DE19847853A1

DE19847853A1 - Längenmeßvorrichtung und Verfahren zum Verwenden von Laserstrahlen

Info

Publication number: DE19847853A1
Application number: DE19847853A
Authority: DE
Inventors: Kunitoshi Nishimura; Morimasa Ueda; Kiyokazu Okamoto
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 1999-04-22
Also published as: US6034773A; JPH11118421A; GB2330411A; GB9822668D0; GB2330411B; JP3202183B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl eine Ultrahochpräzisions-Län genmeßvorrichtung, die Laserstrahlen verwendet, die eine Einrichtung auf weist, so daß Gradeinteilungen auf einem physikalischen Medium in einer Längs richtung markiert sind und die den Einfluß einer Änderung im Laufe der Zeit oder einer Arbeitsumgebung steuert als auch ein Längenmeßverfahren.

Bisher gibt es zwei Arten der Meßinstrumente: Eine verwendet eine Längenmeß vorrichtung, die andere verwendet Laserstrahlen. Im Falle der Längenmessung unter Verwendung der Längenmeßvorrichtung ist es möglich, eine stabile Mes sung, selbst während sich die Längenmeßvorrichtung in der Luft verändert, durchzuführen, aber das hat folgende Nachteile.

(1) Ein physikalisches Medium wird durch Umgebungstemperatur beeinflußt und deshalb ändert sich ein Teil, auf dem die Gradeinteilungen markiert sind, in seiner Länge. Zum Beispiel im Fall eines Stahlmediums vermin dert sich die Genauigkeit durch 11,8 µm/m °C.
(2) Im Falle eines physikalischen Mediums wird die Länge des Teils, auf dem die Gradeinteilungen markiert sind, uneben, wenn das Medium in einer vertikalen Position ist, selbst wenn eine externe Kraft (Gravitation) stabil ist. Somit vermindert sich die Präzision.
(3) Das physikalische Medium hat die Tendenz, im Laufe der Zeit zu expan dieren und zu kontrahieren. Somit, selbst wenn hitzebeständiges Glas, das unempfindlich gegen Änderung in der Temperatur ist, z. B. ZERO DURE MATERIAL (Handelsname) verwendet wird, ändert sich die Länge in Längsrichtung um 30 bis 70 nm/m pro Jahr im Laufe der Zeit. Dies ist et wa gleich 0,3 bis 0,7 µm/m in zehn Jahren, was einen bedeutenden Wert darstellt.

Auf der anderen Seite wird im Falle eines Eichinterferometers unter Verwendung von Laserstrahlen eine physikalische Eigenschaft der Laserstrahlen zum Stabili sieren der Wellenlänge demonstriert, wie es in einem Vakuum ist, wodurch eine höchstgenaue Längenmessung ermöglicht wird. Jedoch in der Luft wird das Ei chinterferometer leicht durch eine Fluktuation der Luft beeinflußt (Fluktuation des Brechungsindexes). Somit gibt es eine Grenze der Steuerung des Umgebungsein flusses, insbesondere wenn die Messung während der Veränderung durchgeführt wird. Meßinstrumente werden gewöhnlich in einem Raum verwendet, in dem Luft existiert. Es wird berichtet, daß unter derartigen Umständen eine leichte Bewe gung von 2 µm in einer optischen Weglänge von etwa 1 m zu einer Fluktuation der gemessenen Daten von etwa 2 µm wegen des Einflusses einer Fluktuation der Luft führt, die von einer Veränderung des Materialkörpers resultiert. Obwohl ein System, das immer Korrelationen der Fluktuation der Luft, die sich über einen gesamten optischen Weg erstreckt, unter Verwendung von Laserstrahlen von zwei Wellenlängen durchführt, die sehr unterschiedliche Frequenzen aufweisen, in die Praxis eingeführt wurde, kann somit die Fluktuation der gemessenen Daten bis höchstens etwa ±0,01 µm kontrolliert werden, wenn der Materialkörper in einem Stillstand ist.

Wie oben beschrieben, hat die Messung, die eine Längenmeßvorrichtung oder Laserstrahlen verwendet, einen Nachteil und deshalb ist es sehr schwierig, eine stabile und hochauflösende Messung von etwa 0,1 nm oder 1 nm in einem Längsmessungsintervall in der Größenordnung von 1 Meter durchzuführen, insbe sondere eine Messung des Ortes eines wandernden Objektes unter gewöhnlichen Umständen (unter den Umständen, in denen Luft vorhanden ist).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Längenmeßvorrichtung zu schaffen, die eine hohe Auflösung und Genauigkeit aufweist, die beinahe die glei che ist, wie die eines Laserstrahl-Welleninterferometers, das in einem Vakuum bereitgestellt wird, die unter einem gewöhnlichen Umstand verwendet werden kann und die eine stabile Messung eines wandernden Objektes durchführen kann.

Um die oben beschriebene Aufgabe zu erreichen, umfaßt eine Längenmeßvor richtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Struktur, die eine gleichmäßige thermische Ausdehnung in einer Längsrichtung hervorbringt, Gradeinteilungen, die auf einer Wandoberfläche der Struktur bereitzustellen sind, ein Lichtwellen-In terferometer zum Messen einer Länge eines Teiles, auf dem die Gradeinstellun gen bereitgestellt werden und Temperaturregelmittel zum Ändern einer Tempe ratur der Struktur, die auf der durch das Lichtwellen-Interferometer gemessenen Länge basiert. Ein wahrer Wert der Längenmeßvorrichtung wird mit einer hohen Präzision unter Verwendung des Lichtwellen-Interferometers gemessen. Basie rend auf einem Ergebnis der Messung wird die Struktur zum Expandieren und Kontrahieren durch Einstellen der Temperatur der Struktur gebracht, so daß ein nominaler Wert mit einem wahren Wert in Übereinstimmung gebracht wird. So mit wird der Einfluß einer Änderung im Laufe der Zeit oder einer Arbeitsumge bung auf die Längenmeßvorrichtung eliminiert, wodurch es möglich ist, eine hochpräzise Messung unter gewöhnlicher Umgebung durchzuführen.

Dabei wird bevorzugt, daß die Struktur einen geschlossenen hohlen Abschnitt aufweist, der nahezu auf ein Vakuum dekomprimiert ist oder darin eine Substanz aufweist, die einen gleichmäßigen Brechungsindex hat und für Laserstrahlen durchlässig ist.

Vorzugsweise weist die vorliegende Erfindung auch Temperaturerfassungsmittel zum Erfassen einer Temperatur der Struktur auf, wobei die Laserstrahlen eine Wellenlänge in der Weise aufweisen, daß eine Differenz zwischen einer durch das Lichtwellen-Interferometer gemessenen Länge und einem nominalen Wert eine Phasendifferenz innerhalb eines Bereichs einer Wellenlänge wird, wenn die Tem peratur der Struktur, die durch die Temperaturerfassungsmittel erfaßt wird, inner halb eines vorbeschriebenen Bereichs liegt.

Weiterhin weist die vorliegende Erfindung vorzugsweise Rechnermittel zum Kor rigieren von Intervallen zwischen den Gradeinteilungen, die auf einer Tempera turverteilung der Struktur basieren, die durch die Temperaturerfassungsmittel er faßt wird. Eine genauere Längenmessung ist unter einer Temperaturkorrektur der Intervalle zwischen den Gradeinteilungen möglich.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung wer den nun anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht, die eine Längenmeßvorrichtung ge mäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das das Lichtwellen-Interferometer der Fig. 1 zeigt.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Laserstrahlquelle.

Fig. 4 zeigt eine erläuternde Ansicht, die eine Anordnung eines elektrischen Widerstands und eines stromführenden Elementes zeigt.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das die Einrichtung zur Durchführung der Tem peraturregelung der Längenmeßvorrichtung zeigt.

Fig. 6 zeigt eine erläuternde Ansicht, die eine Anordnung einer Laserstrahl quelle zeigt.

Fig. 7 zeigt eine erläuternde Ansicht, die eine weitere Anordnung einer Laser strahlquelle zeigt.

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht, die eine Längenmeßvorrichtung ge mäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das ein Lichtwellen-Interferometer der Fig. 8 zeigt.

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm, das die Gesamteinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Längenmeßvorrichtung der Fig. 10 zeigt.

Fig. 12 zeigt eine erläuternde Ansicht, die ein Prinzip des Lichtwellen-In terferometers der Fig. 10 zeigt.

Fig. 13 zeigt eine Querschnittsansicht, die die Längenmeßvorrichtung der Fig. 10 zeigt.

Fig. 14 ist ein Graph, der eine Temperaturverteilung einer Struktur zeigt.

Fig. 15 ist ein Graph, der einen Umfang der Korrektur der Gradeinteilungsinter valle zeigt.

Fig. 16 ist ein Graph, der einen Umfang der Korrektur des Ortes zeigt.

Fig. 17 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen anderen Aufbau des Licht wellen-Interferometers der Fig. 10 zeigt.

Fig. 18 zeigt eine perspektivische Ansicht, die noch einen anderen Aufbau des Lichtweilen-Interferometers der Fig. 10 zeigt.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Längenmeßvorrichtung unter Verwendung von Laserstrahlen gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Die Län genmeßvorrichtung bringt gleichmäßige thermische Expansion in einer Längs richtung hervor und ist aus einer Struktur 10 zusammengestellt, die einen ge schlossenen hohlen Abschnitt aufweist, der beinahe bis zu einem Vakuum de komprimiert ist. Auf einer externen Wand der Struktur 10 sind Gradeinteilungen 12 in Längsrichtung markiert. "Beinahe auf ein Vakuum" bedeutet ein Vakuum, das praktisch den Einfluß der Fluktuation von Luft auf die Laserstrahlen ignoriert. Es bedeutet nicht unbedingt ein vollständiges Vakuum. Weiterhin sind an einer inneren Wand des geschlossenen hohlen Abschnitts der Struktur 10, elektrische Widerstände 14 aufeinanderfolgend gebildet, die gleichmäßig Wärme in Längs richtung in Reaktion auf einen Strom erzeugen. In dem geschlossenen hohlen Ab schnitt wird ein Lichtwellen-Interferometer zum Messen einer Länge des Ab schnitts der Gradeinteilungen 12 bereitgestellt, die auf der externen Wand der Struktur 10 vorgesehen sind. Das Lichtwellen-Interferometer besteht aus einem Strahlteiler 16 zum Teilen eines optischen Weges von einfallenden Laserstrahlen in einen Referenzzweig des optischen Weges 100 und einen Signalzweig des opti schen Weges 102; einem Eckkubus 18 zum Reflektieren des Signalzweiges des optischen Weges 102 und einem Differenzdetektor 20 für den optischen Weg zum Erfassen einer optischen Wegdifferenz zwischen dem Referenzzweig des opti schen Weges 100 und dem Signalzweig des optischen Weges 102. Weiterhin wer den eine regelbare elektrische Quelle 22 und ein Stromregler 24 zur Stromversor gung der elektrischen Widerstände 14 außerhalb der Struktur 10 bereitgestellt.

Die Struktur 10 kann zum Beispiel aus einem Siliciummonokristall oder ähnli chem hergestellt werden und kann durch Anwenden eines Tiefbohrungsverfahrens (Tiefbohren, Schleifen oder dergleichen) auf eine längliche einkristalline Silici umsubstanz gebildet sein. Weiterhin können die elektrischen Widerstände 14 durch zum Beispiel Aufdampfen, Aufstäuben oder dergleichen eines Metalls, wie Wolfram, gebildet werden. Die elektrischen Widerstände 14, die regelbare elektri sche Quelle 22 und der Stromregler 24 arbeiten als Temperaturreglermittel. Fig. 2 zeigt die Einrichtung des Lichtwellen-Interferometers, die in dem geschlossenen hohlen Abschnitt der Struktur 10 bereitzustellen ist. Die einfallenden Laserstrah len treten in den Strahlteiler 16 ein. Auf der Oberfläche werden dann diese Laser strahlen in zwei Gruppen geteilt: eine breitet sich entlang des Referenzzweiges des optischen Weges 100 und die andere breitet sich entlang des Signalzweiges des optischen Weges 102 aus. Die Laserstrahlen, die sich entlang des Referenz zweiges des optischen Weges 100 ausbreiten, wiederholen Reflexionen in dem Strahlteiler 16 und treten in den Differenzdetektor 20 für den optischen Weg ein. Andererseits durchdringen die Laserstrahlen, die sich entlang des Signalzweiges des optischen Weges 102 ausbreiten, den Strahlteiler 16 und treten dann in den Eckkubus 18 ein. Nachfolgend werden diese Laserstrahlen in dem Eckkubus 18 reflektiert, treten wieder in den Strahlteiler 16 ein und treten in den Differenzde tektor 20 für den optischen Weg ein.

Hier wird der Strahlteiler 16 an einer Stelle bereitgestellt, die mit einem Ende der Gradeinteilungen 12 korrespondiert, die auf einer externen Wand der Struktur 10 bereitgestellt werden. Andererseits wird der Eckkubus 18 an einer Stelle bereitge stellt, die mit dem anderen Ende der Gradeinteilungen 12 korrespondiert. Somit korrespondiert eine optische Wegdifferenz zwischen dem Referenzzweig des opti schen Weges 100 und dem Signalzweig des optischen Weges 102 mit einem In tervall zwischen einem Ende und dem anderen Ende der Gradeinteilungen 12. Konsequenterweise ist es möglich durch Erfassen der optischen Wegdifferenz zwischen dem Referenzzweig des optischen Weges 100 und dem Signalzweig des optischen Weges 102 unter Verwendung des Differenzdetektors 20 für den opti schen Weg ein Intervall zwischen einem Ende und dem anderen Ende der Grad einteilungen 12, nämlich einem wahren Wert der Länge des Abschnitts, auf dem die Gradeinteilungen 12 markiert sind, zu messen.

Wenn eine Phasendifferenz zwischen beiden optischen Wegen zum Beispiel als Intensität des Interferenzlichtes unter Verwendung eines Homodynverfahrens er faßt wird, kann eine optische Wegdifferenz erfaßt werden. Fig. 3 zeigt ein Bei spiel von Laserstrahlquellen zum Liefern von Laserstrahlen, die in dem Licht wellen-Interferometer verwendet werden. Eine Laserstrahldiode (LD) kann als Laserstrahlquelle verwendet werden. Die Laserdiode wird in einem Konstanttem peraturbad 30 für eine Laserdiode bereitgestellt, wodurch ihre Temperatur kon stant gehalten wird. Die Laserstrahlen, die von der Laserdiode abgestrahlt werden, treten in den Strahlteiler 33 über einen Isolator 32 ein. Der Isolator 32 dient zur Stabilisierung des Betriebes der Laserdiode durch Verhindern des einfallenden Strahls am Zurückstrahlen in die Laserdiode. Laserstrahlen, die in den Strahlteiler 33 eingetreten sind, werden in zwei Gruppen geteilt. Die Laserstrahlen, die durch den Strahlteiler 33 hindurchgedrungen sind, treten in den Strahlteiler 16 oder den Eckkubus 18 über den Isolator 34 ein. Wie der Isolator 32 dient auch der Isolator 34 der Stabilisierung des Betriebes der Laserdiode durch Rindern des Einfalls von Zurückstrahlen in die Laserdiode.

Andererseits treten Laserstrahlen, die im Strahlteiler 33 reflektiert wurden, in eine Gaszelle 36 ein. Die Gaszelle 36 ist eine Zelle, in der Gase, die eine besondere Absorptionslinie aufweisen, gasdicht eingeschlossen sind, und nur Strahlen, die spezifische Frequenzen aufweisen, dämpft. Die Ausgänge der Gaszelle 36 werden einer Photodiode (PD) 38 zugeführt und in elektrische Signale umgewandelt. So mit werden Laserstrahlen als Signale entnommen, deren spezifische Frequenzen nur ein wenig durch die Gaszelle 36 gedämpft wurden. Die Signale der Photo diode 38 werden einem Lock-in-Verstärker 40 zugeführt.

Durch Verwenden der synchronen Erfassung gibt der Lock-in-Verstärker 40 nur Ausgangssignale ab, die spezielle Frequenzen aufweisen und liefert die Aus gangssignale zu einem Kompensator 42.

Wie ein PID-Regler oder dergleichen, der in einer Rückkopplungsschleife ver wendet wird, soll der Kompensator 72 die Rückkopplungsschleifen-Charakteristik verbessern (Reaktionsfähigkeit, Stabilität oder dergleichen) und Ausgangssignale von dem Kompensator 42 werden einem Laserdiodentreiber 44 zugeführt.

Der Laserdiodentreiber 44 erzeugt Laserdioden-Ansteuersignale, die mit einer bestimmten Frequenz moduliert sind und liefert die Signale an die Laserdiode in dem Konstanttemperaturbad für die Laserdiode. Somit ist sie derart justiert, so daß die Emissionsfrequenz der Laserdiode konstant wird.

Das Konstanttemperaturbad 30 für die Laserdiode, der Isolator 32, der Strahlteiler 33, der Isolator 34, die Gaszelle 36 und die Photodiode 38 können in dem ge schlossenen hohlen Abschnitt der Struktur 10 angeordnet werden.

Die Längenmeßvorrichtung gemäß der Ausführungsform hat das oben beschrie bene Gefüge und arbeitet wie folgt. Insbesondere wird als erstes die Länge des Teils, auf dem die Gradeinteilungen 12 markiert sind, durch den Differenzdetektor 20 für den optischen Weg des Lichtwellen-Interferometers gemessen, das in dem geschlossenen hohlen Abschnitt der Struktur 10 bereitgestellt ist. Es muß nicht betont werden, daß zum Messen einer optischen Wegdifferenz die verwendeten Laserstrahlen eine Wellenlänge haben müssen, die innerhalb eines Bereichs einer Wellenlänge einer Phasendifferenz sein muß, um durch den Differenzdetektor 20 für den optischen Weg erfaßt zu werden. Auch ein gemessener Wert (speziell Daten über eine optische Wegdifferenz zwischen dem Referenzzweig des opti schen Weges 100 und dem Signalzweig des optischen Weges 102) wird von dem Differenzdetektor 20 für den optischen Weg an den Stromregler 24 angelegt, so daß eine Differenz zwischen einem nominalen Wert der Längenmeßvorrichtung und dem gemessenen Wert berechnet wird. Diese Differenz wird durch den Ein fluß einer Änderung im Laufe der Zeit oder einer Arbeitsumgebung (Expansion oder Kontraktion des Mediums) infolge einer Fluktuation der Temperatur. Um die Differenz zwischen dem nominalen Wert und dem wahren Wert zu eliminieren, schließt der Stromregler 24 Regelsignale an die regelbare elektrische Quelle 22 an und der Strom wird entsprechend einer Größe der Differenz an den elektrischen Widerstand 14 geliefert, um gleichmäßig die Struktur 10 in Längsrichtung neu erwärmen.

Wie oben beschrieben, kann obwohl sogar die Struktur 10 expandiert und kontra hiert, aufgrund des Einflusses einer Änderung im Laufe der Zeit oder einer Ar beitsumgebung, ein Grad der Expansion und Kontraktion präzise gemessen wer den und eine Länge des Abschnitts der Gradeinteilungen 12 auf der Struktur 10 kann mit einem Nominalwert in Übereinstimmung gebracht werden, wodurch eine hochpräzise Längenmessung ermöglicht wird.

In der obigen Beschreibung wird ein Fall gezeigt, in dem ein wahrer Wert in Übereinstimmung mit einem nominalen Wert durch Anschluß eines Stromes an den elektrischen Widerstand 14 gebracht wird, um eine thermische Expansion der Struktur 10 zu verursachen. Da es jedoch der Hauptpunkt der vorliegenden Erfin dung ist, einen wahren Wert mit einem nominalen Wert durch Regelung einer Temperatur der Struktur 10 in Übereinstimmung zu bringen, kann eine derartige Übereinstimmung auch durch Kühlung der Struktur 10 unter Verwendung von Kühlwasser, Tieftemperaturgas oder dergleichen, und anders als durch Erwärmen der Struktur 10 erreicht werden. Wenn insbesondere ein nominaler Wert größer ist als ein wahrer Wert, wird thermische Expansion angewendet und wenn ein wahrer Wert größer ist als ein nominaler Wert wird Expansion und Kontraktion durch Kühlen eingesetzt. Weiterhin sind in der oben beschriebenen Ausführungsform elektrische Widerstände 14 gleichförmig (aufeinanderfolgend) an einer inneren Wand des geschlossenen hohlen Abschnitts der Struktur 10 gebildet. Es werden jedoch eine Mehrzahl von Anschlüssen zum Zuschalten von Elektrizität an die elektrischen Widerstände angebracht, die in dem geschlossenen hohlen Abschnitt in einer Längsrichtung gebildet sind, womit es auch ermöglicht wird, Flächen zu spezifizieren, die durch genau aus gesuchte Gebiete, an die Strom angelegt wird, zu erwärmen sind.

Fig. 4 zeigt die Einrichtung für den oben beschriebenen Fall. Die elektrischen Widerstände 14 sind in dem geschlossenen hohlen Abschnitt der Struktur 10 in Form eines Ringes an vorgeschriebenen Intervallen gebildet und die jeweiligen elektrischen Widerstände 14 werden mit Anschlüssen zum Zuschalten von Elek trizität k1, k2, . . ., kn verbunden. Die Anschlüsse zum Einschalten der Elektrizität k1, k2, . . ., sind in der regelbaren elektrischen Quelle 22 bereitgestellt. Wenn ein Erfas sungssignal von dem Differenzdetektor 20 für den optischen Weg an den Strom regler 24 zum Zwecke der Übereinstimmung eines wahren Wertes mit einem no minalen Wert gegeben wird, schaltet der Stromregler 24 einige (zum Beispiel nur k1 und k2) der Mehrzahl von Anschlüssen zum Zuschalten von Elektrizität zu, um teilweise die Struktur 10 zu erwärmen. Selbst, wenn somit eine Expansion und Kontraktion der Struktur 10 in Längsrichtung aufgrund von Gravitation oder ex terner Kraft von einem stützenden Rahmenwerk nicht gleichmäßig ist, von denen jede davon auf die Struktur 10 wirkt, kann wahrer Wert mit einem nominalen Wert durch gleichförmige Berichtigung der Expansion und Kontraktion in longi tudinaler Richtung in Übereinstimmung gebracht werden.

Der elektrische Widerstand 14 kann eine willkürliche Gestalt aufweisen. Die elektrischen Widerstände 14 sind gleichförmig auf einer inneren Wand des ge schlossenen hohlen Abschnitts ähnlich zu Fig. 1 gebildet. Weiterhin sind eine Mehrzahl von Anschlüssen zum Zuschalten von Elektrizität mit den willkürlichen Teilen der elektrischen Widerstände 14 verbunden und die elektrischen Wider stände sind teilweise eingeschaltet, so daß sie erwärmt werden können.

Weiterhin kann in der Ausführungsform, die oben erwähnt ist, durch weiteres Be reitstellen eines Temperaturdetektors zum Erfassen einer Temperatur der Struktur 10, der Strom der den elektrischen Widerständen 14 zuzuführen ist, basierend auf der erfaßten Temperatur geregelt werden.

Fig. 5 zeigt die Einrichtung für einen derartigen Fall, bei dem ein wahrer Wert in Übereinstimmung mit einem nominalen Wert unter Verwendung eines Tempera turdetektors zu bringen ist. Der Temperaturdetektor 50 wird an einer inneren Wand des geschlossenen hohlen Abschnitts bereitgestellt und gibt Daten über eine Temperatur der inneren Wand nach Erfassen der Temperatur aus. Der Strom wird dann von der steuerbaren elektrischen Quelle 22 zu dem elektrischen Widerstand 14 geliefert und er wird so gesetzt, daß die erfaßte Temperatur einen Wert inner halb eines vorbeschriebenen Bereichs sein kann. Dann wird durch Liefern von Laserstrahlen unter derartigen Bedingungen, die eine Wellenlänge derart aufwei sen, daß ein Erfassungssignal des Lichtwellen-Interferometers eine Phasendiffe renz innerhalb eines Bereichs von einer Wellenlänge aufweisen kann, es so einge richtet, daß eine Differenz zwischen einem wahren Wert und einem nominalen Wert in einer Länge des Abschnitts der Gradeinteilungen 12 innerhalb des Be reichs von einer Wellenlänge sein kann.

Insbesondere in der Einrichtung, die in Fig. 5 gezeigt wird, rechnet ein Subtrakti onsglied 51 einen Unterschied zwischen einem angezeigten Wert der Temperatur an, um eine Temperatur innerhalb eines vorbeschriebenen Bereichs anzuzeigen und einen Wert der Temperatur zu erfassen, und liefert ein Signal, das den Unter schied zu einer Schwellwert-Erfassungsschaltung 54 nach seiner Verstärkung dar stellt. Die Schwellwert-Erfassungsschaltung 54 bestimmt, ob oder ob nicht die Differenz zwischen dem angezeigten Wert der Temperatur und dem erfaßten Wert der Temperatur, der bei oder oberhalb eines zulässigen Schwellwertes ist. Wenn die Differenz bei oder über dem Schwellwert ist, mit anderen Worten, wenn die erfaßte Temperatur nicht in dem vorbeschriebenen Bereich liegt, wird ein Schalter 52 zur Kontaktseite "a" geschaltet und ein Differenzwert zwischen den beiden Werten der Temperatur wird an die regelbare elektrische Quelle 22 gelegt. Die regelbare elektrische Quelle 22 liefert einen Strom entsprechend dem Wert der Differenz zwischen den zwei Werten der Temperatur an den elektrischen Wider stand 14 und der elektrische Widerstand 14 wird erwärmt, bis die zwei Werte der Temperatur nahe bei einander liegen.

Wenn die Schwellwert-Erfassungsschaltung 54 bestimmt, daß die Differenz zwi schen den zwei Werten der Temperatur weniger als der zulässige Schwellwert ist, mit anderen Worten, wenn eine Temperatur der inneren Wand des geschlossenen hohlen Abschnitts innerhalb eines vorbeschriebenen Bereichs ist, werden Laser strahlen, die eine Wellenlänge aufweisen, so daß eine Differenz zwischen einem wahren Wert und einem nominalen Wert innerhalb eines Bereichs einer Wellen länge ist, zu dem Lichtwellen-Interferometer eingeführt. Also der Schalter 52 wird auf die Seite des Kontaktes "b" geschaltet und der elektrische Widerstand 14 wird erwärmt, so daß der wahre Wert mit dem nominalen Wert in Übereinstimmung gebracht wird. Somit kann der wahre Wert in Übereinstimmung mit dem nomi nalen Wert mit einer höheren Genauigkeit gebracht werden und eine höhere präzi se Längenmessung kann unabhängig von einer Arbeitsumgebung erreicht werden. Weiterhin wird in der oben beschriebenen Ausführungsform eine Laserdiode, die in dem geschlossenen hohlen Abschnitt bereitgestellt wird, als eine Laserstrahl quelle verwendet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Aspekt begrenzt, wodurch es auch möglich ist, Laserstrahlen von einer Laserstrahlquelle, die außerhalb des geschlossenen hohlen Abschnitts bereitgestellt wird, zu ver wenden.

Fig. 6 zeigt eine Einrichtung, in der Laserstrahlen von einer Laserstrahlquelle 60, die außerhalb der Struktur 10 bereitgestellt wird, in das Lichtwellen-In terferometer in dem geschlossenen hohlen Abschnitt unter Verwendung einer optischen Faser 62 eingestrahlt wird. Die Laserstrahlen, die in den geschlossenen hohlen Abschnitt über die optische Faser 62 geführt werden, treten in eine Kolli mationslichtquelle 64 ein und treten dann in den Strahlteiler 16 des Licht wellen-Interferometers, nachdem sie zu parallelen Strahlen geworden sind, ein.

Andererseits zeigt Fig. 7 ein anderes Beispiel der Verwendung einer äußeren Lichtquelle. Auf einer Seite der Struktur 10 ist ein transparentes Fenster, das durchlässig für die Laserstrahlen ist, gebildet, und Laserstrahlen von der Laser strahlquelle 60 werden in das Lichtwellen-Interferometer in dem geschlossenen Abschnitt von dem transparenten Fenster 66 geführt.

In jedem der oben beschriebenen Fälle ist es bevorzugt, Monomode-Laserstrahlen in bezug auf eine Längenmeßpräzision des Lichtwellen-Interferometers zu ver wenden.

Weiterhin ist es auch bevorzugt, als ein Längenmeßverfahren der Längenmeßvor richtung in dem Lichtwellen-Interferometer ein optisches Heterodyn-In terferenzverfahren zu verwenden, das sowohl für hochgenaue Erfassung sowie auch Homodynverfahren, das oben beschrieben ist. In dem Heterodyn-In terferenzverfahren werden durch Ändern einer Phase der Referenzstrahlen mit einer bestimmten Änderungsrate zu der Phase der Signalstrahlen temporäre Träger erzeugt und durch Ändern der jeweiligen Frequenzen der Strahlen, die zu dem Referenzzweig oder einem Signalzweig führen, wird eine Differenzphase zwi schen zwei Zweigen überführt, um eine Funktion der Zeit zu werden, deren Ein heit eine Überlagerungs-Phasenfrequenz ist. Somit kann eine Messung der Pha sendifferenz nicht durch Erfassen einer Intensität, die in dem Homodynverfahren angewandt wird, ausgeführt werden, sondern durch Erfassen der Zeitdifferenz, wobei ein Mehrzweck-Meßinstrument, wie ein Zeitzähler, verwendet werden kann. Dies ermöglicht es, ein genaueres Messen einer Länge des Abschnitts der Gradeinteilungen 12 auf der Struktur 10 und eine quantitative Expansion und Kontraktion zu messen.

Weiterhin werden in dieser Ausführungsform als ein Verfahren zum Regeln einer Temperatur der Struktur 10, ein Erwärmen durch einen elektrischen Widerstand und ein Kühlen durch ein Kühlmittel gezeigt. Es kann jedoch auch ein fakultatives Verfahren zum Ändern der Temperatur der Struktur 10 verwendet werden. All diese Verfahren liegen im technischen Bereich der vorliegenden Erfindung.

Zweite Ausführungsform

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Längenmeßvorrichtung unter Verwendung von Laserstrahlen gemäß einer zweiten Ausführungsform verwen det. Diese Längenmeßvorrichtung erbringt eine gleichmäßige thermische Expan sion in einer Längsrichtung und ist aus einer Struktur 10 zusammengesetzt, die eine Substanz 110 aufweist, die einen gleichförmigen Brechungsindex hat und durchlässig für Laserstrahlen ist. Auf einer äußeren Wand der Struktur 10 sind Gradeinteilungen 12 in einer Längsrichtung markiert. Die Form der Substanz ist nicht wichtig, solange sie für Laserstrahlen durchlässig ist. In dieser Ausführungs form wird jedoch eine feste Substanz, z. B. Glas, Kunststoff, Quarz, Kristall oder Siliciumdioxid verwendet.

Weiterhin werden in der Struktur 10 elektrische Widerstände 14, die gleichförmig Wärme in einer Längsrichtung in Reaktion auf einen angewandten Strom erzeu gen, nacheinander gebildet und es wird auch ein Lichtwellen-Interferometer zum Messen einer Länge eines Abschnitts der Gradeinteilungen 12 bereitgestellt, die auf einer äußeren Wand der Struktur 10 markiert sind. Das Lichtwellen-In terferometer setzt sich zusammen aus einem Strahlteiler 16 zum Trennen eines optischen Weges der einfallenden Laserstrahlen in einen Referenzzweig des opti schen Weges 100 und einen Signalzweig des optischen Weges 102; einen Eckku bus 18 zum Reflektieren des Signalzweiges des optischen Weges 102 und einen Differenzdetektor 20 für den optischen Weg zum Erfassen einer optischen Weg differenz des Referenzzweigs des optischen Weges 100 und des Signalzweiges des optischen Weges 102. Diese optischen Wege werden mit Substanzen 110 ge füllt, die durchlässig für Laserstrahlen sind und einen gleichförmigen Brechungs index aufweisen. Weiterhin werden eine regelbare elektrische Quelle 22 und ein Stromregler 24 zur Stromzuführung zu den elektrischen Widerständen 14 außer halb der bereitgestellt. Am Eingang kann die Struktur 10 zum Beispiel aus einem Silicium-Monokristall oder ähnlichem bestehen und kann durch Anwenden von Tiefbohrverfahren (Tiefbohren, Schleifen oder ähnliches) auf einen länglichen Einkristall aus Siliciumsubstanz gebildet werden. Weiterhin kann der elektrische Widerstand 14 durch Aufdampfen, Aufstäuben ohne ähnliches eines Metalles, wie zum Beispiel Wolfram gebildet werden.

Weiterhin kann der elektrische Widerstand 14 nicht nur innerhalb der Struktur 10 gebildet sein, sondern auch an einer externen Wand, ähnlich wie die Gradeintei lungen 12. Der elektrische Widerstand 14, die regelbare elektrische Quelle 22 und der Stromregler 34 arbeiten als Temperaturregelmittel.

Fig. 9 zeigt die Einrichtung des Lichtwellen-Interferometers, das in der Struktur 10 bereitgestellt wird. Einfallende Laserstrahlen treten in den Strahlteiler 16 ein und werden in zwei Gruppen an einer Oberfläche des Strahlteilers 16 geteilt. Eine Gruppe dringt entlang des Referenzzweiges des optisches Weges 100 vor, wäh rend die andere entlang des Signalzweiges des optischen Weges 102 vordringt. Die Gruppe, die entlang des Referenzzweiges des optischen Weges 100 vordringt, wiederholt Reflexionen in dem Strahlteiler 16 und tritt in den Differenzdetektor 20 für den optischen Weg ein. Andererseits dringt die Gruppe, die entlang des Signalzweiges des optischen Weges 102 vordringt, durch den Strahlteiler 16 hin durch und tritt dann in den Eckkubus 18 ein. Nachfolgend wird die Gruppe an dem Eckkubus 18 reflektiert und tritt in den Strahlteiler 16 wieder ein und tritt in den Differenzdetektor 20 für den optischen Weg ein.

Hier wird der Strahlteiler 16 an einer Stelle bereitgestellt, die mit einem Ende der Gradeinteilungen 12, die auf einer externen Wand der Struktur 10 markiert sind, korrespondiert. Andererseits wird der Eckkubus 18 an einer Stelle bereitgestellt, die mit dem anderen Ende der Gradeinteilungen 12 korrespondiert. Somit korro spondiert eine optische Wegdifferenz zwischen dem Referenzzweig des optischen Weges 100 und dem Signalzweig des optischen Weges 102 mit einem Intervall zwischen einem Ende und dem anderen Ende der Gradeinteilungen 12. Weiterhin haftet der Strahlteiler 16 bzw. der Eckkubus 18 an der Substanz 110. Passendes Öl oder dergleichen wird für das anhaftende Teil verwendet, so daß eine Reflexion oder Dämpfung des Laserstrahls nicht auftritt. Konsequenterweise gibt es kaum irgendeine Fluktuation des Brechungsindex an dem Referenzzweig des optischen Weges 100 und an dem Signalzweig des optischen Weges 102, und durch Erfas sen einer optischen Wegdifferenz zwischen dem Referenzzweig des optischen Weges 100 und dem Signalzweig des optischen Weges 102 unter Verwendung des Differenzdetektors 20 für den optischen Weg, ist es möglich, sicher ein Inter vall zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende der Gradeinteilungen 12 zu messen, nämlich einen wahren Wert der Länge des Abschnitts, auf welchem die Gradeinteilungen 12 markiert sind.

Wenn eine Phasendifferenz zwischen den beiden optischen Wegen als Intensität des Interferenzstrahls erfaßt ist, unter Verwendung eines Homodynverfahrens, kann eine optische Wegdifferenz erfaßt werden.

Die Längenmeßvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform hat den oben be schriebenen Aufbau und die Funktionen wie folgt. Insbesondere werden als erstes eine Länge des Teils, auf dem die Gradeinteilungen 12 markiert sind, durch den Differenzdetektor 20 für den optischen Weg des Lichtwellen-Interferometers ge messen, das in der Struktur 10 bereitgestellt wird. Es ist ohne Betonung klar, daß zum Messen einer optischen Strahldifferenz die verwendeten Laserstrahlen eine Wellenlänge innerhalb eines Bereichs von einer Wellenlänge einer Phasendiffe renz, die durch den Differenzdetektor 20 für den optischen Weg zu erfassen ist, aufweist. Auch ein gemessener Wert (insbesondere Daten über eine optische Wegdifferenz zwischen dem Referenzzweig des optischen Weges 100 und dem Signalzweig des optischen Weges 102) wird von dem Differenzdetektor 20 für den optischen Weg an den Stromregler 24 geliefert, so daß eine Differenz zwi schen einem Nominalwert der Längenmeßvorrichtung und dem gemessenen Wert berechnet wird. Diese Differenz wird durch einen Einfluß einer Änderung im Lau fe der Zeit oder mit einer Arbeitsumgebung verursacht (Expansion und Kontrakti on eines Mediums, die von einer Fluktuation der Temperatur herrühren). Um die Differenz zwischen dem Nominalwert und dem wahren Wert zu eliminieren, lie fert der Stromregler 24 ein Regelsignal zu der regelbaren elektrischen Quelle 22, und Strom, der der Größe der Differenz entspricht, wird an den elektrischen Wi derstand 14 geliefert, um gleichmäßig die Struktur 10 in einer Längsrichtung zu erwärmen.

Wie oben beschrieben, kann obgleich die Struktur expandiert und kontrahiert, aufgrund des Einflusses einer Änderung im Laufe der Zeit oder einer Arbeitsum gebung, der Grad der Expansion und Kontraktion präzise gemessen werden und eine Länge des Abschnitts der Gradeinteilungen 12 auf der Struktur 10 kann in Übereinstimmung gebracht werden mit dem nominalen Wert, wodurch eine hoch präzise Längenmessung ermöglicht wird.

In der obigen Beschreibung wird ein Fall gezeigt, in dem ein wahrer Wert in Übereinstimmung mit einem nominalen Wert durch Stromversorgung des elektri schen Widerstands 14 zur thermischen Ausdehnung der Struktur 10 in Überein stimmung gebracht wird. Da jedoch der Hauptpunkt der vorliegenden Erfindung ist, einen wahren Wert mit einem nominalen Wert durch Regelung einer Tempe ratur der Struktur 10 in Übereinstimmung zu bringen, kann eine derartige Über einstimmung auch durch Kühlen der Struktur 10 unter Verwendung von Kühlwas ser, Tieftemperaturgas oder dergleichen in anderer Weise als durch Heizen der Struktur 10 erreicht werden. Insbesondere, wenn ein nominaler Wert größer ist als der wahre Wert, wird thermische Expansion angewandt und wenn der wahre Wert größer ist als der nominale Wert wird Expansion und Kontraktion durch Kühlung eingesetzt.

Dritte Ausführungsform

Fig. 10 ist ein konzeptartiges Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform. Als Körper einer Längenmeßvorrichtung wird eine Struktur 10, die aus Quarzglas oder dergleichen hergestellt ist, bereitgestellt und ein Lichtwellen-Interferometer 120 zum Erfassen einer Länge der Struktur 10 wird ebenso vorgesehen. Ein Aus gangssignal des Lichtwellen-Interferometers 120, nämlich Daten über die Länge der Struktur 10, wird an einen Computer 180, der außerhalb der Längenmeßvor richtung vorgesehen ist, angeschlossen.

Weiterhin werden eine Mehrzahl von Temperatursensoren 50 an der Struktur 10 angeordnet und eine Temperaturverteilung der Struktur 10 wird erfaßt. Um genau zu sein werden, wie später beschrieben wird, die Temperatursensoren 50 in einem Abschnitt von Gradeinteilungen angeordnet, die auf der Struktur 10 vorgesehen sind, und die eine Temperaturverteilung auf dem Abschnitt der Gradeinteilungen erfassen. Die jeweiligen Temperaturdaten, die durch die Mehrzahl der Tempera tursensoren 50 erfaßt werden, werden in eine Temperatursensoreingangs-Über gabeeinheit 160 eingegeben und dann dem Computer 180 als Temperatur verteilungsdaten zugeführt.

Weiterhin wird an der Struktur 10 ein elektrischer Widerstand 14 zum Verursa chen thermischer Expansion der Struktur 10 bereitgestellt und Strom an den elek trischen Widerstand 14 von einem Treiber 200 geliefert. Der Treiber 200 wird in Reaktion auf ein Regelsignal, das von dem Computer 180 übertragen wird, ange trieben. Mit anderen Worten, der elektrische Widerstand 14, der Treiber 200 und der Computer 180 arbeiten als Temperaturregelmittel.

Weiterhin werden ein Positionserfassungsabschnitt 220 und ein Gleiter 240 in einer derartigen Weise bereitgestellt, daß sie der Struktur 10 gegenüberstehen. Die Gradeinteilungen, die auf der Struktur vorgesehen werden, werden gelesen, d. h. eine Position vom Ursprung aus wird, unter Verwendung einer der unterschiedli chen Erfassungsverfahren, wie ein photoelektrisches Verfahren, ein elektrostati sches Kapazitätsverfahren, oder ein magnetisches Verfahren erfaßt, und die Er gebnisse der Erfassung werden dem Computer 180 zur Verfügung gestellt.

In Reaktion auf ein Erfassungssignal von dem Lichtwellen-Interferometer 120 gibt der Computer 180 ein Regelsignal an den Treiber 200 aus, um eine Länge der Struktur 10 auf einen vorbeschriebenen Wert zu bringen und liefert dem elektri schen Widerstand 14 Strom, um eine thermische Expansion der Struktur 10 zu verursachen. Weiterhin wird die Position, die durch den Positionserfassungsab schnitt 220 gemessen wird, aufgrund einer Temperaturverteilung des Abschnitts der Gradeinteilungen der Struktur 10 korrigiert und dadurch eine präzise Position errechnet. Das Ergebnis der berechneten Positionserfassung wird einer Anzeige einheit 260 zugeführt und dort angezeigt.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Abschnitt der Längenmeßvor richtung der Fig. 10 zeigt. Auf einer externen Wand der Struktur 10 werden die Gradeinteilungen 12 in einer Längsrichtung bereitgestellt. Weiterhin wird wie oben beschrieben eine Mehrzahl von Temperatursensoren 50 bereitgestellt, um eine Temperatur des Abschnitts, auf dem die Gradeinteilungen 12 markiert sind, zu erfassen. In Fig. 4 sind die Temperatursensoren 50 auf beiden Seiten der Grad einteilungen 12 jeweils angeordnet. Weiterhin ist das Lichtwellen-Interferometer 120 in einer derartigen Weise vorgesehen, daß sein optischer Weg innerhalb der Struktur 10 angeordnet ist und seine Zusammensetzung ist wie folgt.

Das Lichtwellen-Interferometer 120 umfaßt einen Strahlteiler 120a, der auf einem Ende der Struktur 10 befestigt ist, um das Licht in orthogonaler Richtung zu übertragen und zu reflektieren, einen Referenz-Oberflächenreflektor 120b, um Laserstrahlen, die an dem Strahlteiler 120a reflektiert werden, reflektieren zu las sen, eine Linse 120c, um die Laserstrahlen, die durch den Strahlteiler 120a gelau fen sind, zu konvergieren, eine optische Faser 120d zum Führen des Laserstrahls, einen Erfassungs-Oberflächenreflektor 120e, der an einem hinteren Ende der Struktur bereitgestellt wird, um die Laserstrahlen zu reflektieren und einen Diffe renzdetektor 120f für den optischen Weg zum Erfassen einer optischen Differenz zwischen einem einfallenden Laserstrahl (Referenzzweigstrahl), der an dem Refe renz-Oberflächenreflektor 120b reflektiert wurde, und einem einfallenden Laser strahl (Signalzweigstrahl), der an dem Erfassungs-Oberflächenreflektor 120e re flektiert wurde.

Fig. 12 ist eine prinzipielle Ansicht des Lichtwellen-Interferometers 120, das in Fig. 11 gezeigt wird. Dies ist ein sog. Michelson-Interferometer. Einige Laser strahlen von einer Strahlquelle werden in orthogonaler Richtung durch den Strahlteiler 120 reflektiert und werden wieder durch den Referenz-Ober flächenreflektor (feststehender Spiegel) 120b reflektiert. Dadurch kehren sie zum Strahlteiler 120a zurück. Diese Rückstrahlen treten dann in einen Differenz detektor (Photodetektor) 120f für einen optischen Weg ein. Andererseits laufen die verbleibenden Laserstrahlen durch den Strahlteiler 120a, werden durch den Erfassungs-Oberflächenreflektor (beweglichen Spiegel) 120e reflektiert, werden an dem Strahlteiler 120a in eine orthogonale Richtung reflektiert und treten ähn lich in den Differenzdetektor 120f in den optischen Weg ein. Diese Laserstrahlen, von denen beide in den Differenzdetektor 120f für den optischen Weg eintreten, durchlaufen jeweils unterschiedliche optische Wege. Dadurch tritt eine Interferenz gemäß der optischen Wegdifferenz auf. Mit anderen Worten, zu jeder Zeit, zu der die optische Wegdifferenz sich ändert durch ganzzahlige Vielfache der halben Laserstrahl-Wellenlänge, wiederholen sich Interterenzstrahlen-Verstärkung und -Schwächung. Deshalb kann durch Umwandlung der Verstärkung und Schwä chung der Laserstrahlen in elektrische Signale die Bewegung des Erfassungs-Ober flächenreflektors (beweglicher Spiegel) 120e als elektrische Signale erfaßt werden, wodurch ein Intervall zwischen einer Referenzposition (Ursprung) und dem Erfassungsflächenreflektor (beweglicher Spiegel) 120e, nämlich eine Länge der Struktur in Längsrichtung erfaßt werden kann.

Andererseits ist Fig. 13 ein Querschnitt der Struktur 10. Eine Aussparung wird in der Struktur 10 gebildet und die optische Faser 120d, die oben beschrieben ist, wird in der Aussparung in einer Weise eingebettet, daß die optische Faser 120d im wesentlichen im Zentrum der Struktur 10 angeordnet ist. Weiterhin haften die Struktur 10 und die optische Faser 120d fest aneinander durch einen Klebstoff 13, so daß sie als ein Körper zur Zeit einer Temperaturänderung expandieren und kontrahieren können. Ein Bündel von Laserstrahlen, das einen Durchmesser von 2 bis 5 mm aufweist, wird im allgemeinen in einem Lichtwellen-Interferometer 120 verwendet und deshalb wird ein Kerndurchmesser der optischen Faser 120d auf ungefähr 10 bis 50 µm festgesetzt. Die optische Faser 120d wird zum Ausbreiten der Laserstrahlen ohne Verluste verwendet und wird allgemein als Lichtwellen-Leiterweg bezeichnet.

Die Einrichtung des Positionsdetektors, der in der Längenmeßvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird, ist oben beschrieben worden. Die Ar beitsweise des Positionsdetektors wird nachfolgend beschrieben.

Zunächst erfaßt das Lichtwellen-Interferometer 120 eine Länge der Struktur, die einen Hauptkörper der Längenmeßvorrichtung bildet und gibt das Ergebnis der Erfassung an den Computer 180. Der Computer 180 vergleicht die gemessene Länge der Struktur 10 mit einem vorgeschriebenen Wert (spezifische Länge bei einer Referenztemperatur) und gibt ein Steuersignal an den Treiber 200 aus, so daß die Länge der den vorgeschriebenen Wert einnimmt. Der Treiber 200 liefert einen Strom an den elektrischen Widerstand 14 in Reaktion auf das Steuersignal, so daß die Struktur 10 größtenteils gleichmäßig erwärmt wird.

Nachdem die Länge der Struktur 10 den vorbeschriebenen Wert durch Erwär mung der Struktur 10 erreicht hat, korrigiert der Computer 180 weiterhin entspre chende Intervalle zwischen den auf der Struktur 10 bereitgestellten Gradeinteilun gen 12, basierend auf den Daten über die Temperaturverteilung von der Tempe ratursensor-Eingabeübergangseinheit 160.

Fig. 14 zeigt ein Beispiel der Temperaturverteilungen des Abschnitts der Grad einteilungen 12, die durch eine Mehrzahl von Temperatursensoren 50 zu erfassen sind und an den Computer 180 geliefert werden. In dieser Figur ist die Achse der Abszisse eine Position der Längenmeßvorrichtung (Position einer Gradeinstellung von dem Ursprung aus), während die Achse auf der Ordinate eine Temperatur, die durch den Temperatursensor 50 erfaßt wird, darstellt. In diesem Beispiel, wie es in der Figur gezeigt wird, ist die Temperaturverteilung derart, daß die Temperatur im Zentrum der Gradeinteilung hoch ist und niedrig an beiden Rändern (die Tem peraturverteilung wird aufgrund der begrenzten Zahl von Temperatursensoren gestreut sein, aber in dieser Figur wird eine aufeinanderfolgende Verteilung unter Verwendung einer Bezier-Kurve oder dergleichen gezeigt).

In dem Fall, daß die Mehrzahl der Temperatursensoren 50 an beiden Seiten der Gradeinteilungen 12, wie in dieser Ausführungsform, angeordnet sind (siehe Fig. 11), werden die Temperaturverteilungen auf beiden Seiten erfaßt. Somit wird ein zu berechnender Mittelwert beider Seiten die Temperaturverteilung des Ab schnitts der Gradeinteilungen 12 bilden.

Der Computer 180 berechnet eine Anzahl von Korrekturen der entsprechenden Intervalle zwischen den Gradeinteilungen, basierend auf einer derartigen Tempe raturverteilung. Das Ausmaß der Korrektur der entsprechenden Intervalle zwi schen den Gradeinteilungen kann durch Multiplizieren einer erfaßten Temperatur verteilung durch einen Koeffizienten für lineare Expansion der Längenmeßvor richtung (Struktur 10) gefunden werden. Insbesondere, wenn angenommen wird, daß ein Intervall zwischen Gradeinteilungen unter einer Referenztemperatur (zum Beispiel 20°C) L ist, ein Koeffizient der linearen Expansion _αist und ein erfaßter Temperaturverteilungswert t ist, wird eine Fluktuation des Intervalls zwischen den Gradeinteilungen ΔL sein:

ΔL = (t-20)x_αxL (1).

Da hier die Länge der Struktur 10 bereits auf einen vorbeschriebenen Wert durch Erwärmen unter Verwendung des elektrischen Widerstands 14, zum Beispiel in dem Fall einer Zuwachslängen-Meßvorrichtung geregelt ist, stimmen ein inte grierter Wert aller Gradeinteilungen der Längenmeßvorrichtung (nämlich eine Länge der Längenmeßvorrichtung vom Ursprung zum hinteren Ende) mit den Gradeinteilungen überein. Somit wird ein Versetzen angewandt, um für den inte grierten Wert von ΔL Null zu erreichen. Mit anderen Worten, wenn der Versatz c ist, wird der Versatz so berechnet, daß er die Gleichung erfüllt:

Σ(ΔL+c) = 0 (2).

Die Bedeutung dieses Versatzes c ist es, einen Temperaturmeßfehler und einen Koeffizientenfehler der linearen Expansion zu eliminieren.

Fig. 15 zeigt beispielhaft ein Ausmaß der Korrektur von entsprechenden Inter vallen zwischen Gradeinteilungen, die in der oben beschriebenen Weise berechnet sind. In dieser Figur zeigt die Abszisse eine Position der Längenmeßvorrichtung, während die Ordinate ein Ausmaß der Korrektur entsprechender Intervalle zwi schen den Gradeinteilungen zeigt. In diesem Graph, um genauer zu sein, wird ΔL, das jeder Position der Längenmeßvorrichtung entspricht, durch die Gleichung (1) gefunden.

Wenn der durch die Gleichung (2) gefundene Versatz negativ ist, wird die ΔL-Kurve nach unten verschoben (in eine "-" Richtung). Wenn der Versatz c positiv ist, wird die _ΔL-Kurve nach oben verschoben (in eine "+" Richtung). Somit kann das Ausmaß der Korrekturen mit Bezug auf die Intervalle zwischen den Gradein teilungen gefunden werden. Zum Beispiel im Falle der Zuwachs-Län genmeßvorrichtung liest jedes Mal nach dem Berechnen des Ausmaßes der Korrektur der entsprechenden Intervalle zwischen den Gradeinteilungen der Posi tionserfassungsabschnitt 220 jede der Gradeinteilungen, und ein Intervall zwi schen den berichtigten Gradeinteilungen wird durch eine Korrekturkurve der In tervalle zwischen den Gradeinteilungen berechnet. Jedes Intervall zwischen den Gradeinteilungen wird dann aufaddiert. Somit kann eine genaue vorliegende Po sition, nachdem die Temperaturverteilung berichtigt ist, berechnet werden.

Andererseits zeigt Fig. 16 ein Beispiel einer Berichtigung der Position in dem Falle einer Absolut-Längenmeßvorrichtung. In dieser Figur zeigt die Abszisse eine Position der Längenmeßvorrichtung, während die Ordinate das Ausmaß einer Korrektur einer Position zeigt. Dieses Ausmaß einer Korrektur einer Position wird durch Auffinden eines integrierten Wertes von dem Ursprung des Ausmaßes einer Berichtigung entsprechender Intervalle zwischen Gradeinteilungen für eine Posi tion der Längenmeßvorrichtung, wie in Fig. 15 gezeigt, berechnet und durch Aus drucken der Position der Längenmeßvorrichtung. Es ist anzumerken, daß in Fig. 15 ein Ausmaß einer Korrektur jeweiliger Intervalle zwischen Gradeinteilungen einen positiven oder negativen Wert, abhängig von einer Position auf der Län genmeßvorrichtung erhält, aber ein Ausmaß einer Korrektur einer Position, die in Fig. 16 gezeigt wird, ist ein integriertes Ausmaß der Fig. 5, das Null im Ursprung, am hinteren Endpunkt und nahe des Zentrums ist. Durch Multiplizieren einer, durch den Positionserfassungsabschnitt 22 erfaßten Position mit dem integrierten Ausmaß der Korrektur einer Position, kann eine genaue vorhandene Position nach dem Korrigieren der Temperaturverteilung berechnet werden. In Fig. 16 ist ein Ausmaß der Korrektur am hinteren Ende Null. Dies ergibt sich, weil eine Kor rektur am hinteren Ende nicht erforderlich ist. Insbesondere hat, wie oben be schrieben wird, der Computer 180 vorher eine Länge der Struktur 10 unter Ver wendung eines elektrischen Widerstands 14 geregelt, um einen vorbeschriebenen Wert zu besitzen. Somit stimmt eine Länge der Längenmeßvorrichtung von dem Ursprung zu dem hinteren Ende mit den Gradeinteilungen überein.

Wie oben beschrieben ist, wird in dieser Ausführungsform nach dem Regeln einer Länge der Struktur 10 auf einen vorbeschriebenen Wert, eine Variation der Inter valle zwischen den Gradeinteilungen, basierend auf der Temperaturverteilung berichtigt. Somit ist es möglich, eine genaue Messung der Länge auszuführen (oder eine Erfassung der Position) ohne durch Fluktuationen der Luft oder Ände rung der Temperatur beeinflußt zu sein.

Weiterhin kann in dieser Ausführungsform durch Messen eines Brechungsindexes eines optischen Interferenzweges des Lichtwellen-Interferometers 120 oder durch Berichtigen einer Wellenlänge einer Lichtquelle unter Verwendung eines Präzisi onsbarometers, Hygrometers und Thermometers eine präzisere Längenmessung durchgeführt werden. Weiterhin wird auch bevorzugt eine Temperatur des opti schen Interferenzweges, die als Referenztemperatur zu der Zeit der Korrektur des Intervalls zwischen Gradeinteilungen gemessen wurde, zu verwenden, und nicht einen festen Referenzwert, wie 20°C, der in der Gleichung (1) verwendet wird.

Fig. 17 zeigt eine andere Einrichtung des Lichtwellen-Interferometers 120. In der oben beschriebenen Ausführungsform (siehe Fig. 11) ist der optische Weg von dem Referenzflächenreflektor zu dem Differenzdetektor für den optischen Weg über den Strahlteiler in der Luft. Jedoch in dieser Ausführungsform wird ein Lichtwellenleiterweg, der durch eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder dergleichen auf einem Siliciumsubstrat 120 gebildet ist, verwendet. Die La serstrahlen treten durch die optische Faser 120d (auf der linken Seite der Figur) ein, die in einer Führungsaussparung 120h angeordnet ist und breiten sich inner halb eines rechteckigen Lichtwellenleiterweges 120i aus, werden durch den Strahlteiler 120a in Strahlen aufgeteilt, die geradeaus weitergehen und Strahlen, die in eine orthogonale Richtung reflektiert werden. Die Strahlen, die geradeaus weitergehen, treten in die optische Faser 120d auf halbem Wege ein. Diese opti sche Faser 120d kann die optische Faser 120d in der Struktur 10 der Fig. 11, so wie sie gerade ist, sein oder eine andere optische Faser kann auf halbem Wege verbunden werden. Ein optischer Weg von dem Referenzflächenreflektor 120b zu dem Differenzdetektor 120f für den optischen Weg über den Strahlteiler 120a ist auch ein Lichtwellenleiterweg 120i. Ist eine derartige Einrichtung vorhanden, kann das Lichtwellen-Interferometer 120 gemäß dieser Ausführungsform kleiner sein und kann Fluktuationen, wie Fluktuationen der Luft, wirkungsvoller als bei den Ausführungsformen regeln, die oben beschrieben werden. Zufällig kann für einen Lichtwellenleiterweg auf einem Siliciumsubstrat nicht nur eine solche Ein richtung, sondern auch eine optische Einrichtung übernommen werden.

Fig. 18 zeigt noch eine andere Einrichtung des Lichtwellen-Interferometers 120. Eine Halbleiterlichtquelle 120j wird an einem Ende der Fläche der Struktur 10 befestigt. Laserstrahlen, die von der Halbleiterlichtquelle 120j eingestrahlt wer den, werden in parallele Strahlen durch eine Lichtwellenleiter-Linse 120k, wie eine Modenindexlinse, und der optischen Weg teilt sich an dem gitterartigen Strahlteiler 120a, wodurch die Laserstrahlen in zwei Gruppen geteilt werden. Die se zwei Gruppen der Strahlen breiten sich innerhalb einer Lichtwellenleiterplatte aus, die in Form eines Films auf einer Oberfläche eines oberen Substrats 120n vorgesehen ist und diese interferierenden Strahlen treten in den Differenzdetektor 120f ein. Andererseits wird ein elektrischer Widerstand 14 auf der Oberfläche auf dem unteren Substrat 120m vorgesehen. Das obere Substrat 120n und das untere Substrat 120m haften aneinander. Somit ist der elektrische Widerstand 14 zum Aufheizen der Struktur 10 innerhalb der Struktur 10 angeordnet, wodurch eine Wärmeverteilung der Struktur 10 gleichmäßiger wird. Dieses ermöglicht eine wirksame Regelung der Effekte der Temperaturänderung.

In dieser Ausführungsform ist es ausreichend, wenn eine Länge der Struktur 10 der Längenmeßvorrichtung zunächst auf einen vorbestimmten Wert festgesetzt wird und dann eine Temperaturverteilung des Abschnitts der Gradeinteilungen korrigiert wird. Somit ist, wie oben beschrieben, nicht nur die thermische Aus dehnung durch den elektrischen Widerstand 14, sondern auch die Expansion und Kontraktion durch Kühlung ein Verfahren zum Regeln einer Länge der Struktur 10 der Längenmeßvorrichtung auf einen vorbeschriebenen Wert. Mit anderen Worten können als Temperaturregelmittel auch Kühlungsmittel anstelle von Er wärmungsmitteln verwendet werden. Um die Struktur 10 zu kühlen, können zum Beispiel Kühlwasser oder Kühlgas oder dergleichen verwendet werden.

Claims

1. Längenmeßvorrichtung unter Verwendung von Laserstrahlen, umfassend:
eine Struktur (10), die eine gleichmäßige thermische Expansion in einer Längsrichtung hervorbringt;
Gradeinteilungen (12), die auf einer Wandfläche der Struktur (10) vorge sehen sind;
ein Lichtwellen-Interferometer, das in der Struktur (10) zum Messen einer vorgeschriebenen Länge bereitgestellt wird, die einen Teil, auf dem sich die Gradeinteilungen (12) befinden, einschließt; und
Temperatursteuermittel zum Ändern einer Temperatur der Struktur (10), so daß eine Länge, die durch das Lichtwellen-Interferometer gemessen wird, konstant gehalten wird.

2. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Struktur (10) einen geschlossenen hohlen Abschnitt aufweist, der beinahe auf Vakuum dekomprimiert ist und wobei das Lichtwellen-Interferometer in dem hohlen Abschnitt installiert ist.

3. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Struktur (10) eine Substanz (110) enthält, die einen gleichmäßigen Brechungsindex aufweist und für ein Ausbreiten von Laserstrahlen entlang eines optischen Meßweges des Lichtwellen-Interferometers durchlässig ist.

4. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Temperaturregelmit tel umfaßt:
einen elektrischen Widerstand (14), der in einer Längsrichtung der Struk tur (10) vorgesehen ist und der Wärme in Reaktion auf einen angewandten Strom erzeugt; und
ein Stromversorgungsmittel zur Stromversorgung des elektrischen Wider stands.

5. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Mehrzahl von Anschlüssen zum Zuschalten von Elektrizität mit dem Widerstand (14) in einer Längsrichtung der Struktur (10) verbunden sind und das Stromver sorgungsmittel Strom an den elektrischen Widerstand (14) über die Mehr zahl der Anschlüsse zum Zuschalten der Elektrizität zu liefern, um eine Expansion und Kontraktion der Struktur 10 in einer Längsrichtung gleichförmig werden zu lassen.

6. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung weiterhin umfaßt:
Temperaturerfassungsmittel (50) zum Erfassen einer Temperatur der Struktur (10).

7. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Laserstrahlen eine Wellenlänge derart aufweisen, daß eine Differenz zwischen einer Länge, die durch das Lichtwellen-Interferometer gemessen ist und einem Nomi nalwert einer Phasendifferenz innerhalb einer Wellenlänge wird, wenn eine Temperatur der Struktur (10), die durch das Temperaturerfassungs mittel (50) gemessen wird, innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt.

8. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Lichtwellen-Inter ferometer umfaßt:
einen Strahlteiler (16), der an einem Ende der Gradeinteilungen (12) befe stigt ist;
einen Referenzflächenreflektor, der relativ zu dem Strahlteiler (16) befe stigt ist;
einen Erfassungsflächenreflektor (18), der auf dem anderen Ende der Gradeinteilungen (12) befestigt ist; und
einen Differenzdetektor (20) für einen optischen Weg zum Erfassen einer optischen Wegdifferenz zwischen Referenzzweigstrahlen auf einer Refe renzflächenseite und Signalzweigstrahlen auf einer Erfassungsflächenseite und wobei das Temperaturregelmittel eine Temperatur, die auf einer opti schen Wegdifferenz basiert, die durch den Differenzdetektor (20) für den optischen Weg erfaßt ist, regelt.

9. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Lichtwellen-Inter ferometer umfaßt:
eine Halbleiter-Lichtquelle, die die Laserstrahlen einstrahlt und eine stabi lisierte Wellenlänge aufweist;
Isolatoren (32, 34), die zwischen der Lichtquelle und dem Strahlteiler (16) und zwischen dem Strahlteiler (16) und dem Erfassungsflächenreflektor angeordnet sind; und
eine Gaszelle (36), die zwischen dem Strahlteiler (16) und dem Diffe renzerfassungsmittel (20) für den optischen Weg zum Stabilisieren einer Wellenlänge angeordnet sind.

10. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Laserstrahlen über eine optische Faser (62) zu dem Lichtwellen-Interferometer der Struktur (10) geliefert werden.

11. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Laserstrahlen zu dem Lichtwellen-Interferometer über ein transparentes Fenster (66), das an einer Endfläche der Struktur (10) gebildet ist, geliefert werden.

12. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Laserstrahlen Mono modus-Laserstrahlen sind.

13. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Lichtwellen-Inter ferometer ein Lichtheterodyn-Interferenzverfahren verwendet.

14. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Struktur ein Mono kristall ist.

15. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung weiter umfaßt:
Rechenmittel (180) zum Korrigieren eines Intervalls zwischen den Grad einteilungen (12), basierend auf einer Temperaturverteilung der Struktur (10), die durch das Temperaturerfassungsmittel (50) erfaßt wird.

16. Verfahren zum Bestimmen eines Nominalwertes in einem Längenmeßver fahren, das Laserstrahlen verwendet, wobei eine Laserstrahl-Längenmeß vorrichtung umfaßt:
eine Struktur (10), die eine gleichförmige thermische Expansion in einer Längsrichtung hervorbringt;
Gradeinteilungen (12), die auf einer Wandfläche der Struktur vorgesehen sind;
ein Lichtwellen-Interferometer, das in der Struktur (10) zum Messen einer vorbeschriebenen Menge bereitgestellt wird, die ein Teil einschließt, auf dem die Gradeinteilungen (12) bereitgestellt werden; und
Temperaturregelmittel zur Änderung einer Temperatur der Struktur (10), so daß eine Länge, die durch das Lichtwellen-Interferometer gemessen wird, konstant gehalten wird und wobei das Verfahren zur Bestimmung eines Nominalwertes die Schritte umfaßt:
Anordnen der Struktur (10) in einer vorbeschriebenen Temperaturumge bung;
Einstellen eines Temperaturwertes der Struktur (10), der als innerhalb einer Toleranz des vorgeschriebenen Wertes liegend erfaßt wird;
Einschalten der Temperaturregelmittel und Bestimmen eines Nomi nalwertes, um die Länge, die durch das Lichtwellen-Interferometer gemes sen wurde, konstant beizubehalten.

17. Verfahren zum Bestimmen eines Nominalwertes nach Anspruch 16, wobei die Laserstrahl-Längenmeßvorrichtung weiter umfaßt:
Temperaturerfassungsmittel (50) zum Erfassen einer Temperatur der Struktur (10).