrisches System zur Messung der Bewegung eines sich bewegenden Objektträgers (16), wobei das System folgende Merkmale aufweist:
– eine Quelle (10) eines linear polarisierten, in der Frequenz stabilisierten Einfrequenz-Lichtstrahls, wobei diese Quelle fern von dem sich bewegenden Objektträger (16) angeordnet und optisch auf diesen ausgerichtet ist;
– eine optische Faser (12), die zwischen der fernen Lichtquelle (10) und dem sich bewegenden Objektträger (16) angeordnet ist, um den Lichtstrahl dem sich bewegenden Objektträger (16) zuzuführen;
– der sich bewegende Objektträger (16) umfaßt ein Modul (14) und die optische Faser leitet den Lichtstrahl nach dem Modul (14), das Mittel (42) aufweist, um den eingeleiteten Einfrequenz-Lichtstrahl in einen Zweifrequenz-Lichtstrahl (44) mit zueinander orthogonalen Polarisationskomponenten umzuformen, wobei das Modul (14) außerdem wenigstens ein erstes und ein zweites Interferometer (52, 54) aufweist, um erste und zweite Meßstrahlen (18, 20) und erste und zweite Lichtsignalausgänge (55, 57) zu erzeugen, um die Bewegung, die...

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung zur Messung der Versetzung eines sich bewegenden Objektträgers. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine interferometrische Vorrichtung, die Lichtstrahlen mit zwei Frequenzen benutzt, um die Versetzung eines sich bewegenden Objektträgers zu messen, wobei die Lichtquelle von diesem Objektträger entfernt ist.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Die Benutzung der Interferometrie zur Messung von Änderungen in der Lage, der Länge, des Abstands, der Winkel und der optischen Länge ist bekannt, vgl. beispielsweise N. Bobroff, "Recent advances in displacement measuring interferometry", Measurement Science & Technology, S. 907-926, Vol. 4, Nr. 9, Sept. 1993, und US-PS 4 688 940. Da die Laserquellen für diese Interferometer gewöhnlich groß sind und beträchtliche Wärmemengen erzeugen, werden sie gewöhnlich nicht auf dem sich bewegenden Objektträger angebracht. Dies erfordert, daß einer der Reflektoren im Interferometer, beispielsweise ein ebener Spiegel, auf dem Objektträger montiert wird. Es gibt gewöhnlich einen Reflektor pro Versetzungsachse. Bei großen Bewegungen und vielen Bewegungsachsen kann dieser Reflektor oder können diese Reflektoren sehr groß und schwer werden; dadurch wird das dynamische Verhalten des Objektträgers begrenzt. Eine bekannte Technik, die sich mit diesem Problem befaßt, ist in der US-PS 4 647 206 beschrieben. Diese US-PS 4 647 206 beschreibt einen Lichtstrahl mit einer einzigen Frequenz, der einem Interferometer zugeführt wird, das auf dem sich bewegenden Objektträger über eine optische Faser zugeführt wird, und die Intensität der wieder kombinierten Strahlen wird durch Photodetektoren auf dem Objektträger festgestellt. Dies ist notwendig, weil beträchtliche Fehler durch die optischen Fasern eingeführt werden können, wenn die wieder kombinierten Strahlen über optische Fasern von dem Objektträger nach den Photodetektoren auf einem sich nicht bewegenden Teil der Vorrichtung übertragen werden.
Eine Zwei-Frequenz-Interferometrie ergibt zahlreiche Vorteile im Vergleich mit einer Einfach-Frequenz-Interferometrie, insbesondere bei metrologischen Anwendungen, die eine hohe Präzision und/oder Mehrfach-Achsen-Anordnung benötigen, vgl. beispielsweise John N. Dukes, et al., „A Two-Hundred-Foot Yardstick with Graduations Every Microinch", Seiten 2-16, Hewlett Packard Journal, August 1970, US-PS 3 458 259 und US-PS 3 656 853.
Die Literaturstelle T. Yoshino, „Heterodyne Technology for Optical Sensors", S. 40-43, Optical Fiber Sensors, Technical Digest Series, Vol. 2, Teil 1, Januar 27-29, 1988 beschreibt verschiedene Anordnungen zur Benutzung optischer Fasern, um eine Zwei-Frequenz-Lichtquelle mit einem Interferometer zu koppeln. Insbesondere 3 dieser Veröffentlichung beschreibt die Notwendigkeit eines Bezugsdetektors am Ausgangsende der optischen Faser vor dem Interferometer, um ungünstige Effekte der zwei senkrecht polarisierten Lichtstrahlen zu kompensieren, die durch die optische Faser dem Interferometer zugeführt werden. Dies erhöht natürlich die Kosten und den komplexen Aufbau der Vorrichtung, da eine Monomode-Faser erforderlich ist, die die Polarisation aufrechterhält. Die US-PS 5 274 436 beschreibt die gleiche Technik.
F. Faure und D. Le Guen, Electronics Letters, 18, 964, 1982, und T. Yoshino und N. Yoshida, Technical Digest of the International Conference an Integrated Optical Fibre Communication and the European Con ference an Optical Communication, Venedig/Italien, Oktober 1985, S. 863, beschreiben auf Faseroptik basierende Empfänger für laser-interferometrische Systeme. Die US-PS 4 784 489 beschreibt die gleiche Technik.
Bei bekannten optischen Zwei-Frequenz-Heterodyn-Interferometern werden die beiden optischen Frequenzen durch eine der folgenden Techniken erzeugt: Benutzung eines Zeeman-Splitlasers (vgl. beispielsweise die US-PS 3 458 259; G. Bouwhuis, „Interferometric Mit Gaslasers", Ned. T. Natuurk, Vol. 34, S. 225-232, Aug. 1968; John N. Dukes, et al., „A Two-Hundred-Foot Yardstick with Graduations Every Microinch", Seiten 2-16, Hewlett Packard Journal, Aug. 1970; US-PS 3 656 853; Hewlett Packard Journal, Seiten 3-36, Apr. 1983; und H. Matsumoto, „Recent interferometric measurements using stabilized lasers", Precision Engineering, Vol. 62, S. 87-94, 1984), Benutzung eines Paars akusto-optischer Bragg-Zellen (vgl. beispielsweise Y. Ohtsuka und K. Itoh, „Two-frequency Laser Interferometer for Small Displacement Measurements in a Low Frequency Range", Applied Optics, Vol. 18, S. 219-224, 15. Januar 1979; N. Massie et al., „Measuring Laser Flow Fields With a 64-Channel Heterodyne Interferometer" Applied Optics, Vol. 22, S. 2141-2151, 1983; Y. Ohtsuka und M. Tsubokawa, „Dynamic Two-frequency Interferometry for Small Displacement Measurements", Optics and Laser Technology, Vol. 16, S. 25-29, 1984; H. Matsumoto, op. cit.; US-PS 5 485 272; N.A. Riza und M.M.K. Howlader, „Acousto-optic system for the generation and control of tunable low-frequency signals", Opt. Eng., Vol. 35, S.920-925, 1996), Benutzung einer einzelnen akusto-optischen Bragg-Zelle (vgl. beispielsweise US-PS 4 684 828; US-PS 4 687 958; US-PS 5 485 272; US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/686536 ( US 5 862 164 A ) „Apparatus to Transform with High Efficiency a Single Frequency Linearly Polarized Laser Beam Into Beams with Two Orthogonally Polarized Frequency Components").
Benutzung von zwei Längsmoden eines ungerichtet polarisierten HeNe-Lasers (vgl. beispielsweise J.B. Ferguson und R.H. Morris, „Single Mode Collapse in 6328 Å HeNe Lasers", Applied Optics, Vol. 17, S. 2924-2929, 1978) oder Benutzung eines elektro-optischen Modulators (vgl. beispielsweise Der-Chin Su et al., „Simple two-frequency laser", Precision Engineering, Vol. 18, S. 161-163, 1996).
Die Benutzung eines Zeeman-Splitlasers oder eines Lasers, der die beiden Längsmoden benutzt, bietet sich nicht als Zwei-Frequenz-Quelle auf dem Objektträger an, und zwar wegen ihrer Größe und Wärmeentwicklung. In gleicher Weise bietet sich die Benutzung eines Zeeman-Splitlasers oder eines Lasers, der zwei Längsmoden benutzt, nicht als Zwei-Frequenz-Lichtquelle an, die nicht auf dem Objektträger, sondern fern von diesem benutzt wird, weil die Techniken, die in Yoshino 1988 veröffentlicht wurden, benutzt werden müssen, und zwar mit den ihnen anhaftenden Begrenzungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein interferometrisches System zu schaffen, das eine präzise Messung einer Bewegung eines Objektträgers liefert und eine Zweifrequenz-Versetzungsinterferometrie benutzt, wobei die Lichtquelle und die Interferometer-Reflektorelemente nicht auf dem sich bewegenden Objektträger angeordnet sind.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Demgemäß umfaßt das erfindungsgemäße System die folgenden Teile: eine Quelle eines frequenzstabilisierten, linear polarisierten Strahls einer einzigen Frequenz, der in eine opti sche Faser geschickt wird, um den Strahl einem Modul auf dem sich bewegenden Objektträger zu übermitteln; das Modul enthält eine vorzugsweise akusto-optische Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahls mit einer Frequenzdifferenz zwischen zwei orthogonalen Polarisationskomponentenzuständen des Strahls, der den Generator erregt, eine Strahlformungs- und -teileroptik, einen oder mehrere Interferometer, einen oder mehrere optische Mischer und eine oder mehrere Fokussierungsoptiken, um die Ausgangsstrahlen der Interferometer in eine oder mehrere optische Fasern zu schicken, die die Interferenzsignale photoelektrischen Detektoren liefern, wobei eine Prozeßelektronik vorgesehen ist, die Daten über die Bewegung des Objektträgers liefert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
2 eine schematische Darstellung des Konversionsmoduls, das auf dem sich bewegenden Objektträger der Ausführungsform nach 1 angeordnet ist.
Einzelbeschreibung der Erfindung
1 zeigt in schematischer Form ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Lichtquelle 10 liefert einen linear polarisierten, frequenzstabilisierten Lichtstrahl einer einzigen Frequenz, der in die optische Faser 12 unter Benutzung bekannter Verfahren eingekoppelt wird. Die optische Faser 12 führt den Lichtstrahl einem Modul 14 zu, das auf einem sich bewegenden Objektträger 16 angeordnet ist. Das Modul 14 wan delt den von der optischen Faser 12 gelieferten Lichtstrahl in Meßstrahlen 18 und 20 um. Diese Umwandlung wird im einzelnen in Verbindung mit 2 beschrieben. Zwei ebene Spiegel 24 und 25 sind stationär angeordnet, d. h. sie sind an dem sich nicht bewegenden Teil der Vorrichtung montiert. Der Objektträger 16 kann sich in der Ebene von 1, d. h. in X-Y-Richtung gemäß 1, bewegen. Das Modul 14 (vgl. 2) enthält vorzugsweise die Mittel zur Umwandlung des Ein-Frequenz-Strahls der Lichtquelle 10 in einen Zwei-Frequenz-Strahl, der senkrecht polarisiert ist; es sind herkömmliche Interferometer 52, 54 vorgesehen, um die Versetzungsmessung durchzuführen; ferner sind optische Mischer und Mittel vorgesehen, die die vermischten optischen Signale in optische Fasern 26 und 28 einkoppeln. Ein elektronisches Modul 30 enthält einen (nicht dargestellten) stabilisierten elektronischen Oszillator, der vorzugsweise ein elektrisches Signal 29 an ein Element 42 im Modul 14 schickt, das den Ein-Frequenz-Strahl in einen Zwei-Frequenz-Strahl umwandelt. Das elektronische Modul 30 enthält vorzugsweise auch Linsen 32 und 34 zur Fokussierung der Lichtsignale von den Interferometern 52, 54 auf die Photodetektoren 36 und 38. Die Ausgänge der Photodetektoren 36 und 38 werden so verarbeitet, daß die Bewegungsinformation auf irgendeine Weise erhalten wird, wie dies beispielsweise aus der US-PS 4 688 940 hervorgeht.
2 beschreibt im einzelnen das Umwandlungsmodul 14. Das Modul 14 enthält vorzugsweise einen Frequenzgenerator 42, der eine Umwandlung von einer einzigen Frequenz in eine Doppelfrequenz bewirkt, und zwar vorzugsweise eine akustooptische Vorrichtung, ähnlich wie diese in den US-PS 4 684 828 und 4 687 958 beschrieben sind. Eine Linse 40 sammelt vorzugsweise den Ein-Frequenz-Strahl, der die optische Faser 12 erregt und diese in einen Ein-Frequenz-Strahl 41 umwandelt. Der Strahl 41 durchläuft vorzugsweise den Zwei-Frequenz-Generator 42, um einen Zwei-Frequenz-Kollimationasstrahl 44 zu erzeugen. Der Strahl 44 durchläuft vorzugsweise einen herkömmlichen Strahiteiler 46, um zwei Strahlen 48 bzw. 50 zu erzeugen. Die Strahlen 48 und 50 sind die Eingangsstrahlen für die Interferometer 54 bzw. 52. Die Interferometer 54 und 52 können von bekannter Bauart sein, wie diese beispielsweise in der Druckschrift C. Zanoni, "Differential Interferometer Arrangements for Distance and Angle Measurements: Principles, Advantages and Applications", S. 93-106, VDI-Berichte Nr. 749, 1989, beschrieben sind. Die Meßstrahlen 18 und 20 werden vorzugsweise von den ebenen Spiegeln 24 bzw. 25 reflektiert, um Interferometerausgangsstrahlen 55 bzw. 57 zu erzeugen. Die Strahlen 55 und 57 durchlaufen dann vorzugsweise herkömmliche Polarisatoren 56 bzw. 58 und werden dann in die optischen Fasern 28 bzw. 12 durch Linsen 60 bzw. 62 eingekoppelt.
Die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß eine Zwei-Frequenz-Interferometrie benutzt werden kann, wobei die Lichtquelle nicht auf dem sich bewegenden Objektträger angeordnet ist. Die einzigen Elemente auf dem Objektträger sind der Zwei-Frequenz-Generator, die Interferometer, die optischen Faseraufnahmeempfänger und eine gewisse Optik. Dies führt zu einem kompakten Modul mit einer minimalen Wärmeerzeugung auf dem sich bewegenden Objektträger.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Für den Fachmann ist es jedoch klar, daß zahlreiche Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele getroffen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Sämtliche Kombinationen von Elementen und Schritten, die die gleiche Funktion durchführen, sollen im Rahmen der Erfindung von den nachfolgenden Ansprüchen erfaßt werden.

Claims

Interferometrisches System zur Messung der Bewegung eines sich bewegenden Objektträgers (16), wobei das System folgende Merkmale aufweist: – eine Quelle (10) eines linear polarisierten, in der Frequenz stabilisierten Einfrequenz-Lichtstrahls, wobei diese Quelle fern von dem sich bewegenden Objektträger (16) angeordnet und optisch auf diesen ausgerichtet ist; – eine optische Faser (12), die zwischen der fernen Lichtquelle (10) und dem sich bewegenden Objektträger (16) angeordnet ist, um den Lichtstrahl dem sich bewegenden Objektträger (16) zuzuführen; – der sich bewegende Objektträger (16) umfaßt ein Modul (14) und die optische Faser leitet den Lichtstrahl nach dem Modul (14), das Mittel (42) aufweist, um den eingeleiteten Einfrequenz-Lichtstrahl in einen Zweifrequenz-Lichtstrahl (44) mit zueinander orthogonalen Polarisationskomponenten umzuformen, wobei das Modul (14) außerdem wenigstens ein erstes und ein zweites Interferometer (52, 54) aufweist, um erste und zweite Meßstrahlen (18, 20) und erste und zweite Lichtsignalausgänge (55, 57) zu erzeugen, um die Bewegung, die auf den orthogonalen Komponenten des Zweifrequenz-Lichtstrahles (14) basiert, zu messen; – erste und zweite feste Reflektoren (24, 25) sind fern von dem sich bewegenden Objektträger (16) angeordnet und optisch auf das erste und zweite Interferometer (52, 54) ausgerichtet, um den ersten und zweiten Meßstrahl (18, 20) zu reflektieren und die ersten und zweiten Interferometer-Lichtsignalausgänge (55, 57) zu liefern, die eine Messung der Bewegungen des sich bewegenden Objektträgers (16) relativ zu dem ersten und zweiten Reflektor (24, 25) bewirken; und – Mittel (36, 38) zur Umwandlung des ersten und zweiten Lichtsignalausgangs in die Messung einer Bewegung.
Interferometrisches System nach Anspruch 1, bei welchem erster und zweiter Reflektor als ebene Spiegel (24, 25) ausgebildet sind.
Interferometrisches System nach Anspruch 2, bei welchem die Mittel zur Umwandlung des ersten und zweiten Lichtsignalausgangs (55, 57) in die Bewegungsmessung aus Photodetektoren (36, 38) bestehen, die optisch auf den ersten und zweiten Lichtsignalausgang (55, 57) ausgerichtet sind.
Interferometrisches System nach Anspruch 3, bei welchem erste und zweite Photodetektoren (36, 38) für den ersten und zweiten Lichtsignalausgang (55, 57) vorgesehen sind.
Interferometrisches System nach Anspruch 4, bei welchem außerdem Mittel (32, 34) vorgesehen sind, um die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge (55, 57) auf dem ersten und zweiten Photodetektor (36, 38) zu fokussieren.
Interferometrisches System nach Anspruch 5, bei welchem die Mittel zur Umwandlung des Einfrequenz-Lichtstrahls in einen Zweifrequenz-Lichtstrahl akusto-optische Mittel aufweisen.
Interferometrisches System nach Anspruch 1, bei welchem die Mittel zur Umwandlung der ersten und zweiten Lichtsignal ausgänge in Bewegungsmessungen aus einer Photodetektoranordnung bestehen, die optisch auf die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge ausgerichtet ist.
Interferometrisches System nach Anspruch 7, bei welchem die Photodetektoranordnung einen getrennten ersten und einen getrennten zweiten Photodetektor (36, 38) für die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge (55, 57) aufweist.
Interferometrisches System nach Anspruch 8, welches außerdem Mittel aufweist, um die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge auf dem ersten bzw. zweiten Photodetektor zu fokussieren.
Interferometrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Mittel (42) zur Umwandlung des Einfrequenz-Lichtstrahls in den Zweifrequenz-Lichtstrahl eine akusto-optische Einrichtung aufweisen.
Interferometrisches System nach Anspruch 10, bei welchem die Frequenzumwandlungseinrichtung (42) Mittel aufweist, um den Einfrequenz-Lichtstrahl zu kollimieren, der über die optische Faser (12) zugeführt wird.
Interferometrisches System nach Anspruch 11, bei welchem die Frequenzumwandlungseinrichtung (42) außerdem Mittel aufweist, um den Einfrequenz-Kollimatorstrahl (12) in einen Zweifrequenz-Kollimatorstrahl umzuwandeln, wobei der Zweifrequenz-Kollimatorstrahl die beiden Frequenzen senkrecht zueinander polarisiert enthält.
Interferometrisches System nach Anspruch 12, bei welchem die Frequenzumwandlungseinrichtung außerdem Mittel aufweist, um den Zweifrequenz-Strahl in zwei getrennte Eingangsstrahlen (48, 50) für das erste und zweite Interferometer (52, 54) umzuwandeln.
Interferometrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem das Modul (14) außerdem Polarisatoren (56, 58) aufweist, die optisch auf die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge (55, 57) ausgerichtet sind.