DE69023279T2

DE69023279T2 - Längenmessgerät.

Info

Publication number: DE69023279T2
Application number: DE69023279T
Authority: DE
Inventors: Masaru Ohtsuka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-06-07
Filing date: 1990-06-06
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: EP0401799B1; EP0401799A3; DE69023279D1; JP2808136B2; JPH039202A; US5106191A; EP0401799A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Längenmeßvorrichtung zum Erfassen einer Strecke bis zu einem zu messenden Gegenstand und einer Verschiebung des Gegenstands, und insbesondere auf eine Längenmeßvorrichtung zum genauen Messen einer Verschiebung und einer Position des Gegenstands unter Verwendung von kohärentem Licht, wie etwa Laserlicht oder dergleichen. Die Vorrichtung wird geeignet- verwendet, zum Beispiel zur Steuerung einer Stufe einer Belichtungsvorrichtung für Halbleitereinrichtungen.
Als eine Längenmeßvorrichtung für die Steuerung einer Stufe einer Belichtungsvorrichtung für Halbleitereinrichtungen war bisher ein sogenanntes Zweiwellenlängen-Laserinterferometer bekannt, das eine Bewegungsstrecke unter Verwendung einer Doppler- Verschiebung bei einer optischen Frequenz, die durch die Bewegung eines auf der Stufe montierten Spiegels verursacht wird, mißt. Dieses Verfahren wird als ein erstes herkömmliches Beispiel bezeichnet.
FIG. 1 zeigt ein Schaubild der Anordnung einer derartigen Vorrichtung zum Erläutern des Meßprinzips beim ersten herkömmlichen Beispiel.
In FIG. 1 sind gezeigt: ein Zweifrequenz-Zeeman-Laseroszillator 1, der als eine Lichtquelle dient, ein Strahlteiler 2, eine Interferometereinheit 3, die aus einem Polarisierungsstrahlteiler und einem Eckenwürfel besteht, eine λ/4-Platte 4, ein Reflexionsplanspiegel 5, Polarisatoren 6a und 6b, Photodetektoren 7a und 7b, Impulswandler 8a und 8b zum Umwandeln von sinusförmigen Signalen in Impuls folgen, ein Vor-/Kückwärtszähler 9 zum Durchführen einer Addition/Subtraktion von Impulsen, und eine Stufe 10.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung sind zwei von dem Zweifrequenz-Zeeman-Laseroszillator 1 emittierte Lichtstrahlen P und Q elektromagnetische Wellen mit Frequenzen f&sub1; bzw. f&sub2; und linear polarisierte Lichtstrahlen, die zueinander rechtwinklig sind. Jeder der Lichtstrahlen P und Q wird durch den Strahlteiler 2 in zwei Strahlen geteilt. Abgelenkte Lichtstrahlen überlagern einander durch die Funktion des Polarisators 6a und der resultierende Lichtstrahl wird als ein Überlagerungssignal mit einer Frequenz f&sub1; - f&sub2; durch den Photodetektor 7a erfaßt. Dieses Signal wird zu einem Bezugssignal gemacht.
Die geradeaus gehenden Strahlen dringen in die Interferometereinheit 3 ein und werden durch die Funktion des Polarisierungsstrahlteilers in Lichtstrahlen P und Q geteilt. Der Lichtstrahl Q tritt, nachdem er lediglich das Innere der Interferometereinheit 3 durchlaufen hat, aus und der Lichtstrahl P tritt, nachdem er durch den auf der Stufe 10 montierten Reflexionsplanspiegel 5 zweimal reflektiert wurde, aus. Die Lichtstrahlen P und Q überlagern einander durch die Funktion des Polarisators 6b, und der resultierende Lichtstrahl wird ebenfalls als ein Überlagerungssignal mit einer Frequenz f&sub1; - f&sub2; durch den Photodetektor 7b erfaßt. Die durch die Photodetektoren 7a und 7b erfaßten Überlagerungssignale werden durch die Impulswandler 8a bzw. 8b in Impulsfolgen gewandelt und die Differenz zwischen den Anzahlen der Impulse wird durch den Vor-/Rückwärtszähler 9 gezählt.
Falls in diesem Zustand sich die Stufe 10 bei einer Geschwindigkeit v in die Richtung der optischen Achse bewegt, wird der durch den Spiegel 5 auf der Stufe 10 reflektierte Lichtstrahl P einer Dopplerverschiebung pro Reflexion von
Δf = (2v/C) * f&sub1; ; (1)
unterworfen, wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist. Da der Lichtstrahl P in der Anordnung in FIG. 1 zweimal reflektiert wird, trifft der einer Dopplerverschiebung von 2Δf unterworfene Lichtstrahl P auf den Photodetektor 7b. Somit ändert sich die Frequenz des durch den Photodetektor 7b erfaßten Signals zu f&sub1; - f&sub2; ± 2Δf. Im Gegensatz dazu bleibt das durch den Photodetektor 7a erfaßte Signal bei f&sub1; - f&sub2;. Folglich wird die Ansgabe vom Vor/Rückwärtszähler 9 zu ±2Δf. Der Verschiebungsbetrag der Stufe 10 wird durch Multiplizieren dieses Ausgabewertes mit der Wellenlänge des Lichtstrahls P erhalten. Somit wird bei der herkömmlichen Vorrichtung der Verschiebungsbetrag der Stufe inkrementell erhalten.
Andererseits wurde, wie in der Japanischen Patentoffenbarung (Kokai) Nr. 62-135703 (1987) und 62-204103 (1987) offenbart, ebenfalls ein Verfahren erdacht, bei dem eine absolute Position und Verschiebung unter Verwendung von Lichtquellen mit verschiedenen Wellenlängen gemessen wird. Dieses Verfahren wird als ein zweites herkömmliches Beispiel bezeichnet. Bei diesem Verfahren besitzt eine Phasendifferenz Φ&sub1; bei durch eine Wellenlänge λ&sub1; erhaltenen Interferenzstreifen die folgende Beziehung:
l = (2πN + Φ&sub1;) λ&sub1;/2π ; (2)
wobei l die optische Pfaddifferenz eines Interferometers und N eine natürliche Zahl ist. Somit wird ein Bereich, den eine unbekannte natürliche Zahl N haben kann, durch Messen von Phasendifferenzen Φ&sub2;, Φ&sub3; für verschiedene Wellenlängen λ&sub2;, λ&sub3; - stufenweise eingeschränkt, und eine absolute Position l wird erhalten, indem schließlich die natürliche Zahl N eindeutig bestimmt wird.
Das erste herkömmliche Beispiel besitzt jedoch folgenden Nachteil. Da die Bewegungsstrecke durch Erhalten des Integrals der Differenz zwischen den Bezugsimpulsen und der Messung gemessen wird, wird es unmöglich, eine Messung durchzuführen, falls das Laserlicht nur für einen Moment abgeschaltet wird. Das Beispiel besitzt ebenfalls folgenden Nachteil. Da nur der Verschiebungsbetrag von einem Punkt, der zurückgesetzt wurde, gemessen werden kann, ist es notwendig, einen Ursprungssensor für zum Beispiel die Steuerung einer Stufe getrennt zu bilden und somit wird das System der Stufe kompliziert.
Andererseits, obwohl beim zweiten herkömmlichen Beispiel eine absolute Messung durchgeführt werden kann und somit die Nachteile beim ersten herkömmlichen Beispiel beseitigt werden, besitzt das zweite herkömmliche Beispiel ein Problem darin, daß es schwierig ist, eine Echtzeit-Überwachung der Position einer sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Stufe durchzuführen, da ein kompliziertes Meßverfahren benötigt wird.
Weiterhin offenbart die Schrift WO-A-88 08 519 eine Längenmeßvorrichtung mit zwei Lasereinrichtungen, die Lichtstrahlen mit verschiedenen Frequenzen emittieren. Ein Polarisierungsstrahlteiler erzeugt Teilstrahlen dieser Lichtstrahlen und die Frequenzen der Teilstrahlen werden durch Modulatoren verschoben. Ein erster Photodetektor erfaßt einen Bezugslichtstrahl, der aus den Teilstrahlen und den Lichtstrahlen mit verschiedenen Frequenzen besteht, während ein einer zu messenden Strecke entsprechender Meßlichtstrahl durch einen zweiten Photodetektor erfaßt wird. Die Phasendifferenz der durch die ersten und zweiten Photodetektoren ausgegebenen Photodetektorsignale hängt nur von der Position des Testgegenstands und der Differenz der Frequenzen der Lichtstrahlen, die leicht auszugleichen ist, ab. Somit wird eine sehr genaue Messung besonders einer relativen Verschiebung des Testgegenstands erreicht.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Längenmeßvorrichtung zu bilden, die eine einfache Anordnung besitzt, die keinen Ursprungssensor benötigt und bei der eine Messung unmittelbar fortgesetzt werden kann, selbst wenn ein Laserlicht aufgrund einer unerwarteten Störung oder dergleichen abgeschaltet wird.
In Ubereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Längenmeßvorrichtung zum Messen einer Länge gelöst, indem man einen ersten Lichtstrahl einen optischen Pfad zur Messung, der zumindest einen zu messenden Gegenstand umfaßt, durchlaufen läßt, und einen zweiten Lichtstrahl einen als einen Längeumeßstandard dienenden optischen Bezugspfad durchlaufen läßt, um ihn mit dem ersten Lichtstrahl zu überlagern, wobei die Vorrichtung umfaßt: eine erste Einrichtung zum Führen eines Lichtstrahls mit einer einzigen Frequenz zum optischen Pfad zur Messung und zum Erzeugen eines Überlagerungsstrahls zwischen dem den optischen Pfad zur Messung durchlaufenden Lichtstrahl und einem den optischen Bezugspfad durchlaufenden Lichtstrahl, um ein Ausgabesignal zu erzeugen, auf dessen Grundlage ein relativer Betrag einer Positionsänderung des zu messenden Gegenstands durch Erfassen des Überlagerungsstrahls gemessen wird, und eine zweite Einrichtung zum Führen eines Lichtstrahls oder -strahlen mit verschiedenen Frequenzen zum optischen Pfad zur Messung und zum Erzeugen eines Überlagerungsstranls oder -strahlen zwischen dem Lichtstrahl oder -strahlen mit verschiedenen Frequenzen, die den optischen Pfad zur Messung durchlaufen, und einem Lichtstrahl oder -strahlen mit verschiedenen Frequenzen, die den optischen Bezugspfad durchlaufen, um Ausgabesignale zu erzeugen, auf deren Grundlage eine absolute Position des zu messenden Gegenstands durch Erfassen des Überlagerungsstrahls oder -strahlen gemessen wird.
Somit kann die vorliegende Erfindung einen relativen Betrag einer Positionsänderung des Gegenstands unter Verwendung des Ausgabesignals des Photodetektors oder des VOR-/RÜCKWÄRTSZÄHLERS messen, während eine absolute Position des Gegenstands auf der Grundlage der Ausgaben Φ&sub1;, ΔΦ und ΔΦ&sub1; unter Verwendung von zum Beispiel einem Modulationsoszillator gemessen wird. Somit ist es möglich, den Ablauf zum Bestimmen einer absoluten Position zum Testgegenstand zu irgendeiner Zeit und bei irgendeiner Position fortzusetzen.
In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel umfaßt eine Halbleiterlaser-Längenmeßvorrichtung erste und zweite Halbleiterlaser, die in voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen schwingen, eine Frequenzmodulationseinrichtung zum Modulieren einer Schwingungsfrequenz des ersten Halbleiterlasers, eine Lichtstrahlteilungseinrichtung zum Teilen von ersten und zweiten Laserlichtstrahlen, die vom ersten bzw. zweiten Halbleiterlaser ausgegeben werden, in dritte und vierte, bzw. fünfte und sechste Lichtstrahlen, eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung zum Projizieren der dritten und fünften Laserlichtstrahlen auf und zum Reflektieren lassen von einem zu messenden Gegenstand, und zum Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem reflektierten Lichtstrahl des dritten Laserlichtstrahls und dem vierten Laserlichtstrahl, und einer Phasendifferenz zwischen dem reflektierten Lichtstrahl des fünften Laserlichtstrahls und dem sechsten Laserlichtstrahl, und eine Einrichtung zum Erhalten einer optischen Pfaddifferenz zwischen den geteilten Laserstrahlen in Übereinstimmung mit dem Erfassungsergebnis.
Gewöhnlich wird der Betrieb der Schwingungsfrequenz- Modulationseinrichtung durch eine Auswahleinrichtung ein- und ausgeschaltet, um auszuwählen, ob der erste Laserlichtstrahl moduliert oder bei einer konstanten Frequenz gehalten wird.
Zumindest einer vom ersten und zweiten Halbleiterlaser enthält eine Schwingungswellenlängen-Stabilisierungseinrichtung zum Konstanthalten einer Schwingungswellenlänge.
Die Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung enthält zum Beispiel einen ersten AO(akustooptischen)-Modulator zum Verschieben von Frequenzen der dritten und fünften Laserlichtstrahlen, und einen zweiten AO(akustooptischen)-Modulator zum Verschieben von Frequenzen der vierten und sechsten Laserlichtstrahlen, und erfaßt Phasendifferenzen durch Überlagerungserfassung unter Verwendung dieser Modulatoren.
Es wird vorgezogen, daß die Schwingungsfrequenz- Modulationseinrichtung eine veränderliche Frequenzmodulationsbreite besitzt.
Wenn eine inkrementelle Messung durchgeführt wird, ist eine Einrichtung zum inkrementellen Erhalten einer optischen Pfaddifferenz zwischen geteilten Laserlichtstrahlen gebildet, zum Beispiel in Übereinstimmung mit einem Überlagerungssignal, das aus einer Überlagerung zwischen dem dritten Laserlichtstrahl und dem reflektierten Lichtstrahl des vierten Laserlichtstrahls oder aus einer Überlagerung zwischen dem fünften Laserlichtstrahl und dem reflektierten Lichtstrahl des sechsten Laserlichtstrahls, und einer Differenz zwischen einer Schwingungsfrequenz zum Treiben des ersten AO(akustooptischen)-Modulators und der zum Treiben des zweiten AO(akustooptischen)-Modulators erzeugt wird. Die Vorrichtung schaltet nach Messen einer absoluten optischen Pfaddifferenz zur inkrementellen Messung.
Die Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung umfaßt gewöhnlich weiter einen Wellenlängen-Auswahlspiegel zum Trennen des dritten Laserlichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls des vierten Laserlichtstrahls, und des fünften Laserlichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls des sechsten Laserlichtstrahls.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird nur ein Halbleiterlaser verwendet. In diesem Fall umfaßt eine Vorrichtung einen Halbleiterlaser, eine Frequenzmodulationseinrichtung zum Modulieren eines Injektionsstroms für den Halbleiterlaser innerhalb eines Bereichs, in dem sich eine Schwingungswellenlänge stetig ändert, eine Frequenzänderungseinrichtung zum Modulieren des Injektionsstroms für den Halbleiterlaser innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungswellenlänge unstetig ändert, eine Feststelleinrichtung zum Steuern des Injektionsstroms für den Halbleiterlaser, um die Schwingungswellenlänge konstant zu halten, eine Einrichtung zum Auswählen mittels Schalten der Frequenzmodulationseinrichtung, eine Frequenzänderungseinrichtung oder -feststelleinrichtung, eine Lichtstrahlteilungseinrichtung zum Teilen eines vom Halbleiterlaser ausgegebenen Laserlichtstrahls in zwei Lichtstrahlen, eine Phasendifferenz- Erfassungseinrichtung zum Projizieren von einem der geteilten Laserlichtstrahlen auf und zum Reflektieren lassen von einem zu messenden Gegenstand, und zum Erfassen einer Phasendifferenz zwischen dem reflektierten Lichtstrahl und einem weiteren geteilten Laserlichtstrahl, und eine Einrichtung zum Erhalten einer optischen Pfaddifferenz zwischen den geteilten Laserlichtstrahlen in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Erfassung.
Die Lichtstrahlteilungseinrichtung teilt zum Beispiel den Las erlichtstrahl in einen P-polarisierten Lichtstrahl und einen S- polarisierten Lichtstrahl. Die Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung enthält AO(akustooptische)-Modulatoren zum Bilden von Frequenzverschiebungen, die für den P-polarisierten Lichtstrahl und den S-polarisierten Lichtstrahl voneinander verschieden sind. Indem man die Differenz zwischen diesen Frequenzverschiebungen zu einem Bezugssignal macht und ein durch Überlagerung zwischen dem P-polarisierten Lichtstrahl und dem S- polarisierten Lichtstrahl, von denen einer ein von dem zu messenden Gegenstand reflektierter Lichtstrahl ist, erzeugtes Überlagerungsstrahl zu einem gemessenen Signal macht, erfaßt die Lichtstrahlteilungseinrichtung die Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal und dem gemessenen Signal.
Es ist ebenfalls eine Einrichtung zum Umwandeln des Bezugssignals und des gemessenen Signals in Impulssignale und zum Zählen der Differenz zwischen den Anzahlen von Impulsen der jeweiligen Signale gebildet. Wenn die Feststelleinrichtung durch die Auswahleinrichtung ausgewählt wird, wird eine inkrementelle Messung einer optischen Pfaddifferenz durch diese Einrichtung ausgeführt.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung werden erste und zweite Laserlichtstrahlen in dritte und vierte Laserlichtstrahlen bzw. fünfte und sechste Laserlichtstrahlen geteilt. Nachdem die dritten und fünften Laserlichtstrahlen durch den zu messenden Gegenstand reflektiert wurden, werden Phasendifferenzen zwischen den dritten und vierten Laserlichtstrahlen bzw. den fünften und sechsten Laserlichtstrahlen erfaßt. Wenn die Schwingungsfrequenz des ersten Laserlichtstrahls durch die Frequenzmodulationseinrichtung, wie etwa einen Oszillator oder dergleichen, moduliert wird, besitzt die Anderungsbreite bei der erfaßten Phasendifferenz eine vorbestimmte Beziehung mit der optischen Pfaddifferenz zwischen den dritten und vierten Laserlichtstrahlen. Somit wird die optische Pfaddifferenz zwischen den dritten und vierten Laserlichtstrahlen unter Verwendung der Beziehung in Übereinstimmung mit der erfaßten Phasendifferenz erhalten.
Andererseits, wenn die Schwingungsfrequenz des ersten Laserlichtstrahls durch die Frequenzmodulationseinrichtung nicht moduliert wird- und somit die Frequenz konstant ist, besitzt jede der Phasendifferenzen zwischen den dritten und vierten, und den fünften und sechsten Laserlichtstrahlen eine vorbestimmte Beziehung mit der entsprechenden optischen Pfaddifferenz, die zueinander gleich ist. Somit kann unter Verwendung der Beziehung von den jeweiligen Phasendifferenzen eine genauere absolute optische Pfaddifferenz erhalten werden.
Was eine inkrementelle Verschiebung betrifft, so wird, nachdem der absolute optische Pfad somit erhalten wurde, die Phasendifferenz zwischen den dritten und vierten, oder den fünften und sechsten Laserlichtstrahlen gezählt, wobei die Schwingungsfrequenz konstant gemacht wird, und eine optische Pfaddifferenz kann aus einer vorbestimmten Beziehung, die zwischen dem gezählten Wert und der optischen Pfaddifferenz besteht, genau erhalten werden.
Beim weiteren Ausführungsbeispiel wird nur ein Laser verwendet, aber die Frequenzänderungseinrichtung ist stattdessen vorgesehen. Eine optische Pfaddifferenz wird dadurch in Übereinstimmung mit einem Prinzip, das identisch ist mit dem im Falle einer Durchführung einer Frequenzmodulation durch die Frequenzmodulationseinrichtung, erhalten. In diesem Fall ist jedoch die Anderungsbreite bei der Frequenz groß. Somit kann eine genauere Messung im Verhältnis zur größeren Breite durchgeführt werden.
Durch kombinieren von Zweiwellenlängen-Interferometrie unter Verwendung von zwei kohärenten Lichtquellen, die Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen erzeugen, mit einem Verfahren zum Messen einer absoluten Strecke durch Modulieren einer Schwingungsfrequenz von einer von zwei Lichtquellen wird es somit möglich, eine absolute Messung einer langen Strecke nur unter Verwendung von zwei Wellenlängen ohne Andern eines optischen Systems durchzuführen. Beim weiteren Ausführungsbeispiel ist es durch Durchführen einer Messung mittels beliebigem Schalten zwischen der Frequenzmodulationseinrichtung, der Frequenzänderungseinrichtung und der Feststelleinrichtung möglich, eine absolute Messung einer Position durch eine einzige Halbleiterlaserlichtquelle durchzuführen.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbei spiele der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlicher werden. Es zeigen:
FIG. 1 ein Schaubild mit der Anordnung einer Halbleiterlaser- Längenmeßvorrichtung gemäß einem herkömmlichen Beispiel;
FIG. 2 ein Schaubild mit der Anordnung einer Meßeinheit einer Halbleiterlaser-Längenmeßvorrichtung für eine absolute Position gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
FIG. 3 ein Schaubild mit der Anordnung der Halbleiterlaser- Längenmeßvorrichtung einschließlich einer inkrementellen Meßeinheit gemäß den ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
FIG. 4 ein Schaubild mit der Anordnung einer Halbleiterlaser- Längenmeßvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
FIG. 5 ein Schaubild mit der Anordnung einer Malbleiterlaser- Längenmeßvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
FIG. 6 ein Schaubild mit der Anordnung einer Halbleiterlaser- Längeumeßvorrichtung gemäß einem vierten Ansführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
FIG. 7 ein Schaubild zum Erläutern einer Charakteristik eines Halbleiterlasers; und
FIG. 8 ein Schaubild mit der Anordnung einer Halbleiterlaser- Längenmeßvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
FIG. 2 ist ein Schaubild mit der Anordnung einer Meßeinheit für eine absolute Position gemäß einem ersten Ansführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In FIG. 2 erzeugt ein Halbleiterlaser lla einen kohärenten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λ&sub1; (Frequenz f&sub1;). Ein Halbleiterlaser 11b erzeugt einen kohärenten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λ&sub2; (Frequenz f&sub2;). Es sind ein Strahlteiler 2, ein Lichtabsorber 101, ein Strahlteiler 31, ein 45º-Spiegel 102 und eine λ/2-Platte 103 gezeigt. Ein AO(akustooptischer)-Modulator 104a wird mit einer Frequenz F&sub1; getrieben. Ein AO(akustooptischer)-Modulator 104b wird mit einer Frequenz F&sub2; getrieben. Es sind ebenfalls ein Polarisierungsstrahlteiler 105, eine λ/4-Platte 106, ein Eckenwürfel 107, eine λ/4-Platte 108, ein Planspiegel 5, der auf einer Stufe montiert ist, und eine Stufe 10 gezeigt. Ein Wellenlängen-Auswahlspiegel 109 reflektiert Lichtstrahlen mit Wellenlängen nahe λ&sub1; und überträgt Lichtstrahlen mit Wellenlängen nahe λ&sub2;. Es sind ebenfalls Polarisatoren 61a und 61b, sowie Photodetektoren 71a und 71b gezeigt. Stromsteuerschaltungen (ACC) 151a und 151b halten in die Halbleiterlaser 11a bzw. 11b injizierte Ströme konstant. Energieversorgungen 152a und 152b versorgen die Halbleiterlaser lla bzw. 11b mit elektrischer Energie. Eine Mischerschaltung 153 mischt Wechselstrom (AC) mit Gleichstrom (DC). Ein Oszillator (mit einer Frequenz fm) 154 führt eine Wechselstrom(AC)- Modulation des Halbleiterlasers 11a durch. Eine Temperatursteuereinheit 155 hält die Temperaturen der Halbleiterlaser 11a und 11b konstant. Ein Schalter 156 wählt aus, ob der Halbleiterlaser 11a einer Frequenzmödulation unterzogen wird oder nicht. Oszillatoren 181a und 181b treiben die AO(akustooptischen)- Modulatoren 104a bzw. 104b. Ein Mischer 182 mischt ein Signal, das zwei verschiedene Frequenzen besitzt, und gibt ein Signal mit einer Frequenz gleich der Differenz zwischen den zwei Frequenzen aus. Phasen-Spannungs-Wandler 183a und 183b vergleichen Ausgangssignale von den Photodetektoren 71a bzw. 71b mit einem Bezugssignal vom Mischer 182 und wandeln die jeweiligen Phasendifferenzen in Spannungen um. Ein Differentialverstärker 184 berechnet die Differenz zwischen den zwei Spannungen.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung treffen von den Halbleiterlasern 11a und 11b emittierte Lichtstrahlen in einem linear polarisierten Zustand mit gleicher Ausrichtung auf den Strahlteiler 2, und treten getrennt in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen aus. Unter diesen Lichtstrahlen werden die zum Lichtabsorber 101 gehenden Lichtstrahlen absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Andererseits treffen die in FIG. 2 nach rechts gehenden Lichtstrahlen, deren optische Pfade miteinander zusammenfallen, auf den Strahlteiler 31 und werden weiter in nach rechts gehende Lichtstrahlen und in Lichtstrahlen, die in FIG. 2 in eine Abwärtsrichtung gehen, getrennt. Die nach rechts gehenden Lichtstrahlen werden mittels dem AO(akustooptischen)-Modulator 104a Frequenzverschiebungen unterzogen, um zu Lichtstrahlen mit Frequenzen f&sub1; + F&sub1; und f&sub2; + F&sub1; zu werden, und treffen auf den Polarisierungsstrahlteiler 105, durchlaufen die λ/4-Platte 106, den Eckenwürfel 107 und nochmals die λ/4-Platte 106, und kehren zum Polarisierungsstrahlteiler 105 zurück. Da der Polarisierungswinkel um 90º gedreht wird, treten zu diesem Zeitpunkt die Lichtstrahlen in einer Abwärtsrichtung in FIG. 2 aus. Andererseits werden die vom Strahlteiler 31 in eine Abwärtsrichtung gehenden Lichtstrahlen durch den 45º-Spiegel 102 abgelenkt und werden dann mittels dem AO(akustooptischen)-Modulator 104b Frequenzverschiebungen unterzogen, um zu Lichtstrahlen mit Frequenzen f&sub1; + F&sub2; und f&sub2; + F&sub2; zu werden. Die Polarisierungswinkel der Lichtstrahlen werden dann mittels der λ/2-Platte 103 um 90º gedreht. Die Lichtstrahlen treffen dann in diesen Zuständen auf den Polarisierungsstrahlteiler 105, durchlaufen die λ/4-Platte 108 und werden durch den Planspiegel 5 reflektiert. Der Polarisationswinkel der reflektierten Lichtstrahlen wird nach nochmaligem Durchlaufen der λ/4- Platte 108 um 90º gedreht. Die Lichtstrahlen kehren dann zum Polarisierungsstrahlteiler 105 zurück und werden durch ihn reflektiert und treten in einer Anwärtsrichtung in FIG. 2 aus.
Unter den vom Polarisierungsstrahlteiler 105 ausgetretenen vier Lichtstrahlen mit Frequenzen f&sub1; + F&sub1;, f&sub2; + F&sub1;, f&sub1; + F&sub2; und f&sub2; + F&sub2; werden die Lichtstrahlen mit den Frequenzen f&sub1; + F&sub1; und f&sub1; + F&sub2; durch die Funktion des Wellenlängen-Auswahlspiegels 109 reflektiert, überlagern einander dann durch die Funktion des Polarisators 61a und ein Überlagerungssignal F&sub1; - F&sub2; zwischen den zwei Lichtstrahlen wird durch den Photodetektor 71a erfaßt. Die Lichtstrahlen mit den Frequenzen f&sub2; + F&sub1; und f&sub2; + F&sub2; werden durch den Wellenlängen-Auswahlspiegel 109 übertragen, überlagern einander durch die Fünktion des Polarisators 61b und ein Überlagerungssignal mit einer Frequenz F&sub1; - F&sub2; zwischen den zwei Lichtstrahlen wird durch den Photodetektor 71b erfaßt.
Phasendifferenzen zwischen den durch den Photodetektor 71a und 71b erfaßten Überlagerungssignalen mit der Frequenz F&sub1; - F&sub2; und einem Ausgangssignal mit einer Frequenz F&sub1; - F&sub2;, das durch Mischen von Signalen mit Frequenzen F&sub1; und F&sub2; von den Oszillatoren 181a und 181b zum Treiben der AO(akustooptischen)-Modulatoren im Mischer 182 erhalten wird, werden durch die Phasen-Spannungs- Wandler 183a bzw. 183b erfaßt. Von den Phasen-Spannungs-Wandlern 183a und 183b ausgegebene Signale mit Phasendifferenzen Φ&sub1; bzw. Φ&sub2; werden in den Differentialverstärker 184 eingegeben, von dem ein Signal mit einer Phasendifferenz von ΔΦ = Φ&sub2; - Φ&sub1; ausgegeben wird. Zu diesem Zeitpunkt wird eines der in den Differentialverstärker 184 eingegebenen Signale mit den Phasendifferenzen Φ&sub1; und Φ&sub2; als eine getrennte Ausgabe herausgeführt.
Schwingungsfrequenzen der als Lichtquellen dienenden Halbleiterlaser 11a und 11b müssen stabilisiert werden, um die Meßgenauigkeit zu halten. Somit werden Temperaturänderungen der Halbleiterlaser 11a und 11b durch die genaue Temperatursteuereinheit 155 bei ungefähr 0,001 ºC gehalten. Gleichzeitig werden Injektionsströme konstant gehalten durch die Stromsteuerschaltungen (ACC) 151a und 151b zum Konstanthalten der Ströme, selbst wenn Anderungen in den Energieversorgungen 152a und 152b bestehen.
Ein Strom kann in einen der Halbleiterlaser 11a und 11b (zum Beispiel 11a) injiziert werden, während er durch die Funktion des Oszillators 154 mit einer Schwingungsfrequenz FM und des Mischers 153 moduliert wird. Da eine proportionale Beziehung zwischen der Schwingungsfrequenz eines Halbleiterlasers und einem Injektionsstrom innerhalb eines bestimmten Bereichs (ungefähr 0,05 nm in der Schwingungswellenlänge) besteht, ist das System so angeordnet, daß der Halbleiterlaser einer Frequenzmodulation unterzogen werden kann. Durch Ein- oder Ausschalten des Auswahlschalters 156 wird bei hoher Geschwindigkeit geschaltet, ob eine Frequenzmodulation vorgesehen ist oder nicht.
Als nächstes wird eine Erläuterung eines Verfahrens zum hochgenauen Messen einer absoluten Strecke über einen weiten Meßbereich bei der vorstehend beschriebenen Anordnung gegeben.
Falls der Frequenzmodulations-Auswahlschalter 156- eingeschaltet wird, um eine absolute Position in einer beliebigen Position zu messen, ändert sich als erstes der Injektionsstrom in den Halbleiterlaser 11a mit einer Frequenz fm, und der Halbleiterlaser 11a erzeugt ein Frequenzmodulations(FM)-Signal mit einer Schwingungsfrequenz-Anderungsbreite von ± Δf&sub1; in Übereinstimmung mit der Anderung. Der erzeugte Lichtstrahl durchläuft den Strahltei- ler 2 und den Strahlteiler 31. Einer der geteilten, auf den AO(akustooptischen)-Modulator 104a treffenden Lichtstrahlen wird in seiner Frequenz einer Frequenzverschiebung F&sub1; unterzogen, um zu einem Bezugslichtstrahl zu werden. Ein weiterer, auf den AO(akustooptischen)-Modulator 104b treffender Lichtstrahl wird in seiner Frequenz einer Frequenzverschiebung F&sub2; unterzogen, um zu einem gemessenen Lichtstrahl zu werden. Eine durch Überlagerung zwischen dem Bezugslichtstrahl und dem gemessenen Lichtstrahl erzeugte Uberlagerungsfrequenz F&sub1; - F&sub2; wird durch den Photodetektor 71a erfaßt und eine Phasendifferenz Φ&sub1; gegenüber einem Bezugssignal wird ausgegeben.
Da die Schwingungsfrequenz mit der Breite ± Δf&sub1; (die Modulationsbreite der Wellenlänge ist Δλ&sub1;) moduliert wird, ändert sich in diesem Fall das Phasendifferenzsignal Φ&sub1; mit der Frequenz fm des Oszillators 154. Die Anderungsbreite ΔΦ&sub1; besitzt eine direkte Beziehung zum optischen Pfad l des Interferometers. Das heißt
2πl = (2n&sub1;π + Φ') (λ&sub1; - Δλ&sub1;/2) ; (3)
2πl = (2n&sub2;π + Φ") (λ&sub1; + Δλ&sub1;/2) ; (4)
Nach Multiplizieren von Ausdruck (3) mit (λ&sub1; + Δλ&sub1;/2) und Ausdruck (4) mit (λ&sub1; - Δλ&sub1;/2), ergibt die Differenz zwischen den zwei Ausdrücken:
2πl {2π(n&sub1; - n&sub2;) + ΔΦ&sub1;} * λeq1 ; (5)
wobei ΔΦ&sub1; = Φ' - Φ" ,
Φ': eine Phase entsprechend einer Länge eines nichtganzzahligen Vielfaches der Wellenlänge in der Länge 2πl ist, wenn die Wellenlänge λ&sub1; - Δλ&sub1;/2 beträgt,
Φ": eine Phase entsprechend einer Länge eines nichtganzzahligen Vielfaches der Wellenlänge in der Länge 2πl ist, wenn die Wellenlänge λ&sub1; + Δλ&sub1;/2 beträgt,
λeq1 =λ&sub1;²/Δλ&sub1; ,
n&sub1;, n&sub2;: natürliche Zahlen sind. Da, wie vorstehend beschrieben, die Breite, innerhalb der sich die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers ändert, während eine proportionale Beziehung gehalten wird, ungefähr 0,05 nm oder weniger beträgt, erhält man, falls λ&sub1; = 680 nm und Δλ&sub1; = 0,02 nm gilt, demgemäß
λeql = λ&sub1;²/Δλ&sub1; = 23,0 mm.
Falls der Meßbereich innerhalb dieses Bereichs liegt, das heißt, falls er so eingestellt ist, daß die maximale Anderungsbreite des zu messenden Werts l 23,0 mm oder weniger beträgt, wird n&sub1; -n&sub2; eindeutig bestimmt, da es immer nur ein (n&sub1; - n&sub2;) gibt, das dem gemessenen Wert ΔΦ&sub1; innerhalb dieses Bereichs entspricht. Schließlich wird die optische Pfaddifferenz l durch Messen von ΔΦ&sub1; aus Ausdruck (5) berechnet.
Jedoch beträgt die Meßgenauigkeit in diesem Fall nur ungefähr 10 bis 20 um. Die Genauigkeit kann durch das folgende Verfahren gesteigert werden. Der Frequenzmodulations-Auswahlschalter 156 wird mit hoher Geschwindigkeit ausgeschaltet. Unter Verwendung der durch den Halbleiterlaser 11a erzeugten Wellenlänge λ&sub1; und der durch den Halbleiterlaser 11b erzeugten Wellenlänge λ&sub2; werden Phasendifferenzen in der vorstehend beschriebenen Weise unabhängig gemessen und die Differenz ΔΦ zwischen diesen wird ausgegeben. Die Ausgabe ΔΦ besitzt ebenfalls eine direkte Beziehung mit der optischen Pfaddifferenz l des Interferometers. Das heißt,
2πl = (2m&sub1;π + Φ&sub1;) * λ&sub1; (6)
2πl = (2m&sub2;π + Φ&sub2;) * λ&sub2; (7)
Nach Multiplizieren von Ausdruck (6) mit λ&sub2; und Ausdruck (7) mit λ&sub2;, ergibt die Differenz zwischen den zwei Ausdrücken:
2πl = {2(m&sub1; - m&sub2;)π + ΔΦH} * λeq2 (8),
wobei ΔΦ = Φ&sub1; - Φ&sub2;
λeq2 = λ&sub1; * λ&sub2; / λ&sub1; - λ&sub2; ,
m&sub1;, m&sub2; natürliche Zahlen sind. Falls Lichtstrahlen mit λ&sub1; = 680 nm und λ&sub2; = 675 nm verwendet werden, erhält man demzufolge
λeq2 = λ&sub1; * λ&sub2; / (λ&sub1; - λ&sub2;) = 91,8 um, und m&sub1; - m&sub2; wird innerhalb dieses Bereichs eindeutig bestimmt. Da die optische Pfaddifferenz l bereits mit der Meßgenauigkeit von 10 bis 20 um bei der vorstehend beschriebenen Messung durch Frequenzmodulation gemessen wurde, gibt es immer nur ein (m&sub1; - m&sub2;), das diesem grob gemessenen Wert von l und dem gemessenen Wert ΔΦ entspricht. Somit wird m&sub1; - m&sub2; eindeutig bestimmt. Demzufolge wird der Wert von l durch Messen von ΔΦ und Ersetzen des Werts von ΔΦ in Ausdruck (8) erhalten. Die Meßgenauigkeit in diesem Fall wird etwa zu 0,1 um.
Falls die Phasendifferenzdaten Φ&sub1; des Halbleiterlasers 11a in diesem Zustand verwendet werden, kann weiterhin die optische Pfaddifferenz l aus Ausdruck (6) erhalten werden. Da die vorstehend beschriebene Meßgenauigkeit für λ&sub1; = 680 nm (= 0,68 um) 0,1 um beträgt, gibt es immer nur ein m&sub1;, das dem gemessenen Wert von l in dieser Genauigkeit und dem gemessenen Wert Φ&sub1; entspricht. Somit kann m&sub1; ebenfalls eindeutig bestimmt werden und es wird möglich, die optische Pfaddifferenz l mit einer Genauigkeit von etwa 1 nm zu messen.
FIG. 3 ist ein Schaubild mit der Anordnung der Vorrichtung einschließlich einer inkrementellen Meßeinheit und dergleichen in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In FIG. 3 wändeln Hochgeschwindigkeits-Impulswandler 82a und 82b sinusförmige Wellen in Impuls folgen. Ein Vor-/Rückwärtszähler 92 führt eine Addition/Subtraktion der Anzahl von Eingangsimpulsen aus. Es ist ebenfalls ein synchronisierter Verstärker 183c gezeigt. Weitere gleiche Komponenten wie diejenigen in FIG. 2 gezeigten sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
Ein aus einem Lichtstrahl mit einer Frequenz f&sub1; + F&sub1; und einem Lichtstrahl mit einer Frequenz f&sub1; + F&sub2; erhaltenes Überlagerungssignal wird durch den Impulswandler 82a in eine Impulsfolge gewandelt. Ein Signal mit einer Differenzfrequenz zwischen den Modulationskomponenten F&sub1; und F&sub2; durch die AO(akustooptischen)- Modulatoren wird mittels des Impulswandlers 82b in eine Impulsfolge gewandelt. Die zwei lmpulsfolgesignale werden in den Vor- /Rückwärtszähler 92 eingegeben, der die Differenz zwischen den Anzahlen von Impulsen zählt. Somit wird gemäß dem gleichen Prinzip wie dem beim vorstehend beschriebenen herkömmlichen Beispiel der Verschiebungsbetrag der Stufe 10 inkrementell gemessen.
Ein Injektionsstromsignal für den Halbleiterlaser 11a wird durch einen Strom-Spannungs-Wandler (nicht gezeigt) in ein Spannungssignal umgewandelt. Indem man dieses Spannungssignal zu einem Bezugssignal macht, wird die Signaländerungsbreite ΔΦ&sub1; der Ausgabe Φ&sub1; vom Phasen-Spannungs-Wandler 183a mittels des synchronisierten Verstärkers 183c erfaßt.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine absolute Position in Übereinstimmung mit dem in Bezug auf FIG. 2 erläuterten Verfahren zuerst erfaßt und ein Verschiebungsbetrag von der erfaßten absoluten Position wird dann durch die vorstehend beschriebene inkrementelle Meßeinheit gemessen. Das heißt, die Hochgeschwindigkeits-Impulswandler 82a und 82b und der Vor- /Rückwärtszähler 92 sind so gebildet, um einer Hochgeschwindigkeitsbewegung der Stufe 10 von der absoluten Position, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren zum Erfassen einer absoluten Position erfaßt wird, folgen zu können. Es ist somit möglich, eine inkrementelle Messung durchzuführen.
Ein Rechner 300 nimmt die Ausgaben ΔΦ&sub1;, ΔΦ und Φ&sub1; auf und führt die Berechnung zum Erhalten der absoluten Position durch. Der Rechner 300 nimmt dann die Ausgabe vom Vor-/Rückwärtszähler 92 auf, berechnet den Verschiebungsbetrag von der absoluten Position und erhält die laufende Position.
Es dauert eine bestimmte Zeit zur Bestimmung der absoluten Position der Stufe 10 und die Stufe muß in der Größenordnung unterhalb Mikrometer während der Bestimmung stillstehen.
Demzufolge kann einer Hochgeschwindigkeitsbewegung der Stufe einfacher gefolgt werden, falls eine derartige absolute Bestimmung der absoluten Position der Stufe zuerst nur einmal durchgeführt wird, und die nachfolgende Messung wird durch eine gewöhnliche inkrementelle Messung einer Länge unter Verwendung eines Lasers durchgeführt. Unter Bezugnahme auf eine Ausgabe vom Vor- /Rückwärtszähler 92, die durch Zählen einer Differenz zwischen einem gemessenen Signal Sig und einem durch die Hochgeschwindigkeitswandler 82a und 82b in Impulse umgewandelten Bezugssignal Ref erhalten wird, wird es somit möglich, eine inkrementelle Messung einer Länge von einer Position, deren absolute Position gemessen wurde, durchzuführen. Folglich wird eine Hochgeschwindigkeitsmessung einer absoluten Position ebenfalls verwirklicht
Falls das Laserlicht aufgrund irgendeiner Störung abgeschaltet wird, was einen Zählfehler verursacht, kann der Ablauf zum Bestimmen einer absoluten Position an jener Position fortgesetzt werden. Es ist unnötig, die Stufe wie in herkömmlichen Fällen bis zur Position eines Ursprungssensors zurückzufahren, um eine Messung zurückzusetzen.
Da eine inkrementelle Messung unter Verwendung der gleichen Lichtquellen, Detektoren und dergleichen wie derjenigen beim Messen einer absoluten Position durchgeführt wird, wird weiterhin die Vorrichtung vereinfacht. Da die gleichen optischen Pfade für die Lichtstrahlen zur Messung verwendet werden können, sind außerdem die Einfallspositionen der Lichtstrahlen auf dem Spiegel 5, die Bezugspositionen zum Messen einer Position oder einer Verschiebung werden, vollständig identisch, Somit tritt aufgrund eines Schaltens kein Fehler bei einer Positionserfassung auf, selbst wenn man von einer Messung einer absoluten Position auf eine inkrementelle Messung schaltet. Das heißt, wenn beispielsweise ein optischer Pfad eines Lichtstrahls zum Messen einer absoluten Position von einem optischen Pfad zur inkrementellen Messung verschieden ist und Einfallspositionen der jeweiligen Lichtstrahlen auf dem Spiegel 5 verschieden sind, tritt eine Differenz zwischen jeweiligen gemessenen Positionen und Verschiebungsbeträgen auf, falls eine Differenz zwischen den Verschiebungsbeträgen von jeweiligen Einfallspositionen auftrat, wie in einem Fall, in dem die Stufe gekippt wurde Diese Differenz wird insgesamt zu einem Fehler bei der Messung einer Länge. Da die optischen Pfade identisch sind, tritt bei der vorliegenden Vorrichtung jedoch ein derartiger Fehler niemals auf.

Beispiel 2

FIG. 4 zeigt eine Meßeinheit für eine absolute Position in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In FIG. 4 schaltet eine Verstärkungseinstellschaltung 157 stetig oder unstetig die Verstärkung des Oszillators 154. Weitere Komponenten sind mit denjenigen beim ersten Ausführungsbeispiel vollständig identisch.
Bei der vorliegenden Anordnung ist ein Verfahren zum Messen einer absoluten Position fast identisch mit dem beim ersten Ausführungsbeispiel erläuterten Verfahren. Das heißt, indem zuerst der Frequenzmodulations-Auswahlschalter 156 eingeschaltet wird, wird der Halbleiterlaser 11a einer Frequenzmodulation (FM) unterzogen und eine absolute Positon wird grob gemessen. Falls die Verstärkung des Oszillators 154 konstant ist, ist die Größe von Δλ&sub1; bei den vorstehend beschriebenen Ausdrücken (3) und (4) konstant. Falls zum Beispiel Δλ&sub1; = 0,02 nm gilt, wie beim ersten Ausführungsbeispiel erläutert, ist demzufolge λeq = 23,1 mm, und somit wird der Meßbereich verkürzt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es so eingerichtet, daß zum Beispiel eine Verstärkung K&sub1; zum Bilden der Injektionsstromamplitude entsprechend Δλ&sub1; = 0,02 nm und eine Verstärkung K&sub2; zum Bilden der Injektionsstromamplitude entsprechend Δλ&sub1; = 0,0001 nm mittels der Verstärkungseinstellschaltung 157 zum Einstellen der Verstärkung des Oszillators 154 geschaltet werden kann. Es ist dadurch möglich, λeq = λ&sub1;²/Δλ&sub1; = 23,1 mm im Falle der Verstärkung K&sub1; und λeq = λ&sub1;²/Δλ&sub1; = 4,6 m im Falle der Verstärkung K&sub2; zu machen. Demzufolge ist es möglich, einen längeren Meßbereich ohne Vorsehen einer neuen Lichtquelle abzudecken.
Die Verstärkung kann zwischen zwei oder mehr Werten geschaltet werden. Somit ist es theoretisch möglich, einen unendlich langen Meßbereich abzudecken. In der Praxis jedoch ist ein Bereich, innerhalb dem eine hochgenaue Messung durchgeführt werden kann, durch eine kohärente Strecke eines als eine Lichtquelle dienenden Halbleiterlasers eingeschränkt.
Was eine inkrementelle Meßeinheit betrifft, so werden Ausgaben vom Photodetektor 71a und dem Mischer 182 in die Impulswandler 82a bzw. 82b eingegeben, wie in FIG. 3 gezeigt, und Ausgaben von den jeweiligen Impulswandlern werden in den Vor- /Rückwärtswandler 92 eingegeben. Die Anordnung, der Betrieb und das Meßverfahren dieses Abschnitts, der synchronisierte Verstärker 183c und der Rechner 300 sind mit denjenigen im ersten Ausführungsbeispiel identisch und eine Erläuterung derselben wird weggelassen.

Beispiel 3

FIG. 5 zeigt eine Meßeinheit einer absoluten Position in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 5 sind ein Strahlteiler 42, ein Photodetektor 71c, eine Injektionsstrom-Steuerschaltung 151c für einen Halbleiterlaser 11b und eine Gaszelle 201, die ein Gas, wie etwa Methan, Jod oder dergleichen, abdichtet, gezeigt. Außer daß diese Komponenten hinzugefügt sind und eine Phasendifferenz Φ&sub1; zwischen einem Signal vom Halbleiterlaser 11b und einem Bezugssignal als eine Phasenausgabe ausgegeben wird, ist die Anordnung der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit der des ersten Ausführungsbeispiels vollständig identisch, einschließlich einer inkrementellen Meßeinheit (nicht gezeigt) und dergleichen. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel der Anordnung, wenn es erforderlich ist, eine Länge mit einer höheren Genauigkeit zu messen.
Wie vorstehend beschrieben, wird im allgemeinen eine Stabilisierung der Wellenlänge eines Halbleiterlasers durch Ausführen einer Temperatursteuerung und einer Steuerung zum Konstanthalten eines Injektionsstroms einfach durchgeführt. Jedoch um eine höhere Stabilität zu erhalten, zum Beispiel eine Wellenlängenstabilität von 10&supmin;&sup8; bis 10&supmin;¹&sup0;, ist es wünschenswert, eine Regelung mit Rückführung unter Verwendung irgendeines physikalischen Standards vorzusehen.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel, bei dem Molekularabsorptionslinien eines Gases, wie etwa Methan, Jod oder dergleichen, als der physikalische Standard verwendet werden.
In FIG. 5 durchläuft ein Teil des vom Halbleiterlaser 11b emittierten und durch den Strahlteiler 42 geteilten Lichtstrahls die Gaszelle 201 und wird durch die Photodiode (Photodetektor) 71c erfaßt. Da ein Gas mit einer Molekularabsorptionslinie nahe der Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers 11b in der Gaszelle 201 abgedichtet wird, ändert sich die Intensität des Lichtstrahls nahe der Schwingungswellenlänge scharf. Das heißt, falls sich die Schwingungswellenlänge von der Absorptionswellenlänge verschiebt, steigt die Ausgabe vom Photodetektor 71c. Durch Ändern des Injektionsstroms mittels Ausführen einer Regelung der Injektionsstrom-Steuerschaltung (ACC) 151c mit Rückführsteuerung, um beispielsweise den Strom zu erniedrigen, falls sich die Ausgabe vom Photodetektor 71c erhöht hat, ist es unter Verwendung der Ausgabe vom Photodetektor 71c demzufolge möglich, die Wellenlänge des Halbleiterlasers llb mit einer sehr hohen Stabilität zu halten. Zum Beispiel kann im Falle einer Wellenlängenstabilität von 10&supmin;&sup8; eine Strecke von einem Meter mit einer Genauigkeit von 10 nm gemessen werden. Somit ist es möglich, eine Meßvorrichtung für eine absolute Strecke mit einer äußerst hohen Genauigkeit zu verwirklichen.
Obwohl beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Gaszelle als ein physikalischer Standard verwendet wird, können eine Etalonplatte, ein Wellenlängenauswahlfilter und dergleichen in Übereinstimmung mit der geforderten Genauigkeit ebenfalls verwendet werden.

Ausführungsbeispiel 4

FIG. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In FIG. 6 sind ein als eine Lichtquelle dienender Halbleiterlaser 201 mit einer Grundschwingungsfrequenz λ&sub0;, Polarisierungsstrahlteiler 202a und 202b, und Lichtstrahlablenkspiegel 203a, 203b und 203c gezeigt. AO(akustooptische)-Modulatoren 204a und 204b bilden einfallende Lichtstrahlen mit Frequenzverschiebungen F&sub1; bzw. F&sub2;. Es sind ebenfalls ein befestigter Eckenwürfel 206, ein beweglicher Eckenwürfel 207, ein Polarisator 208, eine Photodiode 209 und eine Stufeneinrichtung 210 gezeigt. Oszillatoren 221a und 221b erzeugen Signale mit Frequenzen F&sub1; bzw. F&sub2;. Ein Frequenzmischer 222 mischt Signale mit zwei verschiedenen Frequenzen und gibt ein Signal mit einer Frequenz aus der Differenz zwischen den zwei Frequenzen aus. Ein Phasen-Spannungs-Wandler 223 wandelt eine Phasendifferenz zwischen zwei synchronisierten Signalen in eine Spannung und gibt die Spannung aus. Hochgeschwindigkeitsimpulswandler 224a und 224b wandeln sinusförmige Signale mit hoher Geschwindigkeit in Impulsfolgen. Ein Vor- /Rückwärtszähler 225 führt eine Addition/Subtraktion der Anzahlen von Eingangsimpulsen durch. Ein Schalter 231 wählt eine Injektionsstromquelle für den Halbleiterlaser 201 aus. Ein Modulator 232 moduliert den Injektionsstrom innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers 201 stetig ändert. Eine Wellenlängenauswahlschaltung 233 ändert den Injektionsstrom innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers 201 unstetig ändert. Eine Stromsteuerschaltung (ACC) 234 steuert den Injektionsstrom so, daß die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers 201 konstant ist. Eine Energieversorgung 235 versorgt den Halbleiterlaser 201 mit elektrischer Energie. Eine Temperatursteuereinheit 240 steuert, um die Temperatur des Halbleiterlasers 201 konstant zu halten.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung fällt ein vom Halbleiterlaser 201 emittierter kohärenter Lichtstrahl in einem linear polarisierten Zustand in 45º-Richtung auf den Polarisierungsstrahlteiler 202a und wird in eine zur Zeichenebene parallele Polarisierungskomponente und eine zur Zeichenebene senkrechte Polarisierungskomponente geteilt.
Der Lichtstrahl der zur Zeichenebene parallelen Polarisierungskomponente verläuft gerade, durchläuft den AO(akustooptischen)- Modulator 204a, bei dem die Frequenz des Lichtstrahls um F&sub1; verschoben wird, und fällt über den Lichtstrahlablenkspiegel 203b, den Polarisierungsstrahlteiler 202b, den Lichtstrahlablenkspiegel 203c, den Polarisierungsstrahlteiler 205, den Eckenwürfel 207 und den Polarisierungsstrahlteiler 205 auf den Polarisator 208.
Andererseits wird der Lichtstrahl der zur Zeichenebene senkrechten Polarisierungskomponente nach unten abgelenkt, durchläuft den Lichtstrahlablenkspiegel 203a, durchläuft den AO(akustooptischen)-Modulator 204b, wobei die Frequenz des Lichtstrahls um F&sub2; verschoben wird, und fällt über den Polarisierungsstrahlteiler 202b, den Lichtstrahlablenkspiegel 203c, den Polarisierungsstrahlteiler 205, den Eckenwürfel 206 und den Polarisierungsstrahlteiler 205 auf den Polarisator 208.
Diese zwei Lichtstrahlen überlagern einander durch die Funktion des Polarisators 208 und ein Überlagerungssignal Sig mit einer Frequenz F&sub1; - F&sub2; wird durch den Photodetektor 209 erfaßt. Eine Phasendifferenz Φ&sub1; zwischen dem erfaßten Überlagerungssignal Sig und einem Signal Ref, das durch Mischen von Signalen von den Oszillatoren 221a und 221b, die die AO(akustooptischen)- Modulatoren 204a bzw. 204b treiben, mittels dem Frequenzmischer 222 erhalten wird, wird durch den Phasen-Spannungs-Wandler 223 erfaßt.
Die zwei Signale Sig und Ref werden in den Hochgeschwindigkeitsimpulswandlern 224a bzw. 224b in Impulsfolgen gewandelt. Der Vor-/Rückwärtszähler 225 führt eine Addition/Subtraktion der Anzahlen von jeweiligen Impulsen durch und gibt das Ergebnis aus.
Das System ist so angeordnet, daß der zum Halbleiterlaser 201 geführte Strom durch beliebiges und schnelles Schalten durch den Auswahlschalter 231 zwischen der Schaltung 232 zum Modulieren des Stroms innerhalb eines Bereichs, innerhalb dem sich die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers 201 stetig ändert, der Schaltung 233 zum Andern des Stroms innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungsfrequenz des Halbleiterlasers 201 unstetig ändert, und der Schaltung (ACC) 234 zum Steuern des Stroms derart, daß die Schwingungsfrequenz des Halbleiterlasers 201 konstant ist, erhalten wird.
Weiterhin wird der Halbleiterlaser 201 innerhalb von Temperaturänderungen von etwa ± 0,001 ºC durch die genaue Temperatursteuereinheit 240 unter Verwendung von beispielsweise Peltierelementen und Heißleitern gehalten, um die Temperatur konstant zu halten.
Ein Verfahren zum Messen einer absoluten Position der Stufe 10 wird nachfolgend erläutert.
Im allgemeinen besitzt ein Halbleiterlaser eine Injektionsstrom- Schwingungswellenlängen-Charakteristik wie in FIG. 7 gezeigt. Falls zum Beispiel der Injektionsstrom etwa ±1 mA um 80 mA moduliert wird, ändert sich demzufolge die Schwingungswellenlänge etwa ±6 * 10&supmin;³ nm um etwa 793,3 nm. Somit wird eine Frequenzmodulation durchgeführt. Falls der Injektionsstrom etwa ± 10 mA um 70 mA geändert wird, ist es möglich, die Schwingungswellenlänge um etwa 0,6 nm einschließlich von unstetigen Anderungen aufgrund eines Sprungsbetriebs zu ändern.
Es ist ebenfalls bekannt, daß die Schwingungswellenlänge eines Halbleiterlasers in der Größenordnung von 10&supmin;&sup8; stabilisiert werden kann, falls Temperaturänderungen und Anderungen beim Injektionsstrom innerhalb von etwa ±0,001 ºC bzw. ±1 uA gedrückt werden können.
Bei Verwendung eines derartigen Halbleiterlasers 201 wählt der Auswahlschalter 231 zuerst die Schaltung 232 zum Modulieren eines Stroms innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungswellenlänge stetig ändert, aus. Falls angenommen wird, daß die Mittenfrequenz λ&sub1; ist und die Modulationsbreite der Wellenlänge ± Δλ&sub1;/2 ist, wird die Beziehung zwischen dem optischen Pfad l und dem Phasensignal Φ durch Ausdrücke (3) bis (5) ausgedrückt, wie beim ersten Ausführungsbeispiel gezeigt.
Falls die Breite der Phasenausgabe Φ&sub1;, die sich in Synchronisation mit der Modulationsfrequenz f&sub3; der Schaltung 232 ändert, das heißt ΔΦ&sub1;, beispielsweise durch den vorstehend beschriebenen synchronisierten Verstärker gemessen wird, wird demzufolge die natürliche Zahl n&sub1; - n&sub2; in Ausdruck (5) innerhalb des Bereichs einer äquivalenten Wellenlänge λeql, die viel größer ist als die Wellenlänge des Lasers, eindeutig bestimmt und somit kann die optische Pfaddifferenz l gemessen werden.
Falls beispielsweise λ&sub1; = 793 nm und Δλ&sub1; = 0,001 nm beträgt, gilt λeq1 = λ&sub1;²/Δλ&sub1; = 628 mm. Falls die Breite des Meßbereichs von l innerhalb dieses Werts liegt, das heißt, falls die Breite der maximalen Anderung von l auf 628 mm gesetzt ist, wird n&sub1; - n&sub2; eindeutig bestimmt. Falls ΔΦ&sub1; zu diesem Zeitpunkt gemessen wird, kann die optische Pfaddifferenz l mit einer Genauigkeit, die durch eine Genauigkeit bei der Messung einer Phase bestimmt ist, gemessen werden. Falls die Genauigkeit bei der Messung einer Phase 2π/2000 ist, kann die optische Pfaddifferenz l mit einer Genauigkeit von etwa 0,3 mm gemessen werden.
Als nächstes schaltet der Auswahlschalter 231 zur Schaltung 233 zum Andern des Injektionsstroms innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungswellenlänge unstetig ändert. Falls die Schaltung 233 eine Funktion zum Andern der Schwingungswellenlänge zwischen λL und λH einschließlich einem Sprungbetrieb bei einer bestimmten Frequenz f&sub4; besitzt, wird die Beziehung zwischen der optischen Pfaddifferenz l und dem Phasendifferenzsignal Φ ausgedrückt durch:
2πl = (2m&sub1;π + ΦL) * λL ; (9)
2πl = (2m&sub2;π + ΦH) * λH ; (10)
Nach Multiplizieren von Ausdrücken (9) und (10) mit λH bzw. λL ergibt die Differenz zwischen den zwei Ausdrücken:
2πl = {2π(m&sub1; - m&sub2;) + ΔΦ'} * λeq2 ; (11)
wobei ΔΦ' = ΦL - ΦH,
λeq2 = λL * λH/ λL - λH ,
m&sub1;, m&sub2;: natürliche Zahlen sind. Falls das sich in Synchronisation mit der Frequenz f&sub4; ändernde Phasendifferenzsignal ΔΦ' gemessen wird, ist demzufolge die natürliche Zahl m&sub1; - m&sub2; innerhalb des Bereichs einer äquivalenten Wellenlänge λeq2, die ein wenig größer ist als die Wellenlänge des Lasers, eindeutig bestimmt, und somit kann die optische Pfaddifferenz l genauer gemessen werden. Falls beispielsweise λL = 792,7 nm und λH = 793,3 nm beträgt, ist λeq2 = λL * λH / λH - λL = 1,05 mm. Da der absolute Wert von l bereits mit der Genauigkeit von etwa 0,3 mm erhalten wurde, ist m&sub1; - m&sub2; eindeutig bestimmt. Falls die Genauigkeit bei der Messung einer Phase zu diesem Zeitpunkt zu 2π/2000 angenommen wird, kann die optische Pfaddifferenz l mit einer Genauigkeit von etwa 0,5 um gemessen werden.
Schließlich schaltet der Schalter 231 zur Schaltung (ACC) 234 zum Steuern, um die Schwingungswellenlänge konstant zu halten.
Falls die Schaltung (ACC) 234 die Schwingungswellenlänge zu steuert, wird die Beziehung zwischen der optischen Pfaddifferenz l und dem Phasendifferenzsignal Φ ausgedrückt durch:
2πl = (2πn + Φ) * λc,
wobei N eine natürliche Zahl ist. Somit ist es möglich, l mit einer sehr hohen Genauigkeit zu bestimmen. Da l bereits mit der Genauigkeit von etwa 0,5 um (= 500 nm) gemessen wurde, kann beispielsweise, falls λc = 793 nm beträgt, N eindeutig bestimmt werden. Falls die Genauigkeit bei der Messung einer Phase zu diesem Zeitpunkt zu 2π/2000 angenommen wird, kann die optische Pfaddifferenz l mit einer Genauigkeit von etwa 0,4 nm gemessen werden. Schließlich kann die optische Pfaddifferenz l mit der Genauigkeit von 0,4 nm im Bereich von 628 mm absolut gemessen werden.
Jedoch erfordert die Bestimmung einer absoluten Position der Stufe 210 durch ein derartiges Schaltverfahren eine bestimmte Zeit und die Stufe muß in der Größenordnung unterhalb von Mikrometer während der Bestimmung stillstehen.
Demzufolge ist es einfacher, einer Hochgeschwindigkeitsbewegung der Stufe zu folgen, falls die Bestimmung einer absoluten Position der Stufe 210 durch ein derartiges Schaltverfahren zuerst nur einmal durchgeführt und die nachfolgende Messung durch eine gewöhnliche inkrementelle Messung einer Länge durch einen Laser wie beim ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird. Unter Bezugnahme auf eine Ausgabe vom Vor-/Rückwärtszähler 225, die durch Zählen der Differenz zwischen dem gemessenen Signal Sig und dem Bezugssignal Ref, die mittels der Hochgeschwindigkeitsimpulswandler 224a bzw. 224b in Impulse umgewandelt werden, erhalten wird, wird es möglich, eine inkrementelle Messung einer Länge von einer Position, deren absolute Position gemessen wurde, wie beim ersten Ausführungsbeispiel durchzuführen. Folglich wird ebenfalls eine Hochgeschwindigkeitsmessung einer absoluten Position verwirklicht.
Falls das Laserlicht aufgrund irgendeiner Störung abgeschaltet wird, was einen Zählfehler verursacht, kann der Ablauf zum Bestimmen einer absoluten Position an jener Position fortgesetzt werden. Es ist unnötig, die Stufe wie in herkömmlichen Fällen bis zur Position eines Ursprungssensors zurückzufahren, um eine Messung zurückzusetzen.
Ein Rechner zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Messung und Berechnung ist in FIG. 6 weggelassen.

Ausführungsbeispiel 5

FIG. 8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In FIG. 8 sind ein Strahlteiler 211 und ein Strom- Spannungs-Wandler 226 mit einer hohen Eingangsimpedanz gezeigt. Ein synchronisierter Verstärker 227 erfaßt mit großer Genauigkeit nur die Amplitude eines mit einem Bezugssignal synchronisierten Signals. Weitere gleiche Komponenten wie diejenigen in FIG. 6 gezeigten sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung fällt ein vom Halbleiterlaser 201 emittierter kohärenter Lichtstrahl in einem linear polarisierten Zustand in 45º-Richtung auf den Polarisierungsstrahlteiler 202a und wird wie beim vierten Ausführungsbeispiel in eine zur Zeichenebene parallele Polarisierungskomponente und eine zur Zeichenebene senkrechte Polarisierungskomponente geteilt. Der Lichtstrahl der zur Zeichenebene parallelen Polarisierungskomponente verläuft gerade, durchläuft den AO(akustooptischen)-Modulator 204a, bei dem die Frequenz des Lichtstrahls um F&sub1; verschoben wird, und erreicht den Lichtstrahlablenkspiegel 203b, den Polarisierungsstrahlteiler 202b und den Strahlteiler 211, bei dem der Lichtstrahl in einen auf den Polarisator 208a einfallenden Lichtstrahl und einen über den Polarisierungsstrahlteiler 205, den Eckenwürfel 207 und den Polarisierungsstrahlteiler 205 auf den Polarisator 208b einfallenden Lichtstrahl geteilt wird.
Andererseits wird, wie beim vierten Ausführungsbeispiel, der Lichtstrahl der zur Zeichenebene senkrechten Polarisierungskomponente nach unten abgelenkt, durchläuft den Lichtstrahlablenkspiegel 203a, durchläuft den AO(akustooptischen)-Modulator 204b, bei dem die Frequenz des Lichtstrahls um F&sub2; verschoben wird, und erreicht den Polarisierungsstrahlteiler 202b und den Strahlteiler 211, bei dem der Lichtstrahl in einen auf den Polarisator 208a einfallenden Lichtstrahl und einen über den Polarisierungsstrahlteiler 205, den Eckenwürfel 206 und den Polarisierungsstrahlteiler 205 auf den Polarisator 208b einfallenden Lichtstrahl geteilt wird.
Unter diesen Lichtstrahlen überlagern die zwei auf den Polarisator 208a einfallenden Lichtstrahlen einander durch die Funktion des Polarisators 208a und ein Überlagerungssignal Ref mit einer Frequenz Fi - F&sub2; wird durch den Photodetektor 209a erfaßt. Die zwei auf den Polarisator 208b einfallenden Lichtstrahlen überlagern einander durch die Funktion des Polarisators 208b und ein Überlagerungssignal Sig mit einer Frequenz F&sub1; - F&sub2; wird durch den Photodetektor 209b erfaßt. Die Phasendifferenz Φ&sub1; zwischen dem Signal Ref und dem Signal Sig wird durch den Phasen-Spannungs- Wandler 223 erfaßt. Die zwei Signale Sig und Ref werden durch die Hochgeschwindigkeits-Impulswandler 224a bzw. 224b in Impulsfolgen gewandelt. Der Vor-/Rückwärtszähler 225 führt eine Addition/Subtraktion der Anzahlen von jeweiligen Impulsen durch und gibt das Ergebnis aus.
Wie beim vierten Ausführungsbeispiel ist das System so angeordnet, daß der zum Halbleiterlaser 201 geführte Strom durch beliebiges und schnelles Schalten durch den Auswahlschalter 231 zwischen der Schaltung 232 zum Modulieren des Stroms innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers 201 stetig ändert, der Schaltung 233 zum Andern des Stroms innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungsfrequenz des Halbleiterlasers 201 unstetig ändert, und der Schaltung (ACC) 234 zum Steuern des Stroms derart, daß die Schwingungsfrequenz des Halbleiterlasers 201 konstant ist, erhalten wird.
Weiterhin wird der $Ialbleiterlaser 201 in der gleichen Weise wie beim vierten Ausführungsbeispiel innerhalb von Temperaturänderungen von etwa ± 0,001 ºC gehalten.
Ein Injektionsstromsignal für den Halbleiterlaser 201 wird durch den Strom-Spannungs-Wandler 226 zu einem Spannungssignal. Wird dieses Signal zu einem Bezugssignal gemacht, wird die Anderungsbreite des Signals der Ausgabe Φ&sub1; vom Phasen-Spannungs-Wandler 223 durch den synchronisierten Verstärker 227 erfaßt.
Bei der vorliegenden Anordnung wird ebenfalls eine absolute optische Pfaddifferenz mittels einem Verfahren gemessen, das mit dem beim ersten oder vierten Ausführungsbeispiel fast identisch ist. Das Verfahren beim vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidet sich nur darin, daß ein Bezugssignal für den Phasen- Spannungs-Wandler 223 von der Ausgabe des Photodetektors 209a herausgezogen wird, und die Anderungsbreite des Phasensignals beim Modulieren des Injektionsstroms für den Halbleiterlaser 201 durch den synchronisierten Verstärker 227 erfaßt wird.
Indem somit ein Bezugssignal für den Phasen-Spannungs-Wandler 223 vom Photodetektor 209a herausgezogen wird, ist es möglich, den Einfluß von Anderungen bei der optischen Pfaddifferenz im optischen Pfad näher beim Halbleiterlaser 201 als beim Strahl teiler 211 zu beseitigen, wenn auch der Schaltungsaufbau mehr oder weniger kompliziert wird.
Durch Erfassen der Anderungsbreite des Phasensignals durch den synchronisierten Verstärker 227 wird es weiterhin möglich, die Änderungsbreite ΔΦ zufriedenstellend zu messen, selbst wenn der Ausgabe Φ&sub1; vom Phasen-Spannungs-Wandler 223 ein Rauschen überlagert ist.
Indem, als eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung, die Modulationsbreite des in den Halbleiterlaser injizierten Stroms veränderlich gemacht wird, das heißt, indem eine Schaltung zum beliebigen Einstellen der Verstärkung der Wechselstrom(AC)-Komponente des Injektionsstroms gebildet wird, wie vorstehend beschrieben, können die ganz gleichen Wirkungen ebenfalls erhalten werden.
Was die Stabilisierung der Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers anbetrifft, so ist es möglich, eine hochgenaue Stabilisierung unter Verwendung eines Verfahrens zum Steuern der Schwingungswellenlänge durch deren Abstimmung auf eine Molekularabsorptionslinie einer Gaszelle aus Methan, Jod oder dergleichen, eines Verfahrens zum Steuern der Schwingungswellenlänge durch deren Abstimmung auf eine Resonanzspitze eines eine Etalonplatte durchlaufenden Lichtstrahls, und dergleichen zu verwirklichen.
Der Betrieb einer inkrementellen Messung ist der gleiche wie der beim vierten Ausführungsbeispiel.
Ein die vorstehend beschriebene Berechnungsverarbeitung durchführender Rechner ist in FIG. 8 weggelassen.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird es in Übereinstimmung mit einer Ausführung einschließlich von Halbleiterlasern zum Erzeugen von zwei verschiedenen Wellenlängen, einer Einrichtung zum Durchführen einer Frequenzmodulation der Halbleiterlaser und eines Schalters zum Auswählen, ob eine Frequenzmodulation durchgeführt wird oder nicht,
erstens möglich, eine absolute Messung eines langen Meßbereichs mit hoher Genauigkeit und mit einer kleinen Anzahl von Lichtquellen durchzuführen,
zweitens möglich, wenn eine absolute Position gemessen wird, eine Messung ohne Änderung eines optischen Systems und eines Signalerfassungssystems überhaupt durchzuführen, und drittens wird, wenn eine absolute Position gemessen wird, ein Hochgeschwindigkeitsschalten eines Meßbereichs möglich, und somit wird ein Fehler bei der Bestimmung des Teils einer natürlichen Zahl in Ausdruck (8), der durch die Bewegung eines zu messenden Gegenstands während der Bestimmung verursacht wird, kaum auftreten.
Durch Hinzufügen einer Einrichtung zum freien Andern der Frequenzmodulationsbreite, das heißt, der Injektionsstromamplitude, wird weiterhin
viertens eine absolute Messung eines Meßbereichs, der länger ist als einige Meter, ohne Erhöhen der Anzahl von Lichtquellen mit hoher Genauigkeit möglich,
fünftens durch Vorsehen von beiden Impulswandlern und eines Vor- /Rückwärtszählers eine inkrementelle Messung einer Verschiebung nach einmaligem Durchführen einer absoluten Messung möglich und somit wird eine Durchführung einer Messung möglich, die einer Hochgeschwindigkeitsbewegung einer Stufe oder dergleichen zufriedenstellend folgen kann.
Durch Bilden einer Einrichtung zum Modulieren des Injektionsstroms für den Halbleiterlaser innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungsfrequenz stetig ändert, einer Einrichtung zum Andern des Stroms innerhalb eines Bereichs, in dem sich die Schwingungsfrequenz unstetig ändert, und einer Einrichtung zum Steuern, um die Schwingungsfrequenz konstant zu halten, und durch aufeinanderfolgendes Messen einer absoluten optischen Pfaddifferenz mittels einer Einrichtung zum beliebigen Auswählen zwischen den vorstehend beschriebenen Einrichtungen wird es bei einer Ausführung unter Verwendung von nur einem Halbleiterlaser erstens möglich, einen langen Meßbereich mit hoher Genauigkeit unter Verwendung von nur einem Halbleiterlaser zu messen, ist es zweitens im Falle einer Durchführung einer Überlagerungserfassung unter Verwendung von AO (akustooptischen)-Modulatoren möglich, eine Messung ohne Beeinflussung durch Änderungen bei der Intensität des Lichtstrahls vom Halbleiterlaser durchzuführen, und wird es drittens durch Kombinieren mit einer inkrementellen Messung, falls zuerst eine absolute Messung durchgeführt wurde, möglich, eine Messung durch Nachfolgen einer relativen Hochgeschwindigkeitsverschiebung vom Punkt der absoluten Messung durchzuführen.

Claims

1. Längenmeßvorrichtung zum Messen einer Länge, indem man einen ersten Lichtstrahl einen optischen Pfad zur Messung (108, 5), der zumindest einen zu messenden Gegenstand (10) umfaßt, durchlaufen läßt, und einen zweiten Lichtstrahl einen als einen Längenmeßstandard dienenden optischen Bezugspfad (106, 107) durchlaufen läßt, um ihn mit dem ersten Lichtstrahl zu überlagern, wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine erste Einrichtung (11a, 2, 31, 104a, 104b, 71a) zum Führen eines Lichtstrahls mit einer einzigen Frequenz (f&sub1;+F&sub2;) zum optischen Pfad zur Messung (108, 5) und zum Erzeugen eines Überlagerungsstrahls zwischen dem den optischen Pfad zur Messung (108, 5) durchlaufenden Lichtstrahl und einem den optischen Bezugspfad (106, 107) durchlaufenden Lichtstrahl, um ein Ausgabesignal (Ausgabe von 71a; ZÄHLERAUSGABE) zu erzeugen, auf dessen Grundlage ein relativer Betrag einer Positionsänderung des zu messenden Gegenstands (10) durch Erfassen des überlagerungsstrahls gemessen wird; und

eine zweite Einrichtung (154, 11a, 11b, 2, 31, 104a, 104b, 71a, 71b) zum Führen eines Lichtstrahls oder -strahlen mit verschiedenen Frequenzen (f&sub1;+F&sub2;, f&sub2;+F&sub2;, f&sub1;+F&sub2;±Δf&sub1;) zum optischen Pfad zur Messung (108, 5) und zum Erzeugen eines Überlagerungsstrahls oder -strahlen zwischen dem Lichtstrahl oder -strahlen mit verschiedenen Frequenzen (f&sub1;+F&sub2;, f&sub2;+F&sub2;, f&sub1;+F&sub2;±Δf&sub1;), die den optischen Pfad zur Messung (108, 5) durchlaufen, und einem Lichtstrahl oder -strahlen mit verschiedenen Frequenzen (f&sub1;+F&sub1;, f&sub2;+F&sub1;, f&sub1;+F&sub1;±Δf&sub1;), die den optischen Bezugspfad (106, 107) durchlaufen, um Ausgabesignale (Φ&sub1;, ΔΦ, ΔΦ&sub1;) zu erzeugen, auf deren Grundlage eine absolute Position des zu messenden Gegenstands (10) durch Erfassen des Überlagerungsstrahls oder -strahlen gemessen wird.

2. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (11a, 2, 31, 104a, 104b, 71a, 183a) und die zweite Einrichtung (154, 11a, 11b, 2, 31, 104a, 104b, 71a, 71b) eine gemeinsame Lichtquelle (11a) umfassen, und daß die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung eine gemeinsame Erfassungseinrichtung (71a) verwenden.

3. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erfassungsergebnis durch die gemeinsame Erfassungseinrichtung (71a) zum Erfassen einer relativen Entfernung bis zum zu messenden Gegenstand (10) und dann zum Erfassen einer relativen Verschiebung von der erfaßten Position des zu messenden Gegenstands (10) verwendet wird.

4. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (154) zum Andern der Frequenz des von der gemeinsamen Lichtquelle (11a) emittierten Lichtstrahls.

5. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderungseinrichtung (154) eine Frequenzmodulation durchführt, sodaß sich die Frequenz des von der gemeinsamen Lichtquelle (11a) emittierten Lichtstrahls mit einer vorbestimmten Frequenz fm ändert.

6. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein synchronisierter Verstärker (183c) eine Änderungsbreite (ΔΦ&sub1;) eines Ausgabesignals (Φ&sub1;) von der gemeinsamen Erfassungseinrichtung (71a) erfaßt und daß eine absolute Position des zu messenden Gegenstands (10) durch die Änderungsbreite (ΔΦ&sub1;) des durch den synchronisierten Verstärker (183c) erfaßten Signals (Φ&sub1;) erfaßt wird.

7. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Lichtquelle (11a) ein Halbleiterlaser ist und daß die Frequenzänderungseinrichtung (154) die Frequenz des Lichtstrahls durch Andern eines Injektionsstroms für den Halbleiterlaser ändert.

8. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderungseinrichtung (233) den Injektionsstrom für den Halbleiterlaser ändert, bis der Halbleiterlaser einen Sprungbetrieb verursacht.

9. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet durch

eine Feststelleinrichtung (151a; 234) zum Konstanthalten der Frequenz des von der gemeinsamen Lichtquelle (11a, 201) emittierten Lichtstrahls, und

einen Schalter (156; 231) zum Schalten zwischen der Feststelleinrichtung (151a; 234) und der Frequenzänderungseinrichtung (154; 232, 233)

10. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

die Frequenzänderungseinrichtung (154) weiter eine Einrichtung (157) zum Andern einer Verstärkung (K) der Frequenzmodulation umfaßt.

11. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch

eine erste Berechnungseinrichtung (82a, 82b, 92, 300) zum Berechnen des relativen Anderungsbetrags (ZÄHLERAUSGABE) des zu messenden Gegenstands (10), und

eine zweite Berechnungseinrichtung (300) zum Berechnen der absoluten Position des zu messenden Gegenstands (10).