DE4403021C2

DE4403021C2 - Luftrefraktometer hoher Genauigkeit

Info

Publication number: DE4403021C2
Application number: DE4403021A
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Matsumoto
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1993-02-02
Filing date: 1994-02-01
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2014-02-02
Also published as: US5394240A; DE4403021A1; JPH06229922A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Luftrefraktometer gemäß Anspruch 1, das fähig ist, den Brechungsindex von Luft mit hoher Genauigkeit zu messen sowie auf ein Interferometer zur Längenmessung in Luft gemäß Anspruch 4.

Jüngere Fortschritte in der wissenschaftlichen und indu striellen Technologie haben einen Bedarf an Längenmessungen mit hoher Genauigkeit geschaffen. Optische Verfahren sind für berührungsfreie und hochakkurate Messungen nützlich, weil sie hochakkurate Messungen erreichen können, ohne die Objek te zu berühren, zwischen welchen die Messung durchgeführt wird. Das interferometrische Verfahren ist insbesondere gut geeignet zum Messen von Längen mit hoher relativer Akkuranz. Es weist jedoch dadurch ein Problem auf, daß die optischen Wellenlängen in der Größenordnung von 10^-6 durch den Brechungsindex der Luft beeinflußt werden, in welcher die Messung durchgeführt wird.

Zum Überwinden dieser Probleme haben die Erfinder vorher gehend ein Zweifarbenverfahren zum Messen geometrischer Längen vorgeschlagen, das zwei Laserstrahlen von verschiedenen Farben, d. h. verschiedenen Wellenlängen, als Lichtquellen eines längen messenden Interferometers verwendet, was es ermöglicht, Längenwerte, die optisch durch die optische Interferenz gemessen werden, in Echtzeit um den Brechungsindex der umgebenden Luft zu korrigieren.

In dem längenmessenden Interferometer, welches aus Meas. Sci. Technol. 3 (1992), 1084-1086, bekannt ist und das auf diesem Zwei farbenverfahren basiert, wird ein Laserstrahl auf einen nichtlinearen Kristall gerichtet, welcher als eine Folge eine zweitharmonische Welle erzeugt. Die zweitharmonische Welle wird heraussepariert und die fundamentale Welle und die zweitharmonische Welle werden separat verwendet, um In terferenzstreifen zu erzeugen. Der Unterschied in der Anzahl der Interferenzstreifen wird dann bestimmt. Wenn die Wellen länge des fundamentalen Laserstrahls als λ₁, die Wellenlänge der zweitharmonischen Welle als λ₂, die Längenwerte, die optisch gemessen werden, indem der fundamentale Laserstrahl und die zweitharmonische Welle verwendet werden, als L₁ bzw. L₂ und die Brechungsindizes der Luft bei λ₁ und λ₂ als n₁ und n₂ definiert werden, dann kann der Brechungsindex n₂ der Luft mit Bezug auf die zweitharmonische Welle ausgedrückt werden als

n₂ = 1 + (L₁-L₂) × A/L_x (1)

In dieser Gleichung ist L_x der Wert des gemessenen Interval les und kann, da ein genäherter Wert ausreicht, durch den gemessenen Längenwert L₁ oder L₂ ersetzt werden. "A" ist ein Koeffizient und ist, wie wohlbekannt ist, eine Konstante, die gegeben ist durch {(n₀₂-1)/(n₀₂-n₀₁)}, wobei n₀₁ und n₀₂ die Brechungsindizes von Luft unter Standardbedin gungen sind. Der Wert des Koeffizienten A ist von den zwei Wellenlängen abhängig, die verwendet werden und nimmt einen Wert im Bereich mehreren 10 bis mehreren 100 an. Als eine Folge ist die Auflösung der Luftbrechungsindexmessung durch das Zweifarbenverfahren, das vom längenmessenden Interfero meter verwendet wird, dürftig. Es ist daher schwierig, verbesserte Meßgenauigkeit durch optische Interferenz in dem relativ kurzen Längenbereich zwischen mehreren Zehn und mehreren Hundert Zentimeter zu erreichen.

Darüber hinaus hat, da das herkömmliche längenmessende In terferometer, welches das Zweifarbenverfahren verwendet, von den Interferenzstreifen, die gebildet werden, indem Licht von zwei Wellenlängen verwendet wird, separat photoelektrisch nachgewiesen und gezählt zu werden, nicht nur eine dürftige Auflösung bei der Streifenmessung, sondern erfordert auch komplexe Meßsysteme aufgrund seines Bedarfs, hochkohärente Lichtquellen zu verwenden usw.

Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zu schaffen, die fähig ist den Brechungsindex von Luft und Längen in Luft mit hoher Genauigkeit zu messen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Luftrefraktometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Interferometer mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.

Wenn die Luftbrechungsindizes bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ n₁ und n₂ betragen, kann die Differenz ΔL der optischen Weglängen bei der Interferenz zwischen der zweitharmonischen Welle, die nach der Umwandlung zur Welle λ₂ durch den ersten nicht linearen optischen Kristall propagiert wird, und der Licht welle, die zur Wellenlänge λ₂ durch den zweiten nicht linearen optischen Kristall gewandelt wurde, nachdem ohne Änderung propagiert worden ist, ausgedrückt werden als:

ΔL = L (n₂-n₁) = (n₂-1) L/A (2)

wobei L die geometrische Länge ist, um die sich der reflektierende Spiegel bewegt, und nur ein genäherter Wert sein muß. Der Luftbrechungsindex kann daher erhalten werden, indem die Differenz ΔL der optischen Weglängen, und zwar über die Anzahl der Interferenzstreifen gemessen wird, wobei durch den gemessenen Wert der geometrischen Länge L dividiert wird und das Resultat mit dem Koeffizienten A multipliziert wird. Wie aus Gleichung (2) gesehen werden kann, erfordert die vorliegende Erfindung die Messung von nur der extrem kleinen Differenz ΔL der optischen Weglängen. Da die Phasen und die Anzahl der Interferenzstreifen daher mit hoher Auflösung bestimmt werden können, kann weiterhin der Luft brechungsindex mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungs beispiels eines Luftrefraktometers mit hoher Genauigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen Graphen, der ein Beispiel des Inter ferenzstreifensignals zeigt, das durch ein Luftrefraktometer gemäß der Erfindung er halten wird.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung eines Ausführungsbeispiels des Luftrefraktometers mit hoher Genauigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Refrak tometer umfaßt eine Laserstrahlquelle 1, eine Linse 2 und einen ersten nichtlinearen Kristall 3, die der Reihe nach auf der optischen Achse der Laserstrahlquelle 1 positioniert sind, und eine Linse 4 und einen reflektierenden Spiegel 5, die der Reihe nach auf der optischen Achse der Licht emittierenden Seite des ersten nichtlinearen Kristalls 3 positioniert sind. Der reflektierende Spiegel 5 ist auf einem Transportmittel 14 angebracht, das durch einen Schritt motor oder dergleichen angetrieben wird, und zwar zum Transportieren des reflektierenden Spiegels 5 bei einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit in der Richtung der optischen Achse befestigt ist. Auf der Licht emittierenden optischen Achse des reflektierenden Spiegels 5 sind der Reihe nach eine Halbwellenplatte 6, eine Linse 7, ein zweiter nichtlinearer Kristall 8, eine Linse 9, ein Filter 10 und ein photoelektrischer Detektor 11 angeordnet. Der photoelektrische Detektor 11 ist elektrisch mit einem Speicher 12 und einem Personalcomputer, d. h. PC, 13 verbunden.

In dem so angeordneten Luftrefraktometer wird ein Laserstrahl der Wellenlänge λ₁, das durch die Laserstrahlquelle 1 emittiert wird, auf den ersten nichtlinearen Kristall 3 durch die Linse 2 fokussiert. Als erster nichtlinearer Kristall kann ein KTiOPO₄-Kristall oder andere derartige be kannte eine zweite harmonische Welle, d. h. eine zweitharmo nische Welle, erzeugende Kristalle von beliebiger Größe verwendet werden.

Ein Teil des Laserstrahls, das durch den ersten nichtlinea ren Kristall 3 empfangen wird, wird zu einer zweitharmoni schen Welle (λ₂₁) umgewandelt, welche, nachdem sie durch die Linse 4 kollimiert wird, durch die Luft zu dem reflektieren den Spiegel 5 propagiert. Nachdem sein Polarisationszustand durch die Halbwellenplatte 6 eingestellt wird, tritt das Licht, das durch den reflektierenden Spiegel 5 reflektiert wird, durch die Linse 7 zum zweiten nichtlinearen Kristall 8.

Die Wellenlänge λ₂₁ der zweitharmonischen Welle, die durch den ersten nichtlinearen Kristall 3 erzeugt wird, ist kleiner als die Wellenlänge λ₁ des fundamentalen Laserstrahls. Da sie daher einen größeren Brechungsindex aufweist, propagiert sie langsamer durch die Luft. Der fundamentale Laserstrahl kommt so früher an dem zweiten nichtlinearen Kri stall 8 an und der zweite nichtlineare Kristall 8 wandelt einen Teil davon zu einer zweitharmonischen Welle (λ₂₂). Die zweitharmonische Welle λ₂₁, die durch den ersten nichtlinearen Kristall 3 erzeugt wird, schreitet zu dem zweiten nichtlinearen Kristall 8 wie sie ist fort, und so tritt Intereferenz zwischen ihr und der zweitharmonischen Welle λ₂₂ auf, die durch den zweiten nichtlinearen Kristall 8 erzeugt wird. Die Wellen schreiten dann durch die Linse 9 zu dem Filter 10 fort, welcher den fundamentalen Laserstrahl λ₁ entfernt und die verbleibenden Wellen treten zu dem photo elektrischen Detektor 11 durch. Wenn der reflektierende Spie gel 5 einen gegebenen Abstand längs der optischen Achse mit einer gegebenen Geschwindigkeit bewegt wird, wird daher eine Anzahl von Interferenzstreifen in Proportion zu der bewegten Entfernung des Spiegels 5 am Detektor 11 gezählt. Wie in dem Fall des ersten nichtlinearen Kristalls kann der zweite nichtlineare Kristall auch ein KTiOPO₄-Kristall oder ein anderer derartiger eine zweitharmonische Welle erzeugender Kristall sein.

Der photoelektrische Detektor 11 kann eine Photodiode sein. Seine Ausgabe wird in dem Speicher 12 gespeichert und der PC 13 verwendet zuerst die abgelegte Information zum Berechnen der Anzahl von gebildeten Interferenzstreifen und teilt dann das Resultat durch den Abstand, um welchen der reflektierende Spiegel 5 sich bewegt hat und multipliziert schließlich mit dem Koeffizienten A, um den Brechungsindex der Luft zu erhalten.

Ein Arbeitsbeispiel der Erfindung wird nun erklärt werden. Ein Luftrefraktometer der Anordnung von Fig. 1 wurde hergestellt, wobei als die Laserstrahlquelle 1 ein 1,06 µm Wellenlänge YAG-Laser mit einer Ausgangsleistung von unge fähr 40 mW verwendet wurde. Der Laserstrahl (λ₁), der durch den YAG-Laser erzeugt wurde, wurde auf einen KTiOPO₄-Kristall (Typus 2) focussiert, der 10 mm in der Länge maß (der erste nichtlineare Kristall 3), und zwar durch eine Objektivlinse mit einer Brennweite von 60 mm (die Linse 2), nachdem der Polarisationszustand des Lichtes durch eine Halbwellenplatte in dem Lasersystem eingestellt wurde. Als eine Folge erzeugte der KTiOPO₄-Kristall eine zweitharmo nische Welle (λ₂ = 532 nm) bei einer Ausgangsleistung von ungefähr 4 µW. Die fundamentalen und zweitharmonischen Wellen wurden durch eine achromatische Linse mit einer Brennweite von 150 mm (der Linse 4) kollimiert und den resultierenden Strahlen, welche ungefähr 5 mm im Durchmesser maßen, wurde gestattet, durch die Luft zu einem Eckwürfel prisma (dem reflektierenden Spiegel 5) auf einem sich bewegenden Schlitten (dem Transportmittel 14) zu propa gieren. Die Strahlen wurden durch das Eckwürfelprisma reflektiert, während sie längs der optischen Achse um ungefähr 40 mm versetzt wurden. Die reflektierten Strahlen schritten dann zu einem zweiten KTiOPO₄-Kristall fort, der 5 mm in der Länge maß (dem zweiten nichtlinearen Kristall 8), und zwar durch eine Halbwellenplatte geeignet nur für eine Wellenlänge von 1,06 µm (der Halbwellenplatte 6) und eine Objektivlinse mit einer Brennweite von 60 mm (der Linse 7). Der zweite nichtlineare Kristall 8 wandelte nur einen Teil der fundamentalen Welle in eine zweitharmonische Welle und modifizierte die zweitharmonische Welle, die durch den ersten nichtlinearen Kristall 3 erzeugt wurde, nicht. Als eine Folge erzeugten die zweitharmonischen Wellen, die durch die ersten und zweiten nichtlinearen Kristalle 3 und 8 erzeugt wurden, Interferenzstreifen in Übereinstimmung mit der Variation der Dispersionseigenschaften der Luft längs des optischen Weges des Refraktometers.

Zum Nachweisen der Interferenzstreifen wurden die Strahlen durch eine Kondensorlinse (die Linse 9) und den Filter 10 geführt und auf eine Photodiode (den photoelektrischen Detek tor 11) fokussiert. Die den Interferenzstreifen entsprechenden Signale, die durch den photoelektrischen Detektor 11 erzeugt wurden, wurden in einen Signal speicher (den Speicher 12) gegeben und dann mit einer Phasenauflösung von 1° durch den PC 13 analysiert. Fig. 2 zeigt die Interferenzstreifensignale, als das Eckwürfel prisma bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 2 mm/s trans portiert wurde. Das Signal-/Rauschverhältnis war groß genug zur akkuraten Bestimmung der Phase. Das gezeigte Liniensig nal ist von einem Liniendetektor zum Auslösen des Meßsystems mit der Verwendung einer Hilfsskala wie unten erklärt.

Das Refraktometer wurde verwendet, um den Brechungsindex von Luft bei Bewegungsabständen von 43 und 64 cm in einem Unter grundtunnel mit stabilen Luftbedingungen an verschiedenen Tagen zu messen. Die Distanzen wurden mit einer Genauigkeit von 0,05 mm gemessen, wobei ein herkömmliches kommerziell erhält liches Laserinterferometer verwendet wurde. Die Liniensignale, um das Meßsystem auszulösen, wurden erzeugt, indem die Ausgangsleistung einer Laserdiode mit Photodioden bei zwei Positionen längs des optischen Weges des Refraktometers gemessen wurde, und wurden an den Computer simultan mit den Interferenzstreifensignalen eingegeben. Die Temperatur, der Druck, und die Feuchtigkeit der Luft an einem Punkt längs des optischen Weges wurden simultan mit meteorologischen Sensoren gemessen, mit Akkuranzen von 0,05°C, 15 Pa bzw. 10%, und der Brechungsindex wurde auf eine Akkuranz von besser als 1×10^-7 berechnet. Die Meßresultate sind in Tabelle 1 im Vergleich mit Resultaten gezeigt, die berechnet wurden, wobei Edlen′s Formel verwendet wurde. In dem vorliegenden Verfahren wurde der Koeffizient A aus Edlen′s Formel zu 65,592 berechnet. Es ist zu sehen, daß die Differenz zwischen den Resultaten aus der vorliegenden Erfindung bei einem Abstand nahe 50 cm und jenen von Edlen′s Verfahren kleiner als der experimentelle Fehler von 1×10^-7 ist. Obwohl die Erfindung einen Durchschnittsbrechungsindex längs des gesamten Bewegungsweges ergibt und Edlen′s Verfahren den Brechungsindex bei einem Punkt ergibt, sind die Resultate vergleichbar, weil der Tunnel unter stetiger Luftbedingung bei ungefähr 18,3°C war. Das erstere Verfahren wird bei der Längenmessung benötigt.

Tabelle 1

Wie im vorhergehenden erklärt, werden in dem längenmessenden Interferometer nach dem Stand der Technik, welches das Zweifarbenverfahren verwendet, die fundamentale Welle und die zweitharmonische Welle separat verwendet, um separate Sätze von Interferenzstreifen zu erzeugen, und zwar ver mittels von Strahlteilern, dann wird die Anzahl der Interferenz streifen in jedem Satz gezählt und die Differenz der Anzahl der Interferenzstreifen in den zwei Sätzen bestimmt. Deswegen ist die Anzahl der Interferenzstreifen, die erzeugt werden, groß und dies macht es schwierig, eine Verbesserung in der Auflösung bei der Messung der Interferenzstreifen zu erreichen. Im Gegensatz verwendet die vorliegende Erfindung den zweiten nicht linearen Kristall anstelle des Strahlteilers zum Erzeugen von Interferenzstreifen zwischen zwei harmonischen Wellen. Als eine Folge wird nur eine Anzahl von Interferenzstreifen proportional zur Differenz des Luftbrechungsindex bei den Wellenlängen der zwei Wellen gebildet. Da diese Anzahl viel kleiner als in dem herkömmlichen Fall ist, und zwar um einen Faktor der Größenordnung von 10^-6, um spezifisch zu sein, können die Interferenzstreifen, die erzeugt werden, mit hoher Meßpunktdichte in einen Computer oder dergleichen aufgenommen werden. Da es daher möglich ist, die Anzahl und die Phase der Interferenzstreifen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, kann die Längenmessung mit einer hohen Genauigkeit in der Größenordnung von Nanometern durchgeführt werden.

Die Längenmessungsinterferometer werden gegenwärtig in einen breiten Bereich von wissenschaftlichen und industriellen Gebieten verwendet. Bereits zum Verbessern der Bemaßungs präzision von Komponenten in den Sektoren fortschrittlicher Elektronik und Maschinerie angewendet, werden sie nun zu nehmend eingesetzt, um akkurate Längenmessung in unstabilen Umgebungen und über lange optische Wege zu schaffen. Daher ist es notwendig, die Probleme der Luftfluktuation zu über winden und eine Korrektur wegen Änderungen im Brechungsindex der Luft möglich zu machen. Da die vorliegende Erfindung automatische Echtzeitkorrektur wegen Änderungen im Luft-Brechungs vermögen ermöglicht, ermöglicht sie, daß Längenmessung durch optische Interferometrie mit hoher Akkuranz in Luft durch geführt wird. Als solches kann von ihr erwartet werden, extensive Verwendung auf dem Gebiet optischer Messungen zu finden.

Die Erfindung ermöglicht so eine neuartige Längenmeßtechno logie mit hoher Verwendbarkeit wegen der Korrektur aufgrund von Änderungen im Luftbrechungsvermögen für die Verwendung in Verbindung mit Komponenten und Produkten hoch akkurater Bemaßungs- und Meßtechnologie und hoch akkurater Kalibrations technologie bei der Erzeugung von Halbleiterbauelementen und anderen elektroni schen Produkten genauso wie im Maschinenbau oder anderen hoch präzisen industriellen Gebieten.

Claims

1. Luftrefraktometer hoher Genauigkeit mit einer Laserstrahl quelle (1) zum Emittieren eines Laserstrahls, einem ersten nichtlinearen optischen Kristall (3) zum Empfangen des Laserstrahls und zum Umwandeln eines Teils davon zu einer ersten zweitharmonischen Welle, einem reflektierenden Bauteil (5) zum Reflektieren des Laserbündels und der ersten zweitharmonischen Welle, einem Transportmittel (14) zum Transportieren des reflektierenden Bauteils (5), einem zweiten nichtlinearen optischen Kristall (8) zum Empfangen des Laserbündels und der ersten zweitharmonischen Welle, die durch das reflektierende Bauteil (5) reflektiert wurden, und zum Umwandeln eines weiteren Teils des Laserstrahls zu einer zweiten zweitharmonischen Welle und zum Erzeugen von Interferenzstreifen durch Interferenz zwischen der ersten zweitharmonischen Welle und der zweiten zweit harmonischen Welle, und einem Mittel zum Zählen der an einem Detektor erzeugten Interferenzstreifen zum Dividieren der Anzahl von gezählten Interferenzstreifen durch einen Abstand, um den das reflektierende Bauteil (5) bewegbar ist, und zum Multiplizieren des Ergebnisses mit einem Koeffizienten (A).

2. Luftrefraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter ein erstes Filtermittel (10) umfaßt, das nach dem zweiten nichtlinearen optischen Kristall (8) zum Entfernen desjenigen Teils des Lasterstrahls, der nicht zu den ersten und zweiten zweitharmonischen Wellen umgewandelt ist, positioniert ist.

3. Luftrefraktometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbwellenplatte (6) zwischen dem reflektierenden Bauteil (5) und dem zweiten nichtlinearen optischen Kristall (8) angeordnet ist.

4. Interferometer zur Längenmessung in Luft mit hoher Genauigkeit, welches zur Messung des Brechungsindexes von Luft die Merkmale eines Luftrefraktometers nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfaßt.