JPH05346305A

JPH05346305A - 移動体の位置およびその位置測定の時間を測定する方法と装置

Info

Publication number: JPH05346305A
Application number: JP4320768A
Authority: JP
Inventors: Alan H Field; エイチ．フィールドアラン; Joseph Bakach; バカックジョセフ
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 1993-12-27
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: US5249030A; JP2845700B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】位置もしくは長さの測定とともにその測定の
正確な時間を同時に測定する非常に高い正確さの方法と
装置を提供する。【構成】発振器２０が発した一定の基準周波数だけ周
波数が異なる一対の直角方向に偏光された光ビーム２
４，２６が、ヘテロダイン干渉計２８のそれぞれの固定
された可変長経路に向けられて通過し、次いで混合さ
れ、次に検出器４６に送られ、その検出器４６が可変経
路長の変化によって変化する位相を有する電気測定信号
を発する。測定信号の位相の変化は、測定信号の既知の
位相が時間の間隔をおいて出現することによって規定さ
れるサンプリング時の間の基準周波数信号のサイクル毎
の位相の変化をカウントすることによって測定される。
得られたカウントは、可変長経路の長さの変化と、サン
プリング時の間の経過時間間隔の両方を測定するのに、
同時に使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、長さもくしは位置の
変化を測定し、さらに前記の長さもしくは位置の測定時
間を測定する方法と装置に関し、さらに詳しくは、前記
測定時間の測定の確実性と正確さを増す干渉計に基づい
た装置に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】位
置、長さ、距離もしくは光学的長さを測定するのに干渉
計を使用することは公知である。かような干渉計による
測定が行われる正確な時間をより高い正確さで測定する
ことに対する要望と必要性が急激に増大したため、位置
を測定する時間を計算するのに用いる現在知られている
方法と装置に固有の不確実さの各種の原因を減らして最
小にするための多くの努力がなされている。これらの従
来技術の方法は、明らかに正確さが向上するように実際
に行われる時間測定が変形もしくは修正される場合の予
め決められた外挿定数に信頼性を与えるために時間測定
の遅延を注意深く制御することに、主として集中されて
きた。しかしこのような方法は複雑かつ高価であり、例
えば機械部品の摩耗および年数と熱によってもたらされ
る測定電子機器の作動の変化のような、内部の実質的に
制御されていない力を受ける。

【０００３】

【課題を解決するための手段】この発明は、位置測定が
行われる同じタイムベース由来のデータを用いて、測定
時間を直接測定することによって、長さもしくは位置の
測定時間を正確に提供する方法と装置を提供するもので
ある。この発明の好ましい実施態様では、時間測定は、
例えば干渉計の可動式再帰反射器のようなエレメントの
位置の変化によって変化する電気測定信号を提供するよ
う作動可能な従来技術のヘテロダイン干渉計装置を利用
して達成することができる。この可動式再帰反射器は、
第１光ビームが通過する可変長経路の一部を形成し、か
つ干渉計は、さらに、第２の光ビームが通過する固定長
経路を備え、第１と第２のビームは、相対的に直角方向
に偏光され、発振器で生成された基準周波数だけ周波数
が異なる。ビームは、干渉計から出た後に混合され、そ
の混合ビームは、測定信号もしくは干渉信号を発する検
出器に送られる。

【０００４】この発明によれば、基準信号に対する測定
信号の位相の変化は、好ましくは、測定信号の既知の位
相に対する基準周波数信号の位相の変化を監視する電子
回路で測定される。このような測定値は測定信号の各サ
イクル毎に収集される。測定信号の既知位相の時間間隔
をおいた、すなわち、逐次の出現によって規定されるサ
ンプリング時の間での基準信号の位相変化の数値は、こ
れらサンプリング時の間での干渉計の可動式再帰反射器
エレメントの位置の変化を示す。さらに基準信号の周期
は一定でかつ既知であるから、サンプリング時の間での
基準信号の位相の変化の数値のカウントは、簡単な計算
で直接に変換することができ、サンプリング時の間の経
過時間の間隔の尺度を与える。逐次時間間隔をおいたサ
ンプリング時の複数対についての位置の変化と時間間隔
の測定値は、個々のサンプリング時の対の測定値を、例
えば一連の加算器および／または論理ゲートで合計もし
くは蓄積して、最後のもしくは現在のサンプリング時に
おいて全体の位置の変化と実際の時間を提供することに
よって得ることができる。

【０００５】この発明のその外の特徴は、添付図面を参
照した以下の詳細な説明によって明らかになるであろ
う。しかし図面は、例示を目的として作製したに過ぎ
ず、この発明を限定するものではなく、この発明は本願
の特許請求の範囲によって定義されると解すべきであ
る。

【０００６】この発明は、例えば長さすなわち光学的長
さのような位置の相対的変化と、逐次サンプリングもし
くは位置の測定が行われる経過時間の間隔の両方を、優
れた正確さと従来得られていない確実さで、各サンプリ
ング時もしくは各測定時に、同時に測定するように作動
可能な装置、好ましくは干渉計システム、および最も好
ましくはヘテロダイン干渉計システムに関する。この発
明はさらに、長さもしくは位置の相対的変化と、この各
測定時間もしくは測定間の経過時間の間隔とを同時に測
定する方法に関する。各場合において、位置と時間のデ
ータは、本願に開示された好ましい実施態様において、
例えば偏光ビームスプリッター形の干渉計のような干渉
計から出力される一対の光ビームの干渉および測定され
た位相差に対して応答して発せられる周期的電気信号か
らもたらされた同じ基本的な客観データからいっしょに
直接誘導される。さらに詳しくは、対象の経時変化する
長さもしくは位置、またはサンプリング時の間でのその
長さもしくは位置の変化の測定は、電気測定信号の既知
の位相の時間間隔をおいた出現もしくは逐次の出現で規
定されるサンプリング時の間での周波数安定化基準電気
信号の位相の変化を確認することによって行われる。ま
た上記の電気測定信号は、干渉計から出力される干渉計
の光ビームの干渉に応答して発せられ、測定すべき、経
時変化する長さもしくは位置によって変化する。基準電
気信号の既知の周波数特性は、この発明によって、干渉
計の位置測定の正確な時間を測定する従来の技術に固有
の不確実さの多くの原因によってほとんど損なわれるこ
となく、優れた正確さで各サンプリング時の時間を同時
に測定するのに、同時に利用される。

【０００７】この発明の好ましい実施態様において、こ
の発明の改良は、例えば１９８７年８月２５日に特許が
付与されたゾンマーグレン(Sommargren)らの米国特許第
４，６８８，９４０号に開示されているようなヘテロダ
イン干渉計システムに適用され、このシステムとともに
実施されている。したがって、この発明がそれとともに
開示されている基本的な干渉計システムは、いくぶん広
く、不必要な詳細ははぶいて記載してあり、それ以上の
詳細は前記のゾンマーグレンの特許に記載されている。
したがって米国特許第４，６８８，９４０号の全開示事
項と内容は本願に援用して、本願の一部を構成するもの
とする。しかし、この発明の改良をゾンマーグレンの特
許の干渉計システムに適用することは、実施例としての
み行うのを目的とするものであるから、実際にこの発明
の改良は、光測定システムを含めかつ光測定システムに
加えて、放射エネルギーすなわち全周波数領域の電磁エ
ネルギーを用いる広範囲の放射線源と放射装置に等しく
適用することができる。

【０００８】図１は、前記ゾンマーグレンの特許に開示
されている一般形のヘテロダイン干渉計（番号１０で示
す）の概略図である。光源１２（レーザが最も好まし
い）が、単一の安定化された周波数を有する光エネルギ
ーの直線的に偏光されたビーム１４を発生する。光源１
２の特定の形式と構造およびその出力ビーム１４の必要
な直径と拡散によって、光源からの光ビームは、全体
（破線の四角枠１５で示す）、さもなければ適切に配置
された付属のビーム形成光学素子１６を通過し、次に音
響光学（Ａ−Ｏ）装置１８に向こうがこの装置１８は例
えばブラッグセル、ビーム結合プリズム、通孔および拡
大光学機械を備えた装置である。音響光学装置１８は、
周波数がｆ₀の固定周波数もしくは周波数安定化基準電
気信号Ｆ_Rの、クリスタル駆動などの電子発振器２０も
しくは類似のソースによって駆動されるが、この信号Ｆ
_Rは固定周波数タイムベースを与えかつ電力増幅器２２
を通じてＡ−Ｏ装置１８に加えられる。

【０００９】よく知られているように、この音響光学装
置は、強度は実質的に等しいが、周波数が、発振器２０
が発信する安定化基準電気信号Ｆ_Rの周波数すなわちｆ₀
だけ互いに異なる一対の光ビーム２４、２６を応答して
発生し出力するように製作されている。これらのビーム
は、各々水平と垂直の偏波を有し、水平偏波の１つのビ
ームと垂直偏波の１つのビームに変換されるが、これら
の直角方向に偏極されたビームは、ゾンマーグレンの米
国特許第４，６６８，９４０号に記載されている実施例
に示されているように、周波数がｆ₀だけ異なる。周波
数ｆ₀は例えば２０ＭＨｚのオーダーである。光ビーム
２４，２６は、表示の明確さと便宜のために図１には互
いにわずかに横にづらして示されているが同一直線上に
ある。

【００１０】前記の直角方向に偏光されたビーム２４，
２６は、例えば偏光ビームスプリッター形装置のような
干渉計２８に加えられる。図示されている装置２８にお
いて、偏光ビームスプリッター３０は、ｓ偏光すなわち
反射されて第１再帰反射器３２に向かう入射ビーム２６
の入射面に直角の偏光ベクトルを有する光を完全に反射
する。再帰反射器３２は、ｓ偏光ビームがもう一度反射
されて出力ビーム３４を形成するビームスプリッター３
０に、ｓ偏光ビームを再帰反射して戻す。再帰反射器３
２は、ビームスプリッター３０に対して位置が固定さ
れ、干渉計を貫通し光ビーム２６が通過する一定の長さ
の経路を形成する。

【００１１】ビームスプリッター３０は、対応して、ｐ
偏光、すなわち、ビームスプリッターを通過して第２再
帰反射器３６に至る入射ビーム２４の入射面内にその偏
光ベクトルを有する光を完全に透過させる。

【００１２】再帰反射器３６は、ビーム２４を再帰反射
して戻し、もう一度ビームスプリッター３０を通過させ
て出力ビーム３８として放出する。出力ビーム３４と３
８は、干渉計２８に対する入射ビーム２４、２６と同様
に同一直線上にあり、直角方向に偏光されている。第２
再帰反射器３６は、ビームスプリッター３０に対して図
１の矢印で示す相反する方向で入射ビーム２４に平行に
移動可能もしくは変位可能であり、その結果、光ビーム
２４の可変長の経路を形成する。再帰反射器３６が移動
するとき、出力ビーム３８の位相はその変位の関数とし
て変化する。

【００１３】出力ビーム３４、３８は、これらビームの
平行部分と重なり部分を混合してこれらの各ビームに同
じ偏光の成分を与える混合偏波器４０に送られる。生成
した、同様に偏光されたビーム４２、４４は、光ダイオ
ードなどのような光電検出器４６に加えられ、その出力
４８に電気測定信号すなわち干渉信号Ｆ_Mを発する。こ
の信号Ｆ_Mは、ビーム４２の（ビーム２６が通過する固
定長経路からの）固定位相角と（第２再帰反射器３６の
変位で変化する）ビーム４４の位相との差に等しい位相
時間を、いつでももっている。したがって信号Ｆ_Mの位
相は、第２再帰反射器３６の相対的位置もしくは変位の
変化、換言すれば入射光ビーム２４が干渉計２８に入射
して通過する経路の可変長さの変化の関数として変化す
る。

【００１４】測定信号Ｆ_Mと基準信号Ｆ_Rとは、位相メー
タ／アキュムレータ５０に送られて使用され、以下に説
明するように、サンプリング等もしくは測定時の、干渉
計の可変長光経路の長さの変化に対応する出力、および
特にこの発明によれば、サンプリング時の経路長測定の
時間に対応して、例外的な正確さと確実性で別個にかつ
同時に誘導される出力を発する。測定信号Ｆ_Mの位相変
化は、予め決めたサンプリング時に、測定信号の位相を
基準信号Ｆ_Rの位相と比較することによって、より詳し
く測定される。測定信号の基準信号に対するこれらの位
相変化が累積され、位置（すなわち経路長）の変化と、
経過したサンプリング時間と測定時間を示す。この発明
における好ましい実施態様の位相メータ／アキュムレー
タ５０を図２と３に実施例として示す。

【００１５】測定信号Ｆ_Mの位相の変化を測定もしくは
決定する装置を図２に示す。発信器が発した基準信号Ｆ
_Rは周波数割算器５２に送られ、そこで信号は“Ｎ”で
除算され、次に位相同期ループ（ＰＬＬ）５４のような
周波数マルチプライヤに送られ、そこで信号は“Ｍ”で
掛算される。該マルチプライヤの出力５６は、下記式１
で定義される周波数スケール化（周波数でスケーリング
された）基準信号Ｆ_R'である。Ｆ_R'＝Ｆ_R＊Ｍ／Ｎ式１

【００１６】マルチプライヤ５４からの信号Ｆ_R'は次に
周波数割算器５８に送られ、そこでさらに“Ｐ”で除算
されて、下記式２で定義される中間基準信号Ｆ_R"を発す
る。Ｆ_R"＝Ｆ_R＊Ｍ／ＮＰ式２

【００１７】この発明の好ましい実施態様において、Ｍ
＝１６、Ｎ＝５およびＰ＝４であり、基準発振器周波数
ｆ₀が２０ＭＨｚの場合、スケール化基準周波数Ｆ_R'は
６４ＭＨｚで中間基準周波数Ｆ_R"は１６ＭＨｚである。

【００１８】次に、この中間基準信号Ｆ_R"測定信号Ｆ_M
はともにミクサ６０に送られ、該ミクサの出力６２は低
域フィルタ６４に送られて通過する。ミクサ６０の出力
６２には、入力信号Ｆ_R"とＦ_Mの合計と差の周波数の両
方が含まれ、フィルタ６４を通過した後、得られた中間
測定信号Ｆ_M'は差の項しか含んでいない。Ｆ_M'＝Ｆ_M−Ｆ_R＊Ｍ／ＮＰ式３

【００１９】したがってミクサ６０は、低域フィルタ６
４と連結して、測定信号周波数Ｆ_Mを中間測定周波数Ｆ
_M'に混合する。ここで述べる実施態様では、信号Ｆ
_M'は、実質的に一定の周波数４ＭＨｚ±干渉計の再帰反
射器３４の相対運動で生じたドップラー周波数シフトで
ある。次に、中間測定信号Ｆ_M'は制限増幅器６６に送ら
れ、この増幅器は、その出力６８において、対応する実
質的に方形波のディジタル信号を、周波数Ｆ_M'で発す
る。増幅器６６からのディジタル化された信号Ｆ_M'とマ
ルチプライヤ５４からのスケール化基準信号Ｆ_R'は、基
準位相カウンタ／補間器７０に送られ、そこで修正され
た測定信号Ｆ_M'の予め決められたか、さもなければ既知
の位相が逐次出願する間のＦ_R'のサイクル数が測定され
る。

【００２０】基準位相カウンター／補間器７０の好まし
い実施態様を図３に示す。図３でもやはり便宜上Ｍ＝１
６、Ｎ＝５およびＰ＝４と仮定する。

【００２１】しかし当該技術分野の熟練者ならば、上記
の選択された値は、前記の作動周波数と同様に実質的に
設計上の選択の問題であり、開示された装置を適切に改
変することによって（適切な場合に）、変えて、この発
明の特別な目的の応用と実施を適合させることができる
ことが分かるであろう。いずれにしろ、信号Ｆ_M'は第１
にエッジ検出器および補間のエレメント７２に送られ
る。エレメント７２のエッジ検出器は、Ｆ_M'のディジタ
ル化波形の正の側の各エッジもしくは零交差を検出し、
応答して、その更新論理出力７４を発する。この更新許
可信号は、ダウンカウンタ７８のＰＲ（事前設定）入力
７６、およびその入力としてカウンタ７８の出力（カウ
ント）８３を受けるラッチングレジスタすなわちラッチ
８２のＥＮ（許可）入力８０に送られる。またカウンタ
は、その入力８４へ、カウンタのＰＲ入力７６に加えら
れる更新信号が発せられるときにカウンタが事前設定さ
れる事前設定カウントＰＣを受けるが、図３に示す実施
態様では、その事前設定カウントＰＣはデシマル１５に
等しい。またエッジ検出器および補間器のエレメント７
２、カウンタ７８およびラッチ８２は各々、スケール化
基準信号Ｆ_R'によって同期式にクロックされるが、信号
Ｆ_R'は各々のＣＬ（クロック）入力に送られる。

【００２２】エレメント７２の補間器は、各種の経路長
もしくは可動式再帰反射器の位置およびサンプリング時
間の間隔の変化が測定される。位相測定の分解能を広げ
かつ増大する作動を行う。この目的のために、補間器
は、基準信号Ｆ_R'の各サイクルを“Ｑ”の等間隔セグメ
ントに細分する複タップ遅延線で作動され、上記セグメ
ントはＦ_R'の１／Ｑのサイクルに等しい出力−出力間の
間隔で等間隔に位置している“Ｑ”の遅延線出力をもっ
ている。図３の実施態様ではＱ＝８が好ましい。エレメ
ント７２の遅延線は例えば、１９８２年６月１日に発行
されたデマレスト(Demarest)の米国特許第４，３３２，
４７５号に詳細に開示された方式で実施される。なおこ
の米国特許の全内容は本願に援用するものとする。

【００２３】補間器遅延線への入力は修正された測定信
号Ｆ_M'であり、その遅延線の出力は、その“Ｑ−１”だ
けが本願に記載の発明の形態で利用され、基準信号Ｆ_R'
の全サイクル毎に一回、エレメント７２へのクロック入
力にしたがってサンプリングされる。これらの遅延線入
力は、未遅延信号Ｆ_M'とともに例えば８ビットのディジ
タルコードのようなコードを生成し、Ｆ_M'の正の側の零
交差が検出された場合のＦ_R'サイクルの正確なサブイン
ターバルを示す。

【００２４】それは逐次サンプリング時の間での位置と
時間の変化の測定に関する位相変化のデータであるか
ら、補間器出力８６は、２つの最も新しい補間差ＦＤ(f
ractional difference) であり、加算器８８の入力に送
られ、Ｑ＝８の場合、出力８６は補間差の３つの下位ビ
ットで構成されている。加算器８８への第２のすなわち
もうひとつの入力はラッチ８２の出力９０を受ける。以
下の説明で明らかになるが、加算器８８の出力９２は、
現在のサンプリング時“ｎ”とその直前のサンプリング
時“ｎ−１”との間での再帰反射器３６の位置の変化△
Ｐ（ｎ）（すなわち光ビーム２４の可変長経路の変化）
である。

【００２５】この加算器の出力△Ｐ（ｎ）は、同期的に
クロックされた位置データを蓄積する加算器９４の一方
の入力へ送られ、この加算器９４の出力９６はその第２
のすなわちもうひとつの入力に戻される。したがって加
算器９４は、その出力９６において、最も新しい測定時
もしくはサンプリング時“ｎ”の再帰反射器３６の現在
の更新位置Ｐ（ｎ）を提供する。

【００２６】またラッチ８２の出力９０は減算器１００
の一方の入力９８に送られ、減算器のもうひとつの入力
１０２に送られたデータから減算される。その第２の相
対的に正の入力１０２は事前設定されたＰＳを受け、そ
のＰＳは位相カウンタ／補間器７０の本願に開示した実
施態様ではデシマル１６に設定される。減算器１００の
出力１０４は、現在のサンプリング時“ｎ”とその事前
のサンプリング時“ｎ−１”との間の時間間隔△Ｔ
（ｎ）の直接の比較尺度であり、同期式にクロックされ
た時間データ蓄積加算器１０８の一方の入力１０６に送
られ、加算器１０８の出力１１０はそのもうひとつのす
なわち第２の入力１１２に戻される。したがって、時間
データ蓄積加算器の出力１１０は、全測定期間の開始時
（または全測定期間中のある予め決められたサンプリン
グ時）に対して、最も新しい測定時もしくはサンプリン
グ時“ｎ”における現在の更新時間Ｔ（ｎ）の尺度を与
える。

【００２７】また、エッジ検出器と補間器のエレメント
７２は、１１４に、論理信号蓄積を出力し、この出力
は、Ｆ_R'クロックで同期化された蓄積加算器９４、１０
８の各々のＥＮ（許可）入力に送られる。前記蓄積が発
せられると、出力７４に更新信号が発せられた後、予め
決められた固定された数のＦ_R'のサイクル例えば４サイ
クルで、加算器９４、１０８がデータの更新もしくは蓄
積の機能を実施可能になる。上記の更新信号と蓄積信号
の論理作動状態の変化の間のこの固定された時間遅延に
よって、蓄積加算器９４、１０８に、それぞれのアキュ
ムレータの出力Ｐ（ｎ）とＴ（ｎ）が同時に更新される
前に整定もしくは安定化するのに充分な機会が与えられ
る。

【００２８】各サンプリング時もしくは各測定時に、位
置の相対的変化とサンプリング時もしくは位置の測定が
行われる実質的に正確な時間との両方を同時に測定する
この発明の方法と装置の作動は当該技術分野の熟練者に
とって明らかであろう。図３に示す、本願に開示された
実施態様の基準位相カウンタ／補間器７０によって、エ
レメント７２のエッジ検出器は、Ｆ_M'で修正された測定
信号の波形の各サイクルの正の側のエッジもしくは零交
差の出現を検出することにサンプリング時を規定する。
エレメント７２の更新出力７４は、検出された各零交差
時に発せられ、その結果、カウンタ７８の電流コンテン
トをラッチするレジスタ８２が作動可能になる。

【００２９】またカウンタの入力７６への更新信号は該
カウンタを（その入力８４に送られたデータ“ＰＣ”を
通じて）デシマル１５に事前設定して、次に続くＦ_M'サ
イクルのカウントシーケンスを開始する。したがって、
固定された基準周波数のクロッキング信号Ｆ_R'の１サイ
クルが、カウンタを事前設定するために用いられ、Ｆ _R'
の続く各サイクルがカウンタを１だけ減数する。移動可
能もしくは変位可能な再帰反射器３６が休止し、かつＭ
＝１６、Ｎ＝５およびＰ＝４の場合、Ｆ_R'の正確に１６
のサイクルがＦ_M'の正の側の零交差の間に起こり、カウ
ンタの内容は更新出力が各々発せられるときに零に等し
くなる。

【００３０】逐次サンプリング時の間のＦ_R'のサイクル
数の整数の変化を示すラッチ８２の内容が、エレメント
７２の補間器から低次ビットで加算器８８に加えられる
が、上記の変化は、１サイクルより小さいＦ_R'の分数の
変化を示す、そのため、得られた位置測定の正確さと分
解能は充分に増大される。次に所定のサンプリング時
“ｎ”に対する加算器８８の△Ｐ（ｎ）出力９２は、エ
レメント７２からの蓄積信号が発せられたときに、直前
の“ｎ−１”のサンプリング時までに蓄積された位置の
変化に、位置データ蓄積加算器９４内で加算される。得
られた出力Ｐ（ｎ）は、測定区間の開始以後の干渉計の
位置もしくは干渉計の可変長経路の長さの全更新変化を
示す。測定区間の開始点は通常、Ｆ_M'の正の側のエッジ
とユーザーの供給する信号に対応する時間に、Ｐ（ｎ）
とＴ（ｎ）を零に設定することによって規定される。

【００３１】図３の基準位相カウンタ／補間器７０は、
位相可変の中間測定信号Ｆ_M'の正の側のエッジもしくは
零交差間の固定周波数Ｆ_R'サイクルの数を連続的に測定
し、その結果とデシマル１６との差をアキュムレータに
加えることによって、位相の変化を検出する。干渉計の
再帰反射器３６が休止した場合、Ｆ_R'の正確に１６のサ
イクルがＦ_M'の正の側の零交差間に起こり、したがって
カウンタ７８の内容は更新の“真の”各出現時に零に等
しくなりＰ（ｎ）＝Ｐ（ｎ−１）になる。再帰反射器が
移動すると、干渉信号Ｆ_Mの位相が変化し、中間測定信
号Ｆ_M'の位相は同じ大きさだけ変化する。Ｆ_M'の位相を
シフトすることによって、Ｆ_M'の連続サイクル中の固定
周波数のＦ_R'サイクルの数はもはや６に等しくなく、生
成した差は、蓄積された位置測定データＰ（ｎ−１）に
加えられる。したがって時間可変位相測定データが、そ
れを固定もしくは制御された周波数の信号すなわちＦ_R'
のサイクル数に関連させて測定される。このことによっ
て、この発明の改良の基礎が形成され、この発明によっ
て、各位置データ試料の時間および／または測定期間に
おける全経過時間Ｔ（ｎ）の高い正確さの直積誘導され
る測定が行われる。

【００３２】さらに詳しくは、ラッチ８２の出力９０
は、さきに指摘したように、連続するサンプリング時の
間、すなわちＦ_M'の正の側の零交差の間の固定周波数信
号Ｆ_R'のサイクル数の測定値とデシマル１６との差（ダ
ウンカウンタ７８で測定）を示す。しだかって、連続す
るサンプリング時の間の時間間隔△Ｔ（ｎ）は、この発
明にしたがって、減算器１００内でラッチ出力９０をデ
シマル１６から減算して、２つの連続する位置変化デー
タの試料“ｎ”と“ｎ−１”との間の、制御された周波
数Ｆ_R'のサイクル数のカウントを与えることによって測
定される。Ｆ_R'の周波数（とそれ故に周期）は、一定で
かつ既知であるから、２つの試料間の時間間隔は、簡単
な計算によって、非常に高い正確さでカウント△Ｔ
（ｎ）から直接回復させることができる。

【００３３】そして、測定の期間すなわち区間の開始以
後の全経過時間Ｔ（ｎ）は、同様に、加算器１０８が次
いでエレメント７２からの論理蓄積信号によって作動可
能になったときに時間データ蓄積加算器１０８の出力１
１０にすでに存在している先に蓄積されていた全時間変
化データＴ（ｎ−１）に、減算器１００の出力１０４か
らの最も新しい時間変化の測定値△Ｔ（ｎ）を加算する
ことによって回復可能である。

【００３４】この場合もやはり、信号Ｆ_R'の知られてい
る一定周期に基づいた簡単な計算を、加算器１０８の新
たに更新された出力１１０を用いて行って、全経過時間
が直接得られる。

【００３５】

【発明の効果】したがってこの発明は、位置もしくは長
さの測定とともにその測定の正確な時間を同時に測定す
る非常に高い正確さの方法と装置を提供するものであ
る。このことは従来の技術の教示を越える重要で高度に
有利な改良である。例えば従来の技術の干渉計のシステ
ムは、長さもしくは位置の変化しかつ測定せず、例えば
このシステムの電子機器内の多様な処理遅延が原因で、
位置データ出力遅延時間が不確実なために、位置変化の
速度が増大するにつれて、正確さと測定の分解能が有意
に失われる。一方、この発明で開示された干渉計に基づ
く装置は、サンプリング時の長さもしくは位置の変化を
測定するのに用いられるのと同じ基礎データを、時間間
隔の測定に用いることによって、対象物の位置測定が行
われる正確な時間を記録して、不確実性を顕著に減少さ
せる。

【００３６】またこの発明は、移動する対象物の位置お
よびその位置が明確になった時間の両者を提供すること
によって、運動の視覚化もしくは特性決定を容易にする
ことができる。それ故に、瞬間速度もしくは平均速度お
よびそのより高次の導関数を非常に高い正確さで計算す
ることができるのでフーリエ変換のような信号処理のア
ルゴリズムの正確さはサンプリング時間の誤差で損なわ
れることがない。

【００３７】またこの発明によれば、大量生産の運転
中、測定データ出力の遅延を非常に正確にかつ一貫して
較正できるので、個々の干渉計システム間の遅延の変動
を較正しなくてもよい。このことは、例えば干渉計シス
テムをトランスジューサとして用いる工程制御機械の反
復性を、既知の位置データ出力遅延時間の変動に対して
補償することによって保証するのに利用できる。

【００３８】さらにこの発明によって、運動中の本体に
対する予測工程制御のためにタイムベースを使用するこ
とができる。例えば運動中に感光性フィルムを露出させ
るＥビームリソグラフィー機のような低価格で高い正確
さを有しかつ高速度の機械が、この発明の改良によっ
て、従来得られなかった程度まで実用化される。

【００３９】この発明の基本的な新規の特徴を、その好
ましい実施態様を用いて、示し記載し指摘してきたが、
例示装置の形態と詳細およびその作動の各種の省略と置
換および変更を、当該技術分野の熟練者は、この発明の
思想から逸脱することなく実施できることは理解される
であろう。例えば、この発明の装置のエレメント７２
（図３）の補間器は省略することができる。しかし省略
すると、その装置が与える、変更され蓄積された位置デ
ータの分解能は低下する。測定信号の位相の変化がそれ
に対して定量的に測定される基準信号は、例えば、信号
Ｆ_Rの周波数ｆ₀でもしくは信号Ｆ_R'の周波数で、または
選択されるかもしくはその目的とする用途に対して適切
であるとみなされる周波数で、発振器２０、または干渉
計２８に付随する他の電気信号源および／またはその光
源とは別個に独立して発生させることができる。これら
の多数の他の改変は本発明の適用範囲と思想の範囲内に
充分に含まれる。したがってこの発明は本願の特許請求
の範囲の適用範囲によってのみ限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による改良を組込んでこの発明によっ
て製造されたヘテロダイン干渉計システムの概略図であ
る。

【図２】図１の干渉計システムの位相メータ／アキュム
レータのブロック図である。

【図３】図２の基準位相カウンタ／補間器の概略ブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１０ヘテロダイン干渉計１２光源１６ビーム形成光学素子１８音響光学装置２０発振器２４、２６光ビーム３０偏光ビームスプリッター３２、３６再帰反射器４０混合偏波器４６光電検出器５０位相メータ／アキュムレータ５４位相同期ループ（ＰＬＬ）５２、５８割算器６０ミクサ６４フィルタ６６制限増幅器７０基準位相カウンタ／補間器７２エッジ検出器および補間器のエレメント７８カウンタ８２ラッチ８８、９４、１０８加算器１００減算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジョセフバカックアメリカ合衆国コネチカット 066 ブリッジポート、オーシャンアベニュ 106

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基準周波数を有する周波数安定化基準電
気信号を与える基準手段、周波数が、上記の基準信号の基準周波数だけ互いに異な
る付随光周波数を有する一対の直角方向に偏光された光
ビームを与える光源手段、前記一対の光ビームの一方を固定された長さの光経路に
そって導き、前記一対の光ビームの他方を可変長さの光
経路にそって導き、次いで前記ビームが前記光経路を通
過した後、干渉計の出力ビームとして前記ビームを出力
する手段、上記ビーム誘導手段に連結されて、前記干渉計の出力ビ
ームを混合する手段、上記混合手段に連結されて、上記の可変長光経路の長さ
の変化の関数として変化する位相を有する電気測定信号
を、前記の混合された干渉計出力ビームから与える手
段、および上記の測定信号を与える手段および上記の基
準信号を与える手段に連結されて、上記基準信号と前記
測定信号の間の位相の差に基づいて出力信号を与える手
段、で構成され；前記の出力信号を与える手段が、上記
の電気測定信号の既知の位相の連続出現によって規定さ
れるサンプリング時の間の上記基準電気信号の位相変化
を検出する手段、および上記の位相変化検出手段で検出
された上記の位相変化をカウントして位相変化のカウン
トを発し、上記の位相変化のカウントに由来し、上記サ
ンプリング時の間の上記可変光経路の長さの変化に比例
する第１データ、および上記の位相変化のカウントに由
来し、上記サンプリング時の間の時間間隔を識別する第
２データを与える処理手段、で構成されている干渉計シ
ステム。
【請求項２】前記処理手段が、連続するサンプリング
時の間での前記基準信号のサイクル毎の出現をカウント
し、前記の各サンプリング時に、前記の各サンプリング
時とその前のサンプリング時の間での前記基準信号の前
記のサイクル毎の出現のカウントを与えるカウント手段
を備えている請求項１記載の干渉計システム。
【請求項３】前記処理手段が、さらに、複数の前記サ
ンプリング時の前記第２データを、前記複数のサンプリ
ング時の各々についての前記のサイクル毎のカウントを
加算することによって蓄積して、前記の複数のサンプリ
ング時内の前記可変長経路の変化について、現在のサン
プリング時まで蓄積された出現時間を提供する手段を備
えている請求項２記載の干渉計システム。
【請求項４】前記の位相検出手段が、さらに、前記の
電気測定信号の予め決められた既知の位相の出現を検出
するエッジ検出手段を備えている請求項２記載の干渉計
システム。
【請求項５】前記のエッジ検出手段が、前記の電気測
定信号の前記の予め決められた既知の位相の各出現を規
定するために、前記電気測定信号の各サイクルの正の零
交差を検出する手段を備えている請求項４記載の干渉計
システム。
【請求項６】前記の位相検出手段が、さらに、前記の
電気測定信号の予め決められた既知の位相の出現を検出
するエッジ検出手段、および前記測定信号の前記の検出
された既知の位相の各出現時に、前記の基準電気信号の
位相を測定する手段を備えている請求項２記載の干渉計
システム。
【請求項７】前記エッジ検出手段が、測定信号の前記
の予め決められた既知の位相の前記の各出現を規定する
ために、前記電気測定信号の各サイクルの正の零交差を
検出する手段を備えている請求項６記載の干渉計システ
ム。
【請求項８】前記の位相測定手段が、さらに、前記の
連続するサンプリング時の間の、前記基準周波数のサイ
クル毎の部分的出現を測定する補間手段を備え；および
前記処理手段が、さらに、前記の測定された部分的出現
を、前記位相変化のカウントに加算して、前記の可変光
経路の長さの変化に比例する前記第１データを誘導する
のに用いる手段を備えている請求項４記載の干渉計シス
テム。
【請求項９】前記補間手段が、前記の電気測定信号を
受信する入力を有するＱステージの遅延線、および前記
の基準信号周波数の１／Ｑの等間隔をおいたＱの出力を
有する請求項８記載の干渉計システム。
【請求項１０】Ｑ＝８である請求項９記載の干渉計シ
ステム。
【請求項１１】前記誘導手段が干渉計を備え、かつ前
記混合手段は、前記干渉計の出力ビームが前記干渉計を
通過した後にその出力ビームを混合する請求項１記載の
干渉計システム。
【請求項１２】前記干渉計が偏光形の干渉計である請
求項１１記載の干渉計システム。
【請求項１３】前記基準手段が固定周波数の発振器を
有する請求項１記載の干渉計システム。
【請求項１４】前記の電気測定信号を与える手段が光
電検出器を有する請求項１記載の干渉計システム。
【請求項１５】前記の出力信号を与える手段が、位相
メータ／アキュムレータ手段を備えている請求項１記載
の干渉計システム。
【請求項１６】前記の位相変化測定手段が基準位相カ
ウンタ／補間器手段を備えている請求項１記載の干渉計
システム。
【請求項１７】前記の出力信号を与える手段が、さら
に、前記の基準電気信号をスケーリングして第１スケー
ル化基準信号を与える第１スケーラ手段、上記の第１ス
ケール化基準信号を前記の位相変化測定手段に加える手
段、上記のスケール化基準信号をさらにスケーリングし
て第２スケール化基準信号を与える第２スケーラ手段、
上記の第２スケール化基準信号と前記の電気測定信号を
混合して混合測定信号を生成する手段、および上記の混
合測定信号を上記の位相変化検出手段に加える手段を備
えている請求項１記載の干渉計システム。
【請求項１８】前記の混合された測定信号を加える手
段がフィルタ手段を備えている請求項１７記載の干渉計
システム。
【請求項１９】前記のフィルタ手段が低域フィルタを
備えている請求項１８記載の干渉計システム。
【請求項２０】前記の混合された測定信号を加える手
段が、フィルタ手段、および前記の混合測定信号によっ
てディジタル信号を発する制限増幅器手段を備えている
請求項１７記載の干渉計システム。
【請求項２１】前記のフィルタ手段が低域フィルタを
備えている請求項２０記載の干渉計システム。
【請求項２２】前記の出力信号を与える手段が、さら
に、前記の基準電気信号をＭ／Ｎによってスケーリング
して第１スケール化基準信号を与える第１スケーラ手
段、上記の第１スケール化基準信号を前記の位相変化測
定手段に加える手段、上記のスケール化基準信号を１／
Ｐによってさらにスケーリングして第２スケール化基準
信号を与える第２スケーラ手段、上記の第２スケール化
基準信号と上記の電気測定信号を混合して混合された測
定信号を生成する手段、および上記の混合された測定信
号を前記の位相変化検出手段に加える手段を備え、Ｍ＝
１６、Ｎ＝５およびＰ＝４である請求項１記載の干渉計
システム。
【請求項２３】前記の混合された測定信号を加える手
段がフィルタ手段を備えている請求項２２記載の干渉計
システム。
【請求項２４】基準周波数を有する周波数を安定化さ
れた基準電気信号を発信し、固定長の経路を通過し、かつ第１周波数を有する第１放
射エネルギービームを与え、可変長経路を通過し、かつ第２周波数を有する第２放射
エネルギービームを与え、その第２エネルギービームが
前記第１エネルギービームに対して直角方向に偏光され
て、上記の第１と第２の周波数が前記基準周波数だけ異
なり、前記のビームが可変長の前記固定経路を通過した後に、
前記の第１と第２のエネルギービームを混合し、混合された第１と第２のエネルギービームから、可変長
経路の長さの変化の関数として変化する位相を有する電
気測定信号を発し、現在のおよびその前のサンプリング時の間における基準
電気信号の位相変化を検出し、上記サンプリング時が電
気測定信号の予め決められた既知の位相の時間間隔をお
いた出現によって規定され、基準電気信号の前記の検出された位相変化をカウントし
て、可変長経路の長さの変化に比例するカウントを与
え、現在のおよびその前のサンプリング時の間の、可変長経
路の長さの前記変化の経過時間間隔を、前記カウントか
ら計算する、ステップからなる、現在のサンプリング時
のその前のサンプリング時とにおいて、可変長経路を規
定する可動物体の位置の変化と、位置の変化の経過時間
間隔とを同時に測定する方法。
【請求項２５】さらに、現在のおよびその前のサンプ
リング時の間の、可変長経路の長さの変化を、前記カウ
ントから計算するステップを有する請求項２４記載の方
法。
【請求項２６】位相の変化を検出する前記ステップ
が、現在のおよびその前のサンプリング時の間での、基
準信号のサイクル毎の出現をカンウトし、前記の検出さ
れたサイクル毎の出現から前記カウントを生成させるこ
とを含む請求項２４記載の方法。
【請求項２７】前記のカウントが、現在のおよびその
前のサンプリング時の間での基準信号のサイクル毎の出
現数を含み、その基準信号が波長の周期性を有し、およ
び経過時間間隔を計算する前記ステップが、前記カウン
トに基準信号の波長の周期性を掛算することを含む請求
項２６記載の方法。
【請求項２８】位相の変化を検出する前記のステップ
が、さらに、測定信号の２つの時間間隔をおいた各サイ
クルの正の側の零交差を検出して、前記の時間間隔を置
いたサンプリング時を規定することを含む請求項２６記
載の方法。
【請求項２９】位相の変化を検出する前記ステップ
が、さらに、測定信号の複数の時間間隔をおいた各サイ
クルの正の側の零交差を検出して、前記の時間間隔を置
いたサンプリング時を規定することを含む請求項２６記
載の方法。
【請求項３０】さらに、基準周波数をスケールファク
ターによってスケーリングして、スケール化基準周波数
を有するスケール化基準信号を与えるステップを有し、
位相の変化を検出する前記のステップが、現在のおよび
その前のサンプリング時の間でのスケール化基準信号の
サイクル毎の出現をカウントし、前記カウントを前記の
検出されたサイクル毎の出現から生成させることを含む
請求項２６記載の方法。
【請求項３１】前記サンプリング時を規定する前記の
時間間隔を置いた出現が、電気測定信号の予め決められ
た既知の位相の連続の出現で構成されている請求項２４
記載の方法。
【請求項３２】位相の変化を検出する前記のステップ
が、さらに、時間間隔を置いた各サンプリング時での基
準電気信号の位相を検出することを含む請求項２４記載
の方法。
【請求項３３】さらに、基準周波数をスケールファク
ターでスケーリングして、スケール化基準周波数を有す
るスケール化基準信号を与え、測定信号と前記スケール化基準信号を混合して中間測定
信号を与える、ステップを有し；位相の変化を検出する
前記ステップが、現在のおよびその前のサンプリング時
の間でのスケール化基準信号のサイクル毎の出現をカウ
ントし、前記の検出されたサイクル毎の出現から前記カ
ウントを生成させることを含み、前記サンプリング時が中間の測定信号の予め決められた
既知の位相の時間間隔を置いた出現で規定される、請求
項２４記載の方法。
【請求項３４】前記サンプリング時が、中間測定信号
の予め決められた位相の連続的に時間間隔を置いた出現
で規定される請求項３３記載の方法。
【請求項３５】中間測定信号を与える前記のステップ
が、さらに、測定信号とスケール化基準信号の混合物の
低域フィルタリングを行って、中間測定信号を与えるこ
とを含む請求項３３記載の方法。
【請求項３６】中間測定信号を与える前記ステップ
が、さらに、測定信号とスケール化基準信号の混合物を
低域フィルタリングして得た信号を増幅することを含む
請求項３５記載の方法。
【請求項３７】さらに、基準周波数を第１スケールフ
ァクターでスケーリングして、第１スケール化基準周波
数を有する第１スケール化基準信号を与え、基準周波数を第２スケールファクターでスケーリングし
て、第２スケール化基準周波数を有する第２スケール化
基準信号を与え、測定信号と上記第２スケール化基準信号を混合して中間
測定信号を与える、ステップを含み；位相の変化を検出する前記ステップが、現在のおよびそ
の前のサンプリング時の間での第１スケール化基準信号
のサイクル毎の出現をカウントし、前記カウントを前記
の検出されたサイクル毎の出現から生成させることを含
み、前記のサンプリング時が、中間測定信号の予め決められ
た既知の位相の時間間隔を置いた出現によって規定され
る、請求項２４記載の方法。
【請求項３８】前記サンプリング時が、中間測定信号
の予め決められた既知の位相の連続的に時間間隔を置い
た出現によって規定される請求項３７記載の方法。
【請求項３９】中間測定信号を与える前記ステップ
が、さらに、測定信号と第２スケール化基準信号の混合
物の低域フィルタリングを行って中間測定信号を与える
ことを含む請求項３７記載の方法。
【請求項４０】中間測定信号を与える前記ステップ
が、さらに、測定信号とスケール化基準信号の混合物を
低域フィルタリングして得た信号を増幅することを含む
請求項３９記載の方法。
【請求項４１】さらに、第１と第２の放射エネルギー
ビームが通過する可変長の固定経路を形成する干渉計を
提供するステップを含み、可動物体が干渉計のエレメン
トである請求項２４記載の方法。
【請求項４２】前記の第１と第２の放射エネルギービ
ームが光ビームである請求項２４記載の方法。