DE69212000T2

DE69212000T2 - Optische Messgeräte

Info

Publication number: DE69212000T2
Application number: DE69212000T
Authority: DE
Inventors: Michael Downs
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2012-11-06
Also published as: GB2261299A; DE69212000D1; GB9223169D0; US5546184A; EP0611438A1; GB2261299B; EP0611438B1; CN1075202A; JPH07500909A; CN1041769C; JP3351527B2; WO1993009394A1

Description

Diese Erfindung betrifft optische Meßinstrumente und besonders ein bidirektionales, streifenzählendes Zweistrahl- Interferometersystem.
Angeregt durch die Entwicklung des 633 nm Helium-Neon- Lasers in den frühen 1960er Jahren mit seinem intensiven kollimierten Strahl und seiner schmalen Bandbreite, wurde die Längenmessung durch Interferometrie eines der am verbreitetsten realisierten Verfahren zur Präzisionsmessung. Es wird für Längenmessungen im Bereich von weniger als einem Mikrometer bis zu Entfernungen von einigen Zehn Metern eingesetzt. Für höchste Genauigkeit (in der Größenordnung von 1 in 10&sup9;) muß die Laserquelle frequenzstabilisiert und durch Vergleich mit einem Referenzlaser kalibriert sein und wo die Meßanwendung sich in der freien Atmosphäre befindet, ist es wichtig, die Wellenlänge der Strahlung hinsichtlich des Brechungsindexes der Luft ständig zu korrigieren. Über kürzere Entfernungen, bei denen eine hohe Meßgenauigkeit erforderlich ist, ist es nötig, Bruchteile eines optischen Streifens aufzulösen. Bei diesen Anwendungen werden unerwünschte Reflexionen und Polarisationseffekte zu grundsätzlichen Beschränkungen, da sie eine Verzerrung der Streifen verursachen und die Wiedergabetreue der elektronischen Signale beschränken.
Bidirektionale Zählverfahren werden dazu verwendet, Vibrationen oder Rücklaufbewegung automatisch zu korrigieren und sicherzustellen, daß die Streifenzählung die Verschiebung des sich bewegenden Reflektors repräsentiert. bidirektionale Zähler erfordern für optimale Leistung zwei Signale mit konstanten durchschnittlichen Gleichstrompegeln und mit in Beziehung zu der optischen Wegdifferenz im Interferometer stehenden sinusförmigen Anteilen, die um 90º phasenverschoben sind. Die Zählerlogik ist so eingestellt, daß sie jedesmal dann reagiert, wenn eines der Signale durch seinen Durchschnittswert läuft. Leider unterliegt dieser Gleichstrompegel in der Praxis Veränderungen. Sein Wert ist zum Beispiel von der Intensität der Lichtquelle abhängig. Entfernen des Gleichstromanteils durch kapazitive Kopplung, so daß der durchschnittliche Signalpegel immer null ist, wirkt nicht vollständig, da die Frequenz des sinusförmigen Anteils sehr niedrig und sogar null sein kann, falls der am Werkstück angebrachte Würfelecken-Retroreflektor stationär ist.
Es ist ein geläufiges Vorgehen, entweder eine Form von Modulation des Interferometersignals einzusetzen oder den durchschnittlichen Signalpegel durch einen elektronischen Subtraktionsprozeß, der Veränderungen des durchschnittlichen Signalpegels aus den Fotodetektorsignalen entfernt und den Bedarf nach einer Modulation vermeidet, bei null Volt zu halten. Instrumente, die diese Verfahren verwenden, machen jedoch die Verwendung von Polarisationsverfahren nötig und rufen eine Phasendifferenz von 90º zwischen den aus zwei orthogonal polarisierten Anteilen mittels einer Phasengangunterschiedplatte erhaltenen Signalen hervor. Dies führt zu Justieranforderungen an die Polarisationsazimute der optischen Komponenten im Interferometersystem und der Strahlungsquelle und erhöht zusätzlich die Gesamtkosten.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein bidirektionales, streifenzählendes Zweistrahl-Interferometersystem bereitzustellen, das mit jeder Laserquelle, die für die Anwendung kohärent genug ist, und mit jeder Orientierung der Polarisation des Eingangslaserstrahls für Prazisionslängenmessungen verwendet werden kann.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein bidirektionales, streifenzählendes Einfrequenz-Interferometersystem:
eine optische Quelle zum Bereitstellen eines optischen Einfrequenz-Strahls;
eine Strahlteilereinrichtung zum Teilen des optischen Strahls in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl, wobei die Strahlen eine Phasendifferenz von ungefähr 90º aufweisen;
eine optische Einrichtung, um aus dem Referenzstrahl und dem Meßstrahl zwei interferierende Strahlen mit einer Weglängendifferenz bereitzustellen, die in Beziehung mit einer zu messenden Verschiebung steht;
zwei Lichtsensoreinrichtungen, die so angeordnet sind, daß sie je einen interferierenden Strahl empfangen und entsprechende elektrische Signale, die jeweils einen Wechselstrom- und einen Gleichstromanteil aufweisen, bereitstellen, wobei die Signale eine Phasendifferenz aufweisen, die der durch die Strahlteilereinrichtung hervorgerufenen Phasendifferenz gleich ist;
eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der Signale, um:
a) ihre Phasendifferenz ständig zu messen und, wenn erforderlich, sie so zu verändern, daß sie gleich 90º ist;
b) die Änderungsgeschwindigkeit der Weglängendifferenz ständig zu messen und mit einer voreingestellten Änderungsgeschwindigkeit zu vergleichen und, wenn die gemessene Geschwindigkeit die voreingestellte Geschwindigkeit übersteigt, die jeweiligen Gleichstromanteile von den beiden Signalen abzuziehen;
c) die Größen der Wechselstromanteile der Signale ständig zu vergleichen und, wenn sie nicht gleich sind, die Wechselstromanteile zu normalisieren; und
d) die vorgenommenen Einstellungen zu speichern;
eine Einrichtung zum Zählen von Streifen und zum Bestimmen von Streifenbruchteilen; und
eine Anzeigeeinrichtung zum Bereitstellen von die Verschiebung und den Streifenbruchteil betreffenden Anzeigen.
Vor jeder Messung einer Weglängendifferenz wird das System vorzugsweise anfänglich durch Messen der Phasendifferenz der Signale und Verändern derselben derart, daß sie 90º beträgt, kalibriert.
Die Phasendifferenz der Signale wird optional durch Signaladdition und Signalsubtraktion und Normalisierung der Wechselstromanteile der Signale verändert.
Das Interferometersystem ist optional in einer ersten Betriebsweise betreibbar, in der sich die Weglängendifferenz mit einer verhältnismäßig hohen Zählgeschwindigkeit verändert und das System wechselstromgekoppelt ist; und es ist in einer zweiten Betriebsweise betreibbar, in der sich die Weglängendifferenz mit einer Zählgeschwindigkeit verändert, die niedrig genug ist, um digitalisiert zu werden, und das System gleichstromgekoppelt ist.
Die optische Quelle ist vorzugsweise ein Laser, der eine Kurzzeitveränderung der Leistungsabgabe von weniger als 2% aufweist, wie beispielsweise ein polarisierter Helium- Neon-Laser.
Die optische Einrichtung kann aus einem Michelson- Interferometer oder einem Jamin-Interferometer, das ein Gasrefraktometer sein kann, bestehen.
Die Strahlteilereinrichtung weist optional einen teilreflektierenden Metallfilm auf, zum Beispiel eine Schichtung aus drei Schichten, die eine 4 nm dicke Chromschicht aufweist, die mit einem 16 nm dicken Goldfilm und dann mit einem weiteren Dickfilm aus Chrom mit einer Dicke zwischen 5 und 6 nm beschichtet ist.
Wir haben ein System gemäß der Erfindung konstruiert, das ein Mikroprozessorsystem in Verbindung mit analoger Elektronik automatisch und ständig dazu verwendet, den mittleren Gleichstrompegel einzustellen, wenn sich die Weglänge im Interferometer ändert, und ihn auf einem geeigneten Wert zu halten, sobald die Signalfrequenz unter einen einstellbaren Schwellenwert fällt.
Falls der durchschnittliche Signalpegel auf einem konstanten Wert gehalten wird, dann führt eine unvollständige Interferenz im System verursacht durch eine Fehlanpassung der Amplituden, Wellenfronten und Durchmesser der interferierenden Strahlen und jegliches Nicht-Überlappen der Strahlen zu einer Verringerung des Kontrasts und folglich einer Verkleinerung der Amplituden der Weglängensignale bei unveränderten mittleren Gleichstrompegeln, was das Erreichen der optimalen Leistung der Einrichtungen zum Zählen von Streifen und zum Bestimmen von Streifenbruchteilen ermöglicht. Es wird jedoch erkannt werden, daß das Verfahren der "Erinnerung" an den erforderlichen Gleichspannungspegel Veränderungen der Intensität der Lichtquelle nicht kompensiert und es muß darauf geachtet werden, falls bei Auflösung mit einer Empfindlichkeit im Bereich von Nanometern durch Analysieren der Interferometersignale genaue Weglängenmessung erreicht werden soll. Eine periodische Verwendung des Instruments für Messungen würde zum Beispiel dem System ermöglichen, sich selbst zu rekalibrieren und jegliche Intensitätsänderungen zu korrigieren, die während der Zeit aufgetreten sein können, in der der Retroreflektor stationär war. Multi-Moden- und frequenzstabilisierte Helium-Neon-Laser variieren in ihrer Ausgangsintensität typischerweise um weniger als zwei Prozent. Eine Änderung um 2% würde in der Weglängenmessung einen "worst case" Fehler von 1,3 nm erzeugen.
Durch geschickte optische Konstruktion können die Auswirkungen unerwünschter Reflexionen auf ein annehmbares Niveau reduziert werden und das Verfahren stellt ein Interferometriesystem bereit, das unempfindlich gegenüber Polarisationseffekten ist und das Erreichen einer genauen Unterteilung von Streifen ermöglicht.
Der Mikroprozessor wird auch dazu verwendet, zusätzlich zu den Ergebnissen von Messungen Daten über die Zustände der Signale zu überwachen und aufzuzeichnen.
Der Stand der Technik und die Probleme, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden, werden mit Bezug auf Figur 1 bis 8 in den beigefügten Zeichnungen beschrieben:
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Michelson-Interferometers mit einer keilförmigen Kompensatorplatte;
Figur 2 stellt die Herstellung der Kompensatorplatte des Interferometers von Figur 1 dar;
Figur 3 bis 7 sind Grafiken, die die relative Phase von Streifen zeigen; und
Figur 8 ist eine schematische Ansicht einer Strahlteileranordnung.
Die Erfindung wird mit Bezug auf Figur 9 bis 21 der beigefügten Zeichnungen beschrieben:
Figur 9 ist eine schematische Ansicht eines Interferometers gemäß einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 10 ist eine Detailzeichnung, die einen Fotodetektor der Ausführungsform von Figur 9 zeigt;
Figur 11 und 12 sind Blockdiagramme von elektronischen Zählsignalvorrichtungen;
Figur 13 bis 15 zeigen die Ausgabe eines He-Ne-Lasers;
Figur 16a und 16b sind Schnitte, die den optischen Aufbau eines Interferenz-Gasinterferometers zeigen;
Figur 17 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform von Figur 9;
Figur 18 ist eine Weiterentwicklung der Ausführungsform von Figur 16a;
Figur 19 ist eine Weiterentwicklung der Vorrichtung von Figur 18;
Figur 20 zeigt eine Anwendung der Ausführungsform von Figur 18; und
Figur 21 ist eine Detailansicht der Vorrichtung von Figur 20.
In Figur 1 und 2 ist ein Interferometer nach dem Stand der Technik dargestellt.
Die am meisten angewendeten interferometrischen Längenmeßsysteme basieren auf einem Entwurf von Michelson und messen Verschiebung in Einheiten der Wellenlänge von Licht. In dieser Anmeldung wird das Interferometer leicht zu justieren und unempfindlich gegenüber einer Neigung der reflektierenden Einheiten gemacht, indem die herkömmlicheren Flachspiegel durch Würfelecken-Retroreflektoren ersetzt werden. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, den zurückkehrenden Strahl zu versetzen und eine durch in den Laserhohlraum eintretende direkt reflektierte Strahlung verursachte Instabilität des Lasers zu verhindern. Eine der Würfelecken ist an dem Interferometer-Strahlteiler befestigt, die andere wird an dem zu messenden Werkstück angebracht.
In Figur 1 ist ein optischer Aufbau ähnlich dem gezeigt, der in dem in unserem Patent EP 0490956 beschriebenen NPL Sub-Nanometer-Interferometer eingesetzt wird. Das zum Stand der Technik gehörende Interferometer umfaßt einen interferometrischen Strahlteiler 2 mit einer teilreflektierenden Beschichtung 4 auf einer von dessen Oberflächen. Ein einfallender Laserstrahl 6 wird an der ersten Oberfläche 8 des Strahlteilers 2 in einen Referenzstrahl 10 und einen Meßstrahl 12 geteilt. Die beiden getrennten Strahlen werden auf Retroreflektoren 14, 16 gerichtet und auf ihren Rückwegen am Strahlteiler weiter geteilt und bilden zwei Interferogramme 18, 20. Eine aus einem leicht keilförmigen Block geformte Kompensatorplatte 22 wird im Weg des Meßstrahls angeordnet.
Die Herstellung der Kompensatorplatte ist in Figur 2 dargestellt. Diese beinhaltet das Herstellen einer leicht keilförmigen Strahlteilerplatte 24 in den zweifachen erforderlichen Abmessungen, die dann in zwei gleiche Teile 26, 28 geschnitten wird. Diese werden auf eine solche Art und Weise zueinander orientiert, daß die Abweichung und Verschiebung, die sie wie in Figur 1 gezeigt im übertragenen Strahl bewirken, kompensiert wird. In einer praktischen Anordnung werden beide Interferogramme entfernt vom Interferometerblock unter Verwendung jeweiliger Fotodetektoren (nicht gezeigt) untersucht.
Die Beschichtung des Interferometer-Strahlteilers ist eine Schichtung aus drei Schichten Metallfilm, bestehend aus einer 4 nm dicken Chrombeschichtung auf dem Substrat, überzogen mit einem 16 nm dicken Film aus Gold und dann einem zusätzlichen 5 oder 6 nm dicken Film aus Chrom. Dieser Aufbau der Beschichtung kann unter Verwendung herkömmlicher Bedampfungs- und Überwachungsverfahren einfach hergestellt werden und erzeugt sowohl für die parallelen als auch für die senkrechten Polarisationsanteile zwei Signale aus dem Interferometer, die mit einer Genauigkeit besser %10º um 90º phasenverschoben sind.
Dieser Aufbau des Interferometers hat den bedeutenden Vorteil, daß er die Beschränkungen für die Justierung der Polarisationsazimute des Systems vollständig beseitigt und die für das Interferometer erforderlichen optischen Komponenten auf einen Flachstrahlteiler und zwei Retroreflektoren reduziert.
Die grundlegende Gleichung für die Einfrequenz-Zweistrahl-Interferometrie ist:
I = a&sub1;² + a&sub2;² + 2a&sub1;a&sub2; cos δ (1)
worin I = Intensität, a = Amplitude, δ = optische Phasendifferenz gegeben durch δ = 2π(P&sub1;-P&sub2;)/λ mit P = optischer Weg und λ = Wellenlänge.
Die Gleichung stellt eine sinusförmige Veränderung der Wegdifferenz mit einer Amplitude von Spitze zu Spitze voll 4a&sub1;a&sub2; überlagert einem mittleren Intensitätspegel von a&sub1;²+a&sub2;² dar. Die meisten bidirektionalen elektronischen Zähler eifordern zwei sich sinusförmig mit der Weglänge verändernde und ungefähr um 90º zueinander phasenverschobene elektrische Signale, so daß die Richtung der Zählung bestimmt werden kann.
Um die Logikschaltungen zum Zählen und Messen der Richtung zu betreiben, werden diese Signale über Schmitt-Trigger-Schaltungen in die Zählereingänge eingespeist. Die beste Leistung hinsichtlich Zuverlässigkeit, Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen und Arbeitsgeschwindigkeit wird erreicht, wenn die sinusförmigen Signale symmetrisch um die Triggerpegel angeordnet sind, die normalerweise auf den mittleren Intensitätspegel des Signal eingestellt sind. Leider ist dieser Gleichstrompegel Veränderungen unterworfen. Sein Wert hängt zum Beispiel von der Intensität der Lichtquelle und den Transmissionsgraden der optischen Wege ab. Die Streifenzählersignale vom Interferometer unter verschiedenen Bedingungen sind in Figur 3, 4, 5 und 6 dargestellt.
Mit Bezug auf Figur 3 zeigt Figur 3a optimalen Kontrast von zwei Interferogrammsignalen um einen Nullspannungspegel V&sub0; herum. Figur 3b zeigt eine Änderung des Gleichstrompegels (a&sub1;² + a&sub2;² in Gleichung 1) , z.B. einen Abfall auf eine Spannung V&sub1;, der auftritt, falls die Intensität der Lichtquelle abnimmt, und Figur 3c zeigt einen noch größeren Abfall auf eine Spannung V&sub2;. Die Abfälle können auf die Hälfte und ein Viertel des ursprünglichen Signalpegels einer der interferierenden Amplituden erfolgen.
In Figur 4 zeigt 4 (a) wieder den optimalen Kontrast der Interferogrammsignale; Figur 4(b) zeigt die Wirkung einer Abnahme des Kontrasts (d.h. Abnahme von 2 a&sub1; a&sub2;, dem Wechselstromanteil) bei konstantem Gleichstrompegel und Figur 4(c) zeigt die Wirkung einer noch größeren Abnahme des Kontrasts.
Mit Bezug auf Figur 5 zeigt Figur 5(a) den optimalen Kontrast der Interferogrammsignale. Figur 5(b) zeigt die Kombination der Wirkungen von Figur 3(b) und 4(b) und Figur 5(c) zeigt die Kombination der Wirkungen von Figur 3(c) und 4(c), d.h. die Wirkung sowohl einer Abnahme der Intensität der Quelle (des Gleichstrompegels) als auch einer Abnahme des Kontrasts (des Wechselstrompegels) auf die Interferogrammsignale.
Der durchschnittliche Signalpegel kann durch kapazitive Kopplung auf null Volt gehalten werden. Dieses Verfahren funktioniert jedoch nur oberhalb einer bestimmten Schwellenfrequenz für die sinusförmigen Anteile.
In Figur 6(a) sind ideale, um 90º phasenverschobene reversible Streifenzählsignale gezeigt. In der Praxis besitzen die durch Untersuchen der zwei Interferogramme eines Michelson-Interferometers erhaltenen Signale wie in Figur 6(b) gezeigt unterschiedliche mittlere Intensitätspegel, unterschiedliche Kontrasttiefen und sind nicht vollkommen um 90º phasenverschoben. Die Änderungen der Kontrasttiefe, die aus Unterschieden der interferierenden Amplituden resultieren, werden durch die optischen Eigenschaften des Interferometer-Strahlteilers gesteuert. Ein oben beschriebener dreilagiger Aufbau aus Gold-Chrom-Film ruft eine Phasendifferenz von 90%10º zwischen den beiden Interferogrammen sowohl für den senkrechten als auch den parallelen Anteil der Polarisation hervor und besitzt die in Tabelle 1 angegebenen Werte für Reflektivität und Transmissionsgrad. Der Ursprung der Reflektivitäten R und Transmissionsgrade T ist in Figur 9 dargestellt, die eine vereinfachte Version von Figur 1 ist und nur die relevanten Strahlwege zeigt. Tabelle 1
RS ist die Reflektivität an der Grenzfläche Substrat/Film und RA ist die Reflektivität an der Grenzfläche Substrat/Luft.
Aus den Intensitätswerten ist ersichtlich, daß die interferierenden Amplituden für die Interferogramme nicht übereinstimmen und daß die mittleren Intensitätspegel der beiden Interferogramme unterschiedlich sind.
Die Erfindung wird nun durch Bezugnahme auf Figur 9, 10, 11 und 12 beschrieben. Figur 9 erscheint bei Betrachtung optisch ähnlich zu Figur 1; identischen optischen Einrichtungen wurden um 300 erhöhte Bezugsnummern gegeben.
Ein Interferometer umfaßt einen interferometrischen Strahlteiler 302 mit einer aus drei Schichten bestehenden metallischen teilreflektierenden Beschichtung 304 auf einer von dessen Oberflächen. Ein einfallender Laserstrahl 306 wird in einen Referenzstrahl 310 und einen Meßstrahl 312 geteilt. In dieser Anordnung wird ein Reflektor 330 dazu verwendet, zu ermöglichen, daß beide Interferogramme 318, 320 entfernt vom Interferometerblock 332 unter Verwendung benachbarter Fotodetektoren 334, 336 untersucht werden. Die Fotodetektoren umfassen jeweils eine Linse 338 und eine Fotodiode 340 (Figur 10). Das Ziel ist, daß die Signale schlechter Qualität in Figur 6(b) auf einem gemeinsamen Gleichstrompegel verbunden werden wie in Figur 7(a), und zusätzlich so verbunden werden, daß sie wie in Figur 7(b) um 90º phasenverschoben sind.
Für ein Zweistrahl-Interferometer von dem in Figur 9 dargestellten Typ haben die Signale I&sub1; und I&sub2; aus den beiden Fotodetektoren 334, 336 die Form:
I&sub1; = (a&sub1;² + a&sub2;²) + 2a&sub1;a&sub2; cos(2πL/λ) (2)
I&sub2; = (b&sub1;² + b&sub2;²) + 2b&sub1;b&sub2; cos(2πL/λ + Φ) (3)
worin a&sub1; und a&sub2; die Amplituden der beiden Komponenten der rekombinierten Strahlen, die den Detektor 334 erreichen, sind und b&sub1; und b&sub2; die entsprechenden Amplituden am Detektor 336 sind. Jedes Signal variiert wie eine Cosinusfunktion der Entfernung L des sich bewegenden Reflektors (z.B. Retroreflektor 316) relativ zu einem beliebigen Ursprung. Die Phasendifferenz Φ wird durch die Eigenschaften der metallischen Beschichtung 304 des Strahlteilers verursacht.
Um den Wert der Entfernung L aus diesen Signalen zu bestimmen, ist es vorteilhaft, die konstanten Terme (a&sub1;² + a&sub2;²) und (b&sub1;² + b&sub2;²) zu subtrahieren, die hauptsächlich von den Reflexions/Transmissionseigenschaften des Strahlteilers abhängen und zur Intensität der Lichtquelle proportional sind. Falls die Verstärkungen der diese Signale verstärkenden elektronischen Systeme dann so eingestellt werden, daß sie die Amplituden der wechselnden Signale (indem a&sub1;a&sub2; = b&sub1;b&sub2; gemacht wird) ausgleichen (und normalisieren), und die Phase Φ gleich 90º gemacht wird, dann werden die Signale zu:
I&sub1; = cos(2πL/λ) I&sub2; = sin(2πL/λ) (3)
Die Entfernung L kann dann mit einer analogen Schaltung, welche die Arcustangensfunktion ausführt, in Verbindung mit einem bidirektionalen Zählsystem, das die Gesamtzahl von Intensitätszyklen verfolgt (von denen jeder einer vollständigen Erhöhung um λ/2 entspricht), bestimmt werden.
Ein erstes Beispiel für eine Schaltung zur Ausführung der erforderlichen Einstellungen an den von den Detektoren 334, 336 gelieferten elektrischen Signalen ist in Figur 11 gezeigt.
Das unten beschriebene elektronische System korrigiert automatisch hinsichtlich der übriggebliebenen Veränderungen von Phase und Amplitude und ermöglicht, daß der für das System angewendete Polarisationszustand optional ist und eine genaue Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich erreicht wird.
Das nominale cosinuswellen-Eingangssignal I&sub1; (Gleichung 2) ist sowohl direkt als auch über einen ersten Gleichstrompegelsensor 43 mit einer ersten Gleichstrompegel-Einstelleinrichtung 42 verbunden. Entsprechend ist das nominale Sinuswellen-Eingangssignal I&sub2; (Gleichung 3 wenn Φ 90º) sowohl direkt als auch über einen zweiten Gleichstrompegelsensor 45 mit einer zweiten Gleichstrompegel-Einstelleinrichtung 44 verbunden. Dieser Teil der Schaltung dient dazu, die konstanten (Gleichstrom) Terme (a&sub1;² + a&sub2;²) und (b&sub1;² + b&sub2;²) zu subtrahieren.
Die Ausgangssignale der ersten und zweiten Gleichstrompegel-Einstelleinrichtungen 42, 44 sind jeweils sowohl mit ersten und zweiten Phasen-Einstelleinrichtungen 46, 48 als auch einem Phasensensor 50 verbunden; der Phasensensor 50 mißt die Phasendifferenz zwischen den Signalen (die, wie oben erläutert, begründet durch die Eigenschaften der Beschichtung 304 des Strahlteilers in Figur 9 annähernd 90º beträgt). Die Ausgabe des Phasensensors 50 ist mit jeder der Phasen-Einstelleinrichtungen 46, 48 verbunden, welche die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen auf 90º einstellen.
Die beiden Signale aus den Phasen-Einstelleinrichtungen 46, 48 sind sowohl direkt als auch nach Durchlaufen jeweiliger erster und zweiter Wechselstrompegel-Sensoren 56, 58 jeweils mit ersten und zweiten Wechselstrompegel-Einstelleinrichtungen 52, 54 verbunden. Dieser Teil der Schaltung dient dazu, die Amplituden der wechselnden Signale (indem a&sub1;a&sub2; = b&sub1;b&sub2; gemacht wird) anzugleichen (und zu normalisieren).
Die Ausgänge der ersten und zweiten Wechselstrompegel- Einstelleinrichtungen 52, 54 sind jeweils mit ersten und zweiten Sensoren für die Änderungsgeschwindigkeit der Weglänge 60, 62 verbunden, von denen jeder eine Eingabe an einen Speicher 64 liefert und die auch Ausgaben liefern, die jeweils ein optimiertes Cosinuswellensignal und ein optimiertes Sinuswellensignal sind, die optimierte reversible Streifenzählsignale zum Einspeisen in eine herkömmliche Einrichtung zum Bestimmen von Streifenbruchteilen und zur Anzeige 66 und in eine herkömmliche Einrichtung zum reversiblen Zählen von Streifen und zur Anzeige 68, die Schmitt- Trigger-Einrichtungen beinhaltet, sind.
Die Schaltung von Figur 11 kann durch Verwendung eines Mikroprozessors implementiert werden.
Eine teilweise Alternative zu der elektrischen Anordnung von Figur 11 ist in Figur 12 gezeigt und kann ebenfalls durch Verwendung eines Mikroprozessors implementiert werden. Die eingehenden Signale I&sub1;, I&sub2; von den Detektoren 334, 336 werden zu Anfang in jeweiligen Verstärkern 70, 72 verstärkt, bevor sie bei ersten und zweiten Gleichstrompegel-Einstelleinrichtungen 74, 76 eintreffen, die jeweils mit ersten und zweiten Gleichstrompegel-Sensoren 78, 80 verbunden sind, von denen in dieser Ausführungsform jeder einen Gleichstrompegel-Speicher beinhaltet und jeder eine Eingabe für erste und zweite Kontrast-Anzeigeeinrichtungen 82, 84 liefert.
Die Wechselstrompegel-Einstelleinrichtungen 86, 88 sind mit Wechselstrompegel-Sensoren 90, 92 verbunden, die ebenfalls Wechselstrompegel-Speicher enthalten und von denen jeder eine Eingabe an die Kontrast-Anzeigeeinrichtungen 82, 84 liefert.
Nach Einstellung der Gleichstrom- und Wechselstrompegel liefern die eingestellten Signale jeweils eine Eingabe in eine Signal-Subtrahiereinrichung 94 und eine Signal-Addiereinrichtung 96, die eine Signal-Mischkorrektur bereitstellen und die Phasendifferenz zwischen den Signalen auf 90º korrigieren.
Die um 90º phasenverschobenen Signale werden nun durch dritte und vierte Wechselstrompegel-Einstelleinrichtungen 98, 100 und zugehörige Wechselstrompegel-Sensoren und Speicher 102, 104 einer zweiten Einstellung der Wechselstrompegel unterzogen, um eine optimierte Cosinuswelle und eine optimierte Sinuswelle bereitzustellen. Diese optimierten Wellen bilden die Eingaben in eine Einrichtung zur Bestimmung von Bruchteilen und zur Anzeige von Streifen 106 und eine herkömmliche Einrichtung zur reversiblen Zählung und Anzeige von Streifen 108, die Schmitt-Trigger-Einrichtungen beinhaltet.
Das System arbeitet effektiv in drei Betriebsweisen. Falls sich die Weglängensignale mit hohen Zählraten rasch verändern, typischerweise bis zu 10 MHz auf modernen Zählern, ist das System phasenkorrigiert und wechselstromgekoppelt. Bei niedrigeren Frequenzen, wenn die Frequenz des Weglängensignals niedrig genug ist, um digitalisiert und mathematisch analysiert zu werden, kalibriert das in Figur 11 oder Figur 12 gezeigte System die erforderlichen Korrekturen von Phase und Signalpegel und wendet diese unter dieser Frequenzschwelle an, um die Signale durch Einstellen ihrer Spannungen zu optimieren.
Wenn die Signalfrequenz schließlich unter eine bestimmte Schwelle fällt, werden die Korrekturen der Signalpegel gespeichert und auf ihren jeweiligen Werten gehalten. Dieses Verfahren erlaubt eine genaue Unterteilung von Streifen, auch wenn die Frequenz auf null fällt, wenn der Retroreflektor 316 stationär ist.
Zusätzlich zur Aufrechterhaltung der durchschnittlichen Signalpegel bei Werten, die jedesmal erzeugt werden, wenn das Weglängensignal unter eine gewählte Schwellenfrequenz fällt, analysiert das System von Figur 11 oder Figur 12 zu diesem Zeitpunkt die Signale. Die Phasendifferenz zwischen den Signalen, ihre mittleren Gleichstrompegel und die Amplituden der Wechselstrom-Weglängensignale werden ebenfalls berechnet und auf die Signale werden Korrekturen angewendet, um "ideale Signale" zu erreichen, bevor eine Arcustangensfunktion verwendet wird, um eine genaue Unterteilung von Streifen zu erhalten (nicht gezeigt).
Aus der allgemeinen Gleichung kann gezeigt werden, daß es, falls die mittleren Gleichstrompegel der Signale angeglichen werden, um genaue Bestimmung von Bruchteilen von Streifen aus einer Arcustangensfunktion zu erhalten, nötig ist, eines der Wechselstrom-Weglängensignale mit dem Verhältnis der Amplituden der sinusförmigen Weglängensignale zu multiplizieren (d.h. a&sub4;xa&sub3;/a&sub4; wie in Figur 10 gezeigt).
Das Verfahren des "Erinnerns" an dieses Verhältnis zusammen mit den Korrekturen hinsichtlich Phase und Gleichstrompegel ermöglicht dem System, selbst bei Vorhandensein von anderen Veränderungen des Kontrasts als denen, die als jeglichen Intensitätsänderungen resultieren, die im Interferometer auftreten, während der Rückreflektor stationär ist, ein hohes Leistungsniveau aufrechtzuerhalten.
Wenn das Interferometer angeschaltet wird, erfordert das elektronische System von Figur 11 oder Figur 12, daß das Längensignal einmal verändert wird, um die anfängliche Kalibrierung und Justierung des Systems vorzunehmen. Dieser Prozeß korrigiert automatisch Veränderungen der optischen Eigenschaften des Interferometer-Strahlteilers, was seine Fertigungstoleranzen effektiv erweitert und zusätzlich die Verwendung von reflexmindernden Schichten auf den optischen Komponenten optional macht.
Bei reversiblen streifenzählenden Interferometersystemen ist es ein geläufiges Vorgehen, in die an den Zählereingängen verwendeten Schmitt-Trigger-Schaltungen einen "Spielraum" einzubauen, um sicherzustellen, daß durch statistisches Rauschen auf den Zählsignalen keine falschen Zählungen erzeugt werden. Das in Figur 11 oder 12 gezeigte System überwacht die Prozesse zur Zählung von Streifen und zur Bestimmung von Bruchteilen von Streifen und stellt sicher, daß sie jederzeit korrekt synchronisiert sind, und die Leistung des Gesamtsystems wird ständig und automatisch überprüft. Zum Beispiel würde ein totaler Verlust an Kontrast, verursacht durch Abdunkelung eines der Strahlen, zur Anzeige eines Alarms führen.
Das beschriebene Interferometersystem zur Längenmessung reduziert die für seinen Betrieb benötigten optischen Justierungen auf die zwei grundlegenden Erfordernisse für diese Art von Instrument, auf die Parallelität zwischen den optischen Achsen des Instruments und der mechanischen Achse der Meßhalterung (Cosinusfehler) und auf das Zusammenfallen des Meßpunkts des Systems mit der Meßrichtung des Interferometers (Abbe-Fehler).
Die elektronische Justierung wird vollständig durch das System von Figur 11 oder Figur 12 gesteuert, von denen jedes ständig und automatisch die beiden Interferometersignale verarbeitet, um aus dem Instrument sowohl beim genauen Zählen als auch beim Unterteilen von Streifen ein hohes Leistungsniveau zu erhalten.
Im vorliegenden Entwurf tritt die Einstellung der Signale während jeder Bewegung auf, die bewirkt, daß sich die Wegdifferenz schneller als eine voreingestellte Geschwindigkeit ändert. Immer wenn die Zählgeschwindigkeit über dieser Geschwindigkeit liegt, werden die Subtrahierspannungen in kleinen Schritten getrennt eingestellt, um so die gemittelten Sinuswellensignale in Richtung null Volt zu treiben. Diese Einstellungen werden beendet, wenn die Zählgeschwindigkeit unter die voreingestellte Geschwindigkeit fällt.
In einem ausführlichen Beispiel (nicht dargestellt) werden die Änderungen der Subtrahierspannungen mittels Ketten-Widerstandsnetzwerken von der Art, wie sie in Digital- Analog-Wandlern verwendet werden, in regelmäßigen Intervallen ausgeführt. Die Einstellungen werden von Aufwärts- Abwärts-Zählern, die durch einen Takt erhöht werden, "erinnert" und geändert. Eine ähnliche Anordnung wird dazu verwendet, die wechselnden Amplituden der Signale zu normalisieren. In diesem Fall ändern die Ketten-Widerstandsnetzwerke die Rückkopplungsverhältnisse von Verstärkern, um so deren Verstärkung zu verändern. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen wird entsprechend durch Ändern der wechselweisen Mischung der Signale eingestellt.
Es wird jedoch erkannt werden, daß das Verfahren des "Erinnerns" an die erforderlichen Gleichspannungspegel Veränderungen der Intensität der Lichtquelle nicht kompensiert, wenn die Änderungsgeschwindigkeit von L im System unter die voreingestellte Geschwindigkeit fällt, und falls eine genaue Weglängenmessung erreicht werden soll, bei Auflösungen von einem Nanometer oder besser, muß darauf geachtet werden. Eine Veränderung der Intensität um 2% würde in der Weglängenmessung einen "worst case" Fehler von 1,3 nm erzeugen. Hinsichtlich Frequenz und Intensität stabilisierte Laser besitzen typischerweise Kurzzeitveränderungen der Leistungsabgabe von 0,1% und unstabilisierte Mehrmoden-Laser solche von weniger als 2%.
Im Betrieb muß das mechanische System "trainiert" werden, bevor irgendwelche Messungen vorgenommen werden, um die Systemvariablen zu setzen. An diesem Punkt testet das elektronische System, um zu bestätigen, daß die Signalpegel und der Kontrast innerhalb annehmbarer Pegel liegen, was eine angemessene optische Justierung bestätigt. Nachfolgend sollten die während der Messungen erforderlichen Einstellungen klein sein und jegliche bedeutenden Abweichungen werden überwacht, um auf teilweise Abdunkelung von Strahlen oder andere optische Störungen zu prüfen, die auf zweifelhafte Meßbedingungen hinweisen könnten.
Zu Testzwecken wurde die Leistungsfähigkeit des Systems durch Überwachen der zwei Ausgangsspannungen eines Michelson-Interferometers mit einem Computersystem ausgewertet. Die Signale I&sub1; und I&sub2; (Gleichungen (2) und (3)) wurden für sehr langsame Bewegungen mit Digital-Voltmetern gleichzeitig für viele verschiedene Werte von L ausgelesen. Die Gleichstrom- und Wechselstrompegel und der Phasenterm wurden dann durch eine Näherung nach der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Diese Messungen ergaben, daß der Fehler in jedem Term leicht unter 1% gehalten werden kann, was periodischen Fehlern von weniger als einem Nanometer entspricht. Die Auflösung des Systems näherte sich unter Laborbedingungen mit einem polarisierten unstabilisierten 6 mW Laser und optischen Weglängen von wenigen Zentimetern 0,1 nm, was auf die außerordentliche Leistung hinweist, die durch das System erreicht werden kann.
Zur Erreichung bester Genauigkeit verwenden Interferometer zur Längenmessung frequenzstabilisierte Einmoden- Laser. Es ist jedoch gewöhnlich unnötig, frequenzstabilisierte Höchstleistungs-Referenz-Jodlaser zu verwenden. Solche Laser weisen Stabilitäten von 1x10&supmin;¹¹ und eine absolute Frequenzgenauigkeit (für Wellenlängen im Vakuum) von 1x10&sup9; auf. Es ist einfacher, Zeeman-stabilisierte oder durch Intensitätsabgleich stabilisierte He-Ne-Laser zu verwenden, die Genauigkeiten zwischen 1x10&supmin;&sup8; und 1x10&supmin;&sup7; aufweisen. Alternativ können mit dem vorgeschlagenen System in Anwendungen, bei denen die Änderungen der optischen Wegdifferenz weniger als einige Zentimeter betragen, unstabilisierte Mehrmoden-Laser verwendet werden, was wesentliche Vorteile hinsichtlich Kosten und Zuverlässigkeit bietet. Wie in Figur 13 gezeigt ist zum Beispiel die Intensität eines polarisierten unstabilisierten 6 mW Mehrmoden-Lasers nach einer Aufwärmzeit von 30 Minuten äußerst stabil. Figur 14 und 15 zeigen die Moden-Intensitäten zweier derartiger Laser. Es sind die doppler-verbreiterten Einhüllenden der Leistungsvariationen gezeigt, zusammen mit Darstellungen von "Schnappschüssen" der relativen Leistungen und Frequenzen der drei Moden, die gemeinsam vorhanden sind. Diese drei Moden halten ihre relative Aufspaltung aufrecht, driften jedoch entlang der Frequenzachse um eine Modenaufspaltung, wenn sich der Laser um je ein g/2 erweitert, wobei ihre Leistung durch die Umhüllende angegeben ist. Die "effektive" Frequenz eines derartigen Lasers ist das gewichtete Mittel der drei Moden, das sich, wie Berechnungen aus diesen Diagrammen zeigen, für alle Modenpositionen unter der Einhüllenden um weniger als 1x10&supmin;&sup7; verändert.
Unpolarisierte Laser sind nicht empfehlenswert, da ein unpolarisierter Laser, obwohl die Phasenverschiebung des Strahlteilers unempfindlich gegenüber der Polarisationsebene ist, seinen effektiven Polarisationszustand (z.B. durch Temperaturänderungen) so schnell verändern kann, daß der elektronische "Kompensationsspeicher" von Figur 11 oder Figur 12 unangebracht wäre.
Die elektronischen Systeme (Figur 11 und 12) verarbeiten ständig und automatisch die beiden Interferometersignale, um aus dem Instrument sowohl für das genaue Zählen als auch für die Unterteilung von Streifen ein hohes Leistungsniveau zu erhalten.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung verwendet einen Jamin-Strahlteilerblock 131 wie in Figur 16 gezeigt. Bei dieser Anwendung ist die vordere Oberfläche 133 des Strahlteilers teilweise mit einem halbdurchlässigen Metallfilm 135, 137 beschichtet und die hintere Oberfläche 139 entweder mit einer vollständig reflektierenden Beschichtung oder, falls eine Intensitätsreferenz erforderlich ist, einem Reflektor mit teilweiser Durchlässigkeit 141, 143. Die optischen Wege der Interferenzstrahlen laufen über Fenster 144, 146 jeweils durch äußere 145 und innere 147 Gaskammern mit Gaseinlaßventilen 151, 153 und Gasauslaßventilen 155, 157. Die Ausgänge der Detektoren 334, 336 können die Eingaben für die elektronischen Schaltungen von Figur 11 oder Figur 12 liefern.
Sowohl Michelson- als auch Jamin-Systeme, die in Figur 9 und 16 gezeigt sind, können auch zum Messen der Verschiebung von Flachspiegeln verwendet werden. Bei dieser Anwendung ist es möglich, das System unempfindlich gegenüber einer Neigung der Spiegel zu machen, indem ein Hybrid-Retroreflektor erzeugt wird. Dies wird durch Verwenden eines Würfelecken-Retroreflektors, eines polarisierenden Strahlteilers und einer λ/4-Platte in Verbindung mit einem Flachspiegel erreicht. Die in dieser Kombination beteiligten Polarisationsverfahren sollen die Kopplungseffizienz der Reflektorkombination erhöhen und beeinflussen nicht die Einstellung der Phasendifferenz von 90º. Eine schlechte Justierung der polarisierenden Komponenten führt nur zu einem Abfall des Kontrasts, der durch das elektronische System automatisch korrigiert wird.
Figur 17 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform von Figur 9, in der ein Flachspiegel 171 für die Messung einer Verschiebung in der Richtung ZZ' verwendet wird. Um den Spiegel neigungsunabhängig zu machen, werden ein polarisierender Strahlteiler 173 und eine Viertelwellenplatte 375 eingebracht.
Die Empfindlichkeit wird durch das doppelte Durchlaufen des Spiegels verbessert.
Das Luftrefraktometer ist effektiv ein Retroreflektor- Jamin-Interferometer mit gemeinsamem Weg. Figur 18 zeigt eine anstelle des Retroreflektors 16 in der Ausführungsform von Figur 16 angebrachten zweifachen Flachspiegeladapter 181 zur Bildung eines Dilatometers/Interferometers mit Differential-Flachspiegel.
In der Anordnung von Figur 19, die eine Weiterentwicklung der Ausführungsform von Figur 18 darstellt, sind die zweifachen Spiegel 181 getrennt und jeder 191, 193 besitzt einen entsprechenden Retroreflektor 195, 197.
Eine praktische Anwendung der Anordnung von Figur 19 ist eine zweidimensionale Positionsmeßvorrichtung zur Verwendung mit einem Sondenträger zum Beispiel für ein Tunnelmikroskop.
Ein Laserstrahl 201 wird durch eine Strahlteiler 203 in zwei Teilstrahlen 205, 207 geteilt, die für X- und Y-Messungen verwendet werden. Der erste Teilstrahl 205 läuft über einen ersten Jamin-Strahlteiler 209 und eine Kombination aus Retroreflektor, polarisierendem Strahlteiler und Viertelwellenplatte 211, 213, 215 zu Spiegeln 217, 219 jeweils auf einem Sondenträger 221 und einer Substrathalterung 223. Die Messung der zurückkehrenden Strahlen erfolgt mittels eines Interferogramm-Fotodetektors 225 und eines Intensitätsreferenz-Fotodetektors 227. Orthogonale Messungen erfolgen mit dem von Spiegeln 229, 231 zu einem zweiten Jamin-Strahlteiler 223 und einer Kombination aus Retroreflektor, polarisierendem Strahlteiler und Viertelwellenplatte 235, 237, 239 und Spiegeln 241, 243 jeweils auf einem Sondenträger und einer Substrathalterung reflektierten zweiten Teilstrahl 207. Die Messung der zurückkehrenden Strahlen erfolgt mittels eines Interferogramm-Fotodetektors 245 und eines Intensitätsreferenz-Fotodetektors 247.
Figur 21 ist eine isometrische Ansicht der Vorrichtung und zeigt eine Sondenhalter 249 mit Spiegelarmen 251, 253 bestehend aus Zerodur oder anderem Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten.
Mit einem System dieser Art ist über einen Bereich von 50 mm etwa 1 nm durch die Atmostphäre verursachtes Rauschen pro 25 mm vorhanden. Dies bedeutet, daß es möglich ist, über einen Bereich von 50 mm einen unstabilisierten Laser wie beispielsweise einen Diodenlaser zu verwenden.
Obwohl Ausführungsformen unter Verwendung von Filmen aus Gold und Chrom für die Beschichtung zur Phasenverschiebung um 90º beschrieben wurden, ist es auch möglich, andere Metallfilme wie beispielsweise aus Aluminium zu verwenden, um die notwendige Phasenverzögerung zu erhalten.
Zusammenfassend werden die Meßsignale bei den Zweistrahl-Interferometersystemen gemäß spezifischen Ausführungsformen der Erfindung aus zwei optischen Ausgaben des Interferometers erzeugt. Die für bidirektionales Zählen und Unterteilung von Streifen erforderliche Phasendifferenz zwischen diesen Signalen von annähernd 90º wird durch Einsatz eines Aufbaus der Beschichtung des Strahlteilers aus dünnem Metallfilm erzeugt. Dies steht im Gegensatz zu der üblicheren Verwendung einer Aufbaus des Strahlteilers aus vollständig dielektrischem Film und einer Phasenverzögerungsplatte zum Manipulieren der Phasendifferenz zwischen zwei orthogonal polarisierten Komponenten einer einzelnen optischen Ausgabe. Das beschriebene System vermeidet die Kosten und die Justierung aller Komponenten, die an Systemen, die diese Polarisationsverfahren anwenden, beteiligt sind. Es ist unempfindlich gegenüber Polarisationseffekten und vermeidet die durch die Polarisationslecks, die Überlagerungs-Längenmeßinterferometer beeinflussen, bewirkten zyklischen Fehlerprobleme.
Alle elektronischen Einstellungen werden durch das elektronische System automatisch gesteuert. Diese Instrumente sind ökonomisch in der Herstellung und einfach in der praktischen Anwendung und erreichen bei der Messung von Änderungen des optischen Wegs leicht Auflösungen im Sub-Nanometer-Bereich.

Claims

1. Bidirektionales, streifenzählendes Einfrequenz-Interferometersystem mit:

- einer optischen Quelle zum Bereitstellen eines optischen Einfrequenz-Strahls (306);

- einer Strahlteilereinrichtung (302) zum Teilen des optischen Strahls in einen Referenzstrahl (310) und einen Meßstrahl, wobei die Strahlen eine Phasendifferenz von ungefähr 90º aufweisen;

- einer optischen Einrichtung (314, 316), um aus dem Referenzstrahl und dem Meßstrahl zwei interferierende Strahlen mit einer Weglängendifferenz bereitzustellen, die in Beziehung mit einer zu messenden Verschiebung steht;

- zwei Lichtsensoreinrichtungen (334, 336), die so angeordnet sind, daß sie je einen interferierenden Strahl empfangen und entsprechende elektrische Signale, die jeweils einen Wechselstrom- und einen Gleichstromanteil aufweisen, bereitstellen, wobei die Signale eine Phasendifferenz aufweisen, die der durch die Strahlteilereinrichtung hervorgerufenen Phasendifferenz gleich ist;

gekennzeichnet durch:

- eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der Signale, um:

a) ihre Phasendifferenz ständig zu messen und, wenn erforderlich, sie so zu verändern, daß sie gleich 90º ist (46, 48, 50);

b) die Änderungsgeschwindigkeit der Weglängendifferenz ständig zu messen und mit einer voreingestellten Änderungsgeschwindigkeit zu vergleichen und, wenn die gemessene Geschwindigkeit die voreingestellte Geschwindigkeit übersteigt, die jeweiligen Gleichstromanteile von den beiden Signalen abzuziehen (42, 43, 44, 45, 60, 62, 64);

c) die Größen der Wechselstromanteile der Signale ständig zu vergleichen und, wenn sie nicht gleich sind, die Wechselstromanteile zu normalisieren (52, 54, 56, 58); und

d) die vorgenommenen Einstellungen zu speichern (64);

- eine Einrichtung (66, 68) zum Zählen von Streifen und zum Bestimmen von Streifenbruchteilen; und

- eine Anzeigeeinrichtung zum Bereitstellen von die Verschiebung und den Streifenbruchteil betreffenden Anzeigen (66, 68).

2. Interferometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor jeder Weglängendifferenz-Messung das System anfänglich kalibriert wird, indem der Phasensensor (50) die Phasendifferenz der Signale mißt und die Phaseneinstelleinrichtung (46, 48) sie so verändert, daß sie gleich 90º ist.

3. Interferometersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz der Signale durch den Betrieb einer Signaladdier- und Signalsubtrahiereinrichtung (94, 96) verändert wird und die Normalisierung der Wechselstromanteile der Signale mittels einer Wechselstrompegel-Einstelleinrichtung (98, 100) erfolgt.

4. Interferometersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es in einer ersten Betriebsweise betreibbar ist, bei der sich die Weglängendifferenz mit einer relativ hohen Zählgeschwindigkeit verändert und das System wechselstromgekoppelt ist; und daß es in einer zweiten Betriebsweise betreibbar ist, bei der sich die Weglängendifferenz mit einer Zählgeschwindigkeit ändert, die niedrig genug für eine Digitalisierung ist und das System gleichstromgekoppelt ist.

5. Interferometersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Betriebsweise eingesetzt wird, wenn sich die Weglängendifferenz mit einer Geschwindigkeit ändert, die einer Streifenfrequenz von mehr als 10 MHz entspricht.

6. Interferometersystem nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß es in einer dritten Betriebsweise betreibbar ist, bei der sich die Weglängendifferenz mit einer unter einer zweiten voreingestellten Schwelle liegenden Zählgeschwindigkeit verändert und die Signalpegelkorrekturen gespeichert und auf ihren jeweiligen Werten gehalten werden.

7. Interferometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Quelle ein Laser ist, der eine Kurzzeitveränderung der Leistungsabgabe von weniger als 2 % aufweist.

8. Interferometersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung weniger als 0,1 % beträgt.

9. Interferometersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein polarisierter Helium-Neon-Laser ist.

10. Interferometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung ein Michelson-Interferometer (302, 314, 316, 322) aufweist.

11. Interferometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung ein Jamin-Interferometer (16, 131) aufweist.

12. Interferometersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Jamin-Interferometer ein Gasrefraktometer (16, 131, 145, 147) ist.

13. Interferometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner einen Hybrid-Retroreflektor (16, 171, 173, 175) aufweist.

14. Interferometersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hybrid-Retroreflektor einen Würfelecken-Retroreflektor (16), einen polarisierenden Strahlteiler (173), eine Viertelwellenplatte (175) und einen Flachspiegel (171) aufweist, wobei der Flachspiegel so angeordnet ist, daß er die zu messende Weglängendifferenz bereitstellt, und die Anordnung derart ist, daß der Flachspiegel neigungsunempfindlich ist.

15. Interferometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung einen teilreflektierenden Metallfilm (304) aufweist.

16. Interferometersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der teilreflektierende Metallfilm (304) eine Schichtung mit drei Schichten aufweist, die eine 4 nm dicke Chromschicht aufweist, die mit einem 16 nm dicken Goldfilm und dann mit einem weiteren Dickfilm aus Chrom mit einer Dicke zwischen 5 nm und 6 nm beschichtet ist.

17. Interferometersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der teilreflektierende Metallfilm (304) Aluminium aufweist.

18. Bidirektionales, streifenzählendes Einfrequenz-Interferometersystem mit:

- einer Laserquelle zum Bereitstellen eines optischen Strahls (306) der Wellenlänge λ;

- einem Strahlteiler (302) zum Teilen des optischen Strahls in einen Referenzstrahl (310) und einen Meßstrahl (312), wobei die Strahlen eine Phasendifferenz φ von ungefähr 90º aufweisen;

- einer optischen Einrichtung (314, 316), um aus dem Referenzstrahl und dem Meßstrahl zwei interferierende Strahlen mit einer Weglängendifferenz L bereitzustellen, die in Beziehung mit einer zu messenden Verschiebung steht;

- zwei Fotodetektoren (334, 336), die so angeordnet sind, daß sie je einen interferierenden Strahl empfangen und entsprechende elektrische Signale der Intensität I&sub1; bzw. I&sub2; bereitstellen, wobei

I&sub1; = (a&sub1;² + a&sub2;²) + 2a&sub1;a&sub2;cos(2πL/λ) und

I&sub2; = (b&sub1;² + b&sub2;²) + 2b&sub1;b&sub2;cos(2πL/λ + φ)

wobei a&sub1;, a&sub2; die jeweiligen Amplituden der Teile des Referenzstrahls und des Meßstrahls sind, die den ersten interferierenden Strahl bilden, und

b&sub1;², b&sub2; die jeweiligen Amplituden der Teile des Referenzstrahls und des Meßstrahls sind, die den zweiten interferierenden Strahl bilden;

gekennzeichnet durch:

- eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der beiden Signale, um:

a) die Phasendifferenz φ ständig zu messen und, wenn erforderlich, sie so zu verändern, daß sie gleich 90º ist (46, 48, 50);

b) die Änderungsgeschwindigkeit der Weglängendifferenz L ständig zu messen und mit einer voreingestellten Änderungsgeschwindigkeit zu vergleichen und, wenn die gemessene Geschwindigkeit die voreingestellte Geschwindigkeit übersteigt, die Anteile a&sub1;² + a&sub2;² vom Signal I&sub1; abzuziehen und den Anteil b&sub1;² + b&sub2; vom Signal I&sub2; abzuziehen (42, 43, 44, 45, 60, 62, 64);

c) die Größen der Anteile a&sub1; a&sub2; und b&sub1; b&sub2; ständig zu vergleichen und, wenn sie nicht gleich sind, sie zu normalisieren (52, 54, 56, 58); und

d) die vorgenommenen Einstellungen zu speichern (64);

- eine Anzeigeeinrichtung zum Bereitstellen von die Verschiebung und den Streifenbruchteil (66, 68) betreffenden Anzeigen.

19. Bidirektionales, streifenzählendes Einfrequenz-Interferometersystem zum Messen von Weglängendifferenzen in zwei orthogonalen Richtungen, mit:

- einer optischen Quelle zum Bereitstellen eines optischen Einfrequenz-Strahls (201);

- drei Strahlteilereinrichtungen (203, 209, 233) zum Teilen des optischen Strahls in einen ersten und einen zweiten Referenzstrahl und einen ersten und einen zweiten Meßstrahl, wobei die Meßstrahlen eine Phasendifferenz von ungefähr 90º zu den Referenzstrahlen aufweisen;

- einer optischen Einrichtung (211, 213, 215, 217, 219 und 235, 237, 239, 241, 243), um aus jedem von einem Referenzstrahl und einem Meßstrahl gebildeten Paar zwei interferierende Strahlen bereitzustellen, die jeweils Weglängendifferenzen aufweisen, die mit einer der zu messenden orthogonalen Verschiebungen in Beziehung stehen;

- vier Lichtsensoreinrichtungen (225, 227, 245, 247) zum Empfangen je eines interferierenden Strahls und zum Bereitstellen entsprechender elektrischer Signale, die jeweils einen Wechselstrom- und einen Gleichstromanteil aufweisen, wobei die Signale Phasendifferenzen aufweisen, die der durch die Strahlteilereinrichtung hervorgerufenen Phasendifferenz gleich sind;

gekennzeichnet durch:

- eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten der vier Signale, um für jedes von einem Referenzstrahl und einem Meßstrahl gebildete Paar:

b) die Änderungsgeschwindigkeit der Weglängendifferenz ständig zu messen und sie mit einer voreingestellten Änderungsgeschwindigkeit zu vergleichen und, wenn die gemessene Geschwindigkeit die voreingestellte Geschwindigkeit übersteigt, die jeweiligen Gleichstromanteile von den beiden Signalen abzuziehen (42, 43, 44, 45, 60, 62, 64);

c) die Größen der Wechselstromanteile des Signalpaares ständig zu vergleichen und, wenn sie nicht gleich sind, die Wechselstromanteile zu normalisieren (52, 54, 56, 58); und

d) die vorgenommenen Einstellungen zu speichern (64);

- eine Anzeigeeinrichtung zum Bereitstellen von die Verschiebung und den Streifenbruchteil für jede orthogonale Richtung betreffenden Anzeigen (66, 68).

20. Verfahren zum bidirektionalen Zählen von Streifen in einem Einfrequenz-Interferometersystem, mit:

- Bereitstellen eines optischen Einfrequenz-Strahls;

- Teilen des optischen Strahls in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl, wobei die Strahlen eine Phasendifferenz von ungefähr 90º aufweisen;

- Bereitstellen zweier interferierender Strahlen aus dem Referenzstrahl und dem Meßstrahl, die eine Weglängendifferenz aufweisen, die mit einer zu messenden Verschiebung in Beziehung steht;

- Messen jedes interferierenden Strahls und Bereitstellen entsprechender elektrischer Signale, die jeweils einen Wechselstrom- und einen Gleichstromanteil aufweisen, wobei die Signale eine Phasendifferenz aufweisen, die gleich der von der Strahlteilereinrichtung hervorgerufenen Phasendifferenz ist;

- Verarbeiten der Signale, um:

a) ihre Phasendifferenz ständig zu messen und, wenn erforderlich, sie so zu verändern, daß sie gleich 90º ist;

b) die Änderungsgeschwindigkeit der Weglängendifferenz ständig zu messen und sie mit einer voreingestellten Änderungsgeschwindigkeit zu vergleichen und, wenn die gemessene Geschwindigkeit die voreingestellte Geschwindigkeit übersteigt, die jeweiligen Gleichstromanteile von den beiden Signalen abzuziehen;

c) die Größen der Wechselstromanteile der Signale ständig zu vergleichen und, wenn sie nicht gleich sind, die Wechselstromanteile zu normalisieren; und

d) die vorgenommenen Einstellungen zu speichern;

- Zählen und Bestimmen von Bruchteilen der Interferenzstreifen in den interferierenden Strahlen; und

- Anzeigen des Streifenzählwerts und eines Streifenbruchteils, um die Verschiebung anzuzeigen.