DE3606090C2

DE3606090C2 - Meßvorrichtung zum Messen kleinster Verschiebebeträge

Info

Publication number: DE3606090C2
Application number: DE3606090A
Authority: DE
Inventors: Osamu Yamamoto; Hiroshi Hayashi; Sadayoshi Matsui; Haruhisa Takiguchi; Nobuyuki Miyauchi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-02-28
Filing date: 1986-02-26
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2006-02-27
Also published as: GB2172700B; JPH0690009B2; GB2172700A; US4806778A; DE3606090A1; JPS61221614A; GB8604615D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Messen kleinster Verschiebebeträge, durch die eine äußerst genaue Messung von kleinsten Verschiebebeträgen eines Meßobjektes und deren Verschieberichtungen erzielt werden kann.

Verschiedene Meßvorrichtungen zum Messen von Verschiebebeträgen eines Meßobjektes sind bekannt, wie (1) Vorrichtungen mit Zeigerinstrumenten, (2) Vorrichtungen mit optischen Zeigern, (3) Vorrichtungen mit in der Kapazität veränderbaren Kondensatoren, (4) Vorrichtungen mit Differentialübertragern und (5) Vorrich tungen unter Verwendung optischer Interferenzen etc . . Jedoch können mit den Vorrichtungen (1) und (2) besonders kleine Verschiebebeträge des Meßobjektes nicht mehr erfaßt werden. Die Vorrichtungen (1), (3) und (4) haben den Nachteil, daß das Meßobjekt mit Meßsonden verbunden werden muß. Außerdem kann mit der Vorrichtung (3) keine lineare Abhängigkeit zwischen einer Änderung in der Kapazität der Kondensatoren und einem besonders kleinen Verschiebebetrag des Meßobjektes erzielt werden. Ebenfalls ist die Vorrichtung (5) nicht brauchbar, da durch die Bewegung des Interferenzbildes die Verschiebungsrichtung des Meßobjektes nicht direkt erfaßbar ist.

Aus der US-PS 3,409,370 ist eine optische Vorrichtung zur Längenmessung bekannt, bei der einem Gas-Laser außerhalb des Laserresonators ein beweglicher Spiegel zugeordnet ist, der vom Laser ausgehendes kohärentes Licht teilweise in den Resonator zurückspiegelt. Aus der Messung dieses vom Laser ausgesendeten Lichts läßt sich die Spiegellage mit im Bereich der Laserwellen länge liegenden Genauigkeit bestimmen.

Aus dem JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. LT-1, No. 1, March 1983, S. 81-93 ist eine Lasermeßvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, ohne daß dort das Problem der Richtungserkennung bei der Bewegung des externen Resonator spiegels angesprochen wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung zum Messen kleinster Verschiebebeträge zu schaffen, bei der auch noch besonders kleine Verschiebebeträge genau erfaßt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff.

Vorzugsweise sollte der Halbleiter-Laser eine innere Hohlraum länge von mindestens 250 µm haben.

In einer Ausführungsform weist die Resonatoranordnung zusätzlich zum Halbleiter-Laser eine Kollimatorlinse zur Bündelung des vom Halbleiter-Laser ausgesandten Lichts in parallele Lichtstrahlen und einen Strahlenteiler zur Aufteilung der parallelen Licht strahlen in zwei rechtwinklig voneinander laufende Strahlenbündel auf, von denen das eine auf das Meßobjekt und das andere auf den Lichtdetektor gerichtet ist.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Resonatoranordnung zusätzlich zum Halbleiter-Laser die Kollimatorlinse zur Bündelung des vom Halbleiter-Laser ausgesandten Lichts in parallele Lichtstrahlen und eine Kondensorlinse zur punktförmigen Bündelung der parallelen Lichtstrahlen auf das Meßobjekt auf.

Mit der Erfindung wird eine Meßvorrichtung zum Messen kleinster Verschiebebeträge geschaffen, durch die sowohl ein äußerst kleiner Verschiebebetrag als auch die Verschieberichtung eines Meßobjektes berührungslos unter Einsatz eines Halbleiter-Lasers sehr genau gemessen werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Meßvor richtung;

Fig. 2(a) in einem Diagramm den Verlauf der Verschiebung des Meßobjektes über die Meßzeit;

Fig. 2(b) in einem Diagramm die Veränderung der Lichtinten sität des Halbleiter-Lasers über die Meßzeit;

Fig. 2(c) in einem Diagramm die Veränderung der Lichtinten sität des Halbleiter-Lasers mit einer einen be stimmten Reflektionsfaktor aufweisenden Kristall schichten und mit einer bestimmten inneren Hohl raumlänge;

Fig. 3 schematisch eine weitere Ausführungsform der Meß vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung einer Meßvorrichtung mit einer zusammengesetzten Resonatoranordnung 10 und einem Lichtdetektor 11. Die Resonatoranordnung 10 weist einen Halbleiter-Laser 1, eine Kollimatorlinse 2 zur Bündelung des vom Halbleiter-Laser ausgesandten Lichtes in parallele Lichtstrahlen und einen Strahlenteiler 3 zur Aufteilung der parallelen Lichtstrahlen in zwei rechtwinklig voneinander laufende Strahlenbündel auf, von denen das eine auf ein Meßobjekt 4 und das andere auf den Lichtdetektor 11 gerichtet ist. Der Halbleiter-Laser 1, die Kollimatorlinse 2, der Strahlenteiler 3 und das Meßobjekt 4 liegen auf einer optischen Achse A. Dabei ist die Oberfläche 4a des Meßobjek tes 4 rechtwinklig zur optischen Achse A angeordnet. Der Lichtdetektor 11 liegt auf einer rechtwinklig zur optischen Achse A verlaufenden Achse, um somit den Lichtstrahl vom Strahlenteiler 3 zu empfangen.

Das vom Halbleiter-Laser 1 ausgesandte Licht durchläuft die Kollimatorlinse 2, durch die es in parallele Lichtstrahlen gebündelt wird, die anschließend durch den Strahlenteiler 3 in zwei rechtwinklig voneinander laufende Strahlenbündel aufgeteilt werden. Dabei trifft das eine Strahlenbündel im rechten Winkel auf die Oberfläche 4a des Meßobjektes 4, wird dort reflektiert und auf demselben Weg zum Halbleiter-Laser zurückgeworfen, so daß ein optischer Resonator entsteht, gebildet aus der Oberfläche 4a des Meßobjektes 4 und der Licht abstrahlenden vorderen Kristallschicht des Halbleiter- Lasers 1. Das andere Lichtstrahlenbündel wird vom Strahlen teiler 3 auf den Lichtdetektor 11 geleitet, der dadurch die Intensität des vom Halbleiter-Laser 1 ausgesandten Lichtes mißt.

Wenn die Intensität des reflektierten Lichtes während der Verschiebung des Meßobjektes 4 in die "X"- oder die "-X"-Richtung gemäß Fig. 1 konstant ist, verändert sich die Intensität des vom Halbleiter-Laser 1 ausgesandten Lichtes bei jeder weiteren Verschiebung des Meßobjektes 4 um einen Betrag von λ/2 (λ = Wellenlänge des Lichtes) aufgrund der Phasenbeziehung zwischen dem vom Halbleiter-Laser 1 ausge sandten Licht und dem vom Meßobjekt 4 reflektierten Licht, so daß die Lichtintensität schwankt. Es wurde herausgefun den, daß die Lichtintensität bei Verschiebung des Meßobjek tes 4 in die "X"-Richtung, also in Richtung des Halbleiter- Lasers 1, ansteigt und bei Verschiebung des Meßobjektes 4 in die "-X"-Richtung, also vom Halbleiter-Laser 1 weg, sinkt. Wird beispielsweise das Meßobjekt 4 in die "-X"-Richtung verschoben (siehe Fig. 2(a)), verändert sich die vom Lichtdetektor 11 gemessene Intensität des vom Halbleiter- Laser 1 ausgesandten Lichtes gemäß Diagramm in Fig. 2(b).

Somit entspricht der aus einer bestimmten Anzahl von λ/2 bestehende Verschiebebetrag des Meßobjektes 4 genau im Verhältnis 1 : 1 der Anzahl der Schwankungen der vom Lichtde tektor 11 gemessenen Lichtintensität. Ferner ist der vom Lichtdetektor 11 gemessene Pegel der Lichtintensität bei Verschiebung des Meßobjektes 4 in Richtung des Halbleiter- Lasers 1 niedriger und beim Verschieben des Meßobjektes 4 in eine Richtung vom Halbleiter-Laser 1 weg höher.

Der Betrag und die Richtung der Verschiebung des Meßobjektes 4 entsprechen also der Schwankungen der Intensität des vom Halbleiter-Laser 1 ausgesandten Lichtes. Somit können der Betrag und die Richtung der Verschiebung des Meßobjektes 4 nach Erfassen des Pegels und der Anzahl der Schwankungen der Lichtintensität durch den Lichtdetektor 11 gemessen werden. Wird das Objekt 4 beispielsweise periodisch hin- und herverschoben, so können die Amplitude und die Anzahl der Schwingungen des Meßobjektes 4 u. a. gemessen werden. Wird das Meßobjekt 4 rechtwinklig zur "X"-Richtung verschoben, kann die Veränderung der Dicke und der Oberflächenwelligkeit des Meßobjektes 4 in "X"-Richtung berechnet werden.

Die Schwankungsamplitude α und die Pegeldifferenz β der Lichtintensität bei unterschiedlichen Verschieberichtungen des Meßobjektes 4 steigen mit dem Produkt R_f·R_r (siehe Fig. 2(c)), wobei R_f der Reflexionsfaktor der der Kollimatorlinse 2 zugewandten vorderen Kristallschicht des Halbleiter-Lasers 1 und R_r der der Kollimatorlinse 2 gegenüberliegenden hinteren Kristallschicht des Halbleiter- Lasers 1 ist. Somit kann der Betrag und die Richtung besonders kleiner Verschiebungen des Meßobjektes 4 mit noch verbesserter Genauigkeit gemessen werden. Beide Kristall schichten sind mit einem doppelschichtigen Film aus Dielek trika wie unkristallisiertes Silizium (a-Si)/Al₂O₃ etc. oder anderen mehrschichtigen Filmen durch Aufdampfen mittels Elektronenstrahlen oder durch Zerstäubung verklebt, wobei das Produkt der Reflexionsfaktoren R_f und R_r beider Kristall schichten im erforderlichen Bereich zwischen 0,1 und 1 liegt. Da das von der hinteren Kristallschicht des Halblei ter-Lasers 1 abgestrahlte Licht für die Messung der Ver schiebebeträge des Meßobjektes 4 nicht verwendet werden kann, sollte der Reflektionsfaktor R_r der hinteren Kristall schicht zweckmäßigerweise hoch sein, und zwar in etwa im Bereich von 0,7 bis 0,95, so daß hier die Ausstrahlung des Lichtes unterdrückt wird. Wenn zusätzlich zum Reflektions faktor R_r der hinteren Kristallschicht ebenfalls der Reflek tionsfaktor R_f der vorderen Kristallschicht hoch ist, werden die Schwankungsamplitude α und die Pegeldifferenz β der Lichtintensität groß. Dennoch wird bei hohem R_f die Inten sität des von der vorderen Kristallschicht des Halbleiter- Lasers ausgesandten Lichtes reduziert, so daß dadurch die Messung des Verschiebebetrages des Meßobjektes 4 wiederum erschwert wird. Deshalb sollte der Reflektionsfaktor R_f der vorderen Kristallschicht vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 bis 0,7 liegen, so daß das Produkt aus R_f und R_r im Bereich von 0,3 bis 0,7 liegt. Eine besonders wirkungsvolle Messung des Verschiebebetrages des Meßobjektes 4 wird bei R_f=0,5 und R_r=0,95 (ergibt R_f·R_r=0,48) erzielt. Außerdem wurde herausgefunden, daß bei einer inneren Hohlraumlänge des Halbleiter-Lasers 1 von mindestens 250 µm die Schwan kungsamplitude α und die Pegeldifferenz β der Lichtinten sität bei unterschiedlichen Verschieberichtungen des Meßob jektes 4 zur Erzielung einer verbesserten Meßgenauigkeit besonders hoch sind.

Sollte das Meßobjekt 4 das Laser-Licht nicht reflektieren, kann für die Messung ein Reflektionsspiegel am Meßobjekt 4 angebracht werden.

Ausführungsform gemäß Fig. 1 darin, daß anstelle des Strahlenteilers 3 eine Kondensorlinse 6 auf der optischen Achse A angeordnet ist, durch die die von der Kollimator linse 2 parallel verlaufenden Lichtstrahlen punktförmig auf das Meßobjekt 4 gebündelt werden. Hierbei ist zum direkten Messen des Laser-Lichtes der Lichtdetektor 11 hinter dem Halbleiter-Laser 1 angeordnet.

Die Genauigkeit der Meßvorrichtung wird erhöht, wenn der Halbleiter-Laser 1 bei einer festen Temperatur betrieben wird. Zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung braucht der Halbleiter-Laser 1 aber weder spezielle Mate rialien noch bestimmte Charakteristiken aufzuweisen.

Claims

1. Meßvorrichtung zum Messen kleinster Verschiebebeträge, mit: einem Halbleiter-Laser (1), einer Resonatoranordnung (10), die so aufgebaut ist, daß ein Meßobjekt (4) vom Laser (1) bestrahlt und das am Meßobjekt (4) reflektierte Licht auf den Laser (1) zurückgeworfen und von einem Lichtdetektor (11) gemessen wird, der die Amplitude der optischen Ausgabe des Halbleiter-Lasers (1) mißt, wobei das Verhältnis zwischen dem Reflexionsfaktor R_f der vorderen Kristallschicht des Halbleiter-Lasers (1), von der der Laser Licht auf das Meßobjekt (4) abstrahlt, und dem Reflexionsfaktor R_r der der vorderen Kristallschicht gegenüberliegenden hinteren Kristallschicht des Halbleiter-Lasers (1) innerhalb des durch die Formel 0,1<R_f·R_r<1 definierten Bereiches liegt, dadurch gekennzeichnet, daß aus den unterschiedlichen Amplituden der optischen Ausgabe des Halbleiter-Laser bei Annäherung bzw. Entfernung des Meßobjekts (4) vom Halblei ter-Laser (1) auf die Bewegungsrichtung geschlossen wird, wobei zur Erzeugung einer großen Pegeldifferenz der Refle xionsfaktor R_r im Bereich von 0,7-0,95 und der Reflexions faktor R_f im Bereich von 0,5-0,7 gewählt wird, insbesondere R_r gleich 0,95 und R_f gleich 0,5 sind, so daß R_r·R_f gleich 0,48 ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Laser (1) eine innere Hohlraumlänge von mindestens 250 µm hat.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoranordnung (10) zusätzlich zum Halb leiter-Laser (1) eine Kollimatorlinse (2) zur Bündelung des vom Halbleiter-Laser (1) ausgesandten Lichtes in parallele Lichtstrahlen und einen Strahlenteiler (3) zur Aufteilung der parallelen Lichtstrahlen in zwei rechtwinklig voneinander laufende Strahlenbündel auf weist, von denen das eine auf das Meßobjekt (4) und das andere auf den Lichtdetektor (11) gerichtet ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoranordnung (10) zusätzlich zum Halb leiter-Laser (1) die Kollimatorlinse (2) zur Bündelung des vom Halbleiter-Laser (1) ausgesandten Lichtes in parallele Lichtstrahlen und eine Kondensorlinse (6) zur punktförmigen Bündelung der parallelen Lichtstrahlen auf das Meßobjekt (4) aufweist.