WO1991002214A1 - Dispositif de mesure de deplacement par interferometrie - Google Patents

Dispositif de mesure de deplacement par interferometrie Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the displacement of an element whose position determines the imbalance of the arms of a detection interferometer, comprising a monochromatic light source supplying the interferometer and means for detecting the imbalance .
  • Measuring devices of this type currently used have a direct measurement increment, equal to a quarter of the distance between fringes. The resolution can be increased using interpolators, but these are sources of excessive error as soon as one seeks to measure increments by interpolation in more than ten points.
  • double pass interferometers using a He-Ne laser as a monochromatic light source, the distance between fringes is about 160 nanometers, so that the directly measurable distance increment is 40 nanometers.
  • the present invention aims to provide a displacement measurement device making it possible to obtain a much lower direct measurement increment, up to 0.1 nm.
  • a device of the type defined above which also includes a reference interferometer powered by the monochromatic light source, provided with means for counting fringes, which constitutes the output member, and controlled means. by said imbalance detection means, acting on a component of the device to cancel the imbalance of the detection interferometer, the imbalance of the arms of the detection interferometer being greater than that of the arms of the reference interferometer minus an order of magnitude.
  • the two interferometers have cube corners and the means controlled by the imbalance detection means act on the monochromatic light source to modify its- * , wavelength, to bring the value to zero, for example output of the means for detecting the imbalance of the detection interferometer.
  • the monochromatic light source can in particular be a laser diode, the wavelength of which is controlled by variation of the current flowing through it and / or of its temperature.
  • the detection interferometer consists of a network interferometer, the displacement of which in the direction transverse to the lines of the network constitutes the displacement to be measured.
  • the dynamics are then no longer limited by the acceptable range of variations in wavelengths of the source.
  • the initial conditions can be restored by reducing the wavelength of the source to a determined value, for example canceling the output signal from the measuring means of the detection interferometer.
  • FIG. 1 is a block diagram of a measuring device constituting a first embodiment of the invention, with cube corner detection interferometer;
  • FIG. 1 is a diagram showing the measuring range permitted by the device of Figure 1;
  • FIG. 3 shows those of the constituents of a second embodiment of the invention, with a network interferometer which differ from those of FIG. 1.
  • the device shown schematically in Figure 1 comprises a source of monochromatic radiation with linear polarization 10, which will generally be a laser diode, stabilized in temperature, the radiation of which at a polarization rate greater than 100: 1.
  • An optic 12 supplies, from the output beam of the source , a collimated beam which is divided by a separator 14, constituted for example by a semi-reflecting cube, into two beams having substantially the same intensity.
  • a reference interferometer 16 ⁇ the other towards a detection interferometer 16 2 .
  • the interferometers shown each have a conventional general constitution.
  • the interferometer 16 ⁇ comprises an input separator 18, constituted by a polarizing cube whose plane of polarization is 45 ° from the direction of polarization of the beam it receives.
  • the arms of the interferometer 16 ⁇ having a fixed imbalance D j _, have respective cube corners 20 ⁇ and 22 ⁇ for folding the beams separated by the separator cube 18 ⁇ .
  • the beams which return to the separator 18 ⁇ are recombined on a cube corner 24 ⁇ which forms the interference fringes on a detector 26 ] ⁇ .
  • the detector 26 is advantageously provided so as to provide two output signals, representative respectively of the sine and of the cosine of the phase.
  • Detectors of this kind are already known, comprising four aligned sensors, making it possible to better differentiate the signal from the background noise.
  • Two sensors providing the sine of the phase, covering the luminous flux through two analyzers oriented at 90th one of 1'autre. The other two are also preceded by quarter-wave plates and provide the cosine.
  • the amplified signals and possibly digitized at 28 are applied to an up-down counter 30 making it possible to measure the increments of displacement of the fringes on the detector 26 j with a resolution corresponding to a quarter the interval between successive fringes.
  • the electrical signals supplied by the detector 26 ⁇ are of the form:
  • An interfringe corresponds to a variation of (2D ⁇ A) equal to 1.
  • the detection interferometer I62 has the same constitution as the reference interferometer 16 ⁇ and the corresponding elements of the two interferometers are designated by the same reference number, assigned an index 2 in the detection interferometer 16 2 .
  • the cube corner 20 2 is carried by the element 32 whose displacement, or deformation in the direction of the imbalance D 2 -is to be measured. Since the detector 26 2 of the interferometer 16 2 does not have to provide an indication of the direction of movement, it suffices for it to provide a signal representative of the sine (or cosine) of the phase shift.
  • the output signal S 2 can be of the form:
  • the electrical signal S is used to control the wavelength of the light supplied by the laser diode so that S 2 remains permanently equal to 0.
  • the transition from X Q to ⁇ causes a displacement of the fringes, due to the variation in wavelength, which is measured by the detector 26 ⁇ of the reference interferometer.
  • the direct resolution (without interpolation) of the measurement means of the reference interferometer 16 ⁇ corresponds to an increment equal to ⁇ / 8: the device of FIG. 1 makes it possible to directly measure an increment which is no longer ⁇ / 8, but ⁇ / 8 divided by the amplification coefficient, equal to D ⁇ / D 2 which can be chosen at will.
  • the wavelength of the laser diode 10 can be controlled using the power supplied by a current generator 34.
  • the current Id applied to the laser diode under the initial conditions is chosen such that the corresponding wavelength Q lies approximately in the middle of the linear part of the characteristic of the laser diode (FIG. 2).
  • the generator can be controlled by a circuit comprising, from the detector 26 2 , a current-voltage converter 36, a high gain amplifier 38 and a differential amplifier 40.
  • the device shown in FIG. 1 has a measurement dynamic corresponding to the linear part of the characteristic, indicated by the hatched area in FIG. 2. It can be indicated by way of example that a dynamic of ⁇ 1 has been obtained nm at a wavelength of 780 nanometers using a Sharp LT 021 laser diode, to which the generator 34 applies a power varying from 2 mW to 15 mW.
  • the device shown in FIG. 1 is strictly linear only for a displacement of a fringe: in fact the coefficient: of proportionality varies as a direct function of the wavelength ⁇ . This limitation is eliminated in the device shown in part in FIG. 3, which includes a self-compensating network detection interferometer.
  • the phase shift is caused by the displacement x of the network 42 in translation in the direction perpendicular to the lines of the network, displacement due to the movement or to the deformation to be measured.
  • the device of FIG. 3 comprises a reference interfé ⁇ rometer (not shown) which can have the same constitution as that shown in FIG. 1, therefore comprising an output detector supplying signals of the form given by the formulas (1).
  • the network interferometer 42 differs from a conventional network interferometer in that the arms have a permanent and constant imbalance D 2 . Consequently, the output signals S 2 and S ′ 2 of the interference fringe detector 26 2 are not of the usual form:
  • the amplitude of the diffracted beam in the order -1, after double diffraction is of the form:
  • the amplitude is of the following form, because the optical path is longer by 2D 2 :
  • the assembly used causes interference between the diffracted beams of order +1 and -1.
  • the interfringe corresponds to a variation of 2O ⁇ / equal to 1 and consequently ⁇ / ⁇ 2 * I / O- ⁇ .
  • the return to XQ is simply carried out by maintaining the temperature of the diode at a constant value ⁇ using a cooler 44 controlled by a regulation circuit 46 and by reducing the power supplied by the current generator 34 to a predetermined initial value.

Abstract

Le dispositif, qui permet d'obtenir des incréments de mesure directe pouvant atteindre 0.1 nm, comporte un élément déplaçable dont la position est à mesurer. Il comprend une source de lumière monochromatique (10) alimentant l'interféromètre (162) et des moyens (262) de détection du déséquilibre. Il comprend également un interféromètre de référence (161) alimenté par la source de lumière monochromatique (10), muni de moyens (261) de comptage de franges, qui constitue l'organe de sortie, et des moyens (34) commandés par lesdits moyens de détection du déséquilibre, agissant sur un composant du dispositif pour annuler le déséquilibre de l'interféromètre de détection, le déséquilibre (D2) des bras de l'interféromètre de détection étant supérieur d'au moins un ordre de grandeur à celui de l'interféromètre de référence.

Description

Dispositif de mesure de déplacement par interférométrie
L'invention a pour objet un dispositif de mesure de déplacement d'un élément dont la position détermine le déséquilibre des bras d'un interféromètre de détection, comprenant une source de lumière monochromatique alimentant 1'interféromètre et des moyens de détection du déséqui¬ libre. Les dispositifs de mesure de ce type actuellement utilisés ont un incrément de mesure directe, égal au quart de la distance entre franges. La résolution peut être augmentée à l'aide d'interpolateurs, mais ces derniers sont source d'erreurs excessives dès qu'on cherche à mesurer des incréments par interpolation en plus de dix points . Dans les interféromètres à double passage, utilisant un laser He-Ne comme source de lumière monochromatique, la distance entre franges est de 160 nanomètres environ, ce qui fait que 1'incrément de distance directement mesurable est de 40 nanomètres.
La présente invention vise à fournir un dispositif de mesure de déplacement permettant d'obtenir un incrément de mesure directe largement inférieur, pouvant atteindre 0,1 nm. Dans ce but elle propose un dispositif du type ci-dessus défini qui comprend également un interféromètre de référence alimenté par la source de lumière monochro¬ metique, muni de moyens de comptage de franges, qui constitue l'organe de sortie, et des moyens commandés par lesdits moyens de détection du déséquilibre, agissant sur un composant du dispositif pour annuler le déséquilibre de l'interféromètre de détection, le déséquilibre des bras de 1'interféromètre de détection étant supérieur à celui des bras de l'interféromètre de référence d'au moins un ordre de grandeur.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, les deux interféromètres sont à coins de cube et les moyens commandés par les moyens de détection de déséquilibre agissent sur la source de lumière monochromatique pour modifier sa-*, longueur, d'onde pour ramener à une valeur déterminée, par exemple à zéro, la sortie des moyens de détection du déséquilibre de l'interféromètre de détection. La source de lumière monochromatique peut notamment être une diode laser dont la longueur d'onde est commandée par variation du courant qui la traverse et/ou de sa tempéra- ture.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'interféromètre de détection est constitué par un interféromètre à réseau dont le déplacement dans le sens transversal aux raies du réseau constitue le déplacement à mesurer. La dynamique n'est alors plus limitée par la plage acceptable de variations de longueurs d'onde de la source. Après chaque parcours d'un pas du réseau, les conditions initiales peuvent être rétablies en ramenant la longueur d'onde de la source à une valeur déterminée, par exemple annulant le signal de sortie des moyens de mesure de l'interféromètre de détection.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemple non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :
- la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif de mesure constituant un premier mode de réalisation de l'invention, à interféromètre de détection à coin de cube ;
- - l èFigure 2 est un diagramme montrant la plage de mesure autorisée par le dispositif de la Figure 1 ;
- la Figure 3 montre ceux des constituants d'un second mode de réalisation de l'invention, à interféromètre à réseau qui diffèrent de ceux de la Figure 1.
Le dispositif montré schématiquement en figure 1 comprend une source de rayonnement monochromatique à polarisation linéaire 10, qui sera généralement une diode laser, stabilisée en température, dont le rayonnement à un taux de polarisation supérieur à 100 : 1. Une optique 12 fournit, à partir du faisceau de sortie de la source, un faisceau collimaté qui est fractionné par un séparateur 14, constitué par exemple par un cube semi-réfléchissant, en deux faisceaux ayant sensiblement la même intensité. L'un des ces faisceaux est dirigé vers un interféromètre de référence 16^, l'autre vers un interféromètre de détection 162.
Les interféromètres représentés ont 1'un et 1'autre une constitution générale classique.
L'interféromètre 16^ comporte un séparateur d'entrée 18 , constitué par un cube polarisant dont le plan de polarisation est à 45° de la direction de polarisation du faisceau qu'il reçoit. Les bras de l'interféromètre 16^, présentant un déséquilibre fixe Dj_, comporte des coins de cube respectifs 20^ et 22^ de repliement des faisceaux séparés par le cube séparateur 18^. Les faisceaux qui reviennent sur le séparateur 18^ sont recombinés sur un coin de cube 24^ qui forme les franges d'interférence sur un détecteur 26]^. Le détecteur 26 est avantageusement prévu de façon à fournir deux signaux de sortie, repré- sentatifs respectivement du sinus et du cosinus de la phase. On connaît déjà des détecteurs de ce genre, comportant quatre capteurs alignés, permettant de mieux différencier le signal du bruit de fond. Deux des capteurs, fournissant le sinus de la phase, recouvrent le flux lumineux à travers deux analyseurs orientés à 90e l'un de 1'autre. Les deux autres sont de plus précédés de lames quart d'onde et fournissent le cosinus.
Les signaux amplifiés et éventuellement numérisés en 28 sont appliqués à un compteur-décompteur 30 permettant de mesurer les incréments de déplacement des franges sur le détecteur 26j avec une résolution correspondant à un quart de l'intervalle entre franges successives.
Les signaux électriques fournis par le détecteur 26^ sont de la forme :
S = S0 cos E(2w/λ) (2Dχ] | (1)
Figure imgf000006_0001
où Sg est une valeur constante et λ est la longueur d'onde de la lumière fournie par la source 10.
Un interfrange correspond à une variation de (2DιA) égale à 1. r
En conséquence, il y a passage d'une frange sur le détecteur 26^ pour une variante Δλ de longueur d'onde donnée par :
Δλ/λ2 ≈ l/2Dχ „ (2)
L'interféromètre de détection I62 a la même constitutio que l'interféromètre de référence 16^ et les éléments correspondants des deux interféromètres sont désignés par le même numéro de référence, affectés d'un indice 2 dans l'interféromètre de détection 162.
Le coin de cube 202 est porté par l'élément 32 dont le déplacement, ou la déformation dans la direction du déséquilibre D2 -est à mesurer. Le détecteur 262 de l'interféromètre 162 n'ayant pas à fournir d'indication sur le sens de mouvement, il suffit qu'il fournisse un signal représentatif du sinus (ou du cosinus) du déphasage. Par exemple, le signal de sortie S2 peut être de la forme :
IL.
S2 = S'0 sin [(2wA) (2D2)] (3)
Si, à partir de la position donnant le signal S2 (formule 3), le cube 202 se déplace de x, le signal électrique de sortie du détecteur 262 devient S2* : S2* = S ' 0 sin [ ( 2 A ) ( 2D2 + 2x ) ] ( 4 )
Pour mettre en oeuvre le dispositif selon l'invention, on utilise le signal électrique S pour asservir la longueur d'onde de la lumière fournie par la diode laser pour que S2 reste en permanence égal à 0.
Si, dans la position initiale du coin de cube 202, la condition S2 = 0 est réalisée pour une longueur XQ, la longueur λ pour S2 = 0, après un déplacement x, est reliée à XQ par la relation :
(2r/λ) (2D2 + 2x) = (2wAo) (2D2)
qui peut s'écrire :
λ = λ0 (D2 + x) /D2
Le passage de XQ à λ provoque un déplacement des franges, dû à la variation de longueur d'onde, qui est mesuré par le détecteur 26^ de 1'interféromètre de référence.
Tout incrément Δx de x provoque un incrément Δλ de λ relié à XQ par :
Δx = (ΔX/XQ) D2
= (D^D-L) (λ/2)
La résolution directe (sans interpolation) des moyens de mesure de l'interféromètre de référence 16ι correspondent à un incrément égal à λ/8 : le dispositif de la figure 1 permet de mesurer directement un incrément qui n'est plus λ/8, mais λ/8 divisé par le coefficient d'ampli- fication, égal à D^/D2 que l'on peut choisir à volonté.
Par exemple dans le cas d'une diode laser fournissant une longueur d'onde λ = 0,78 μm, on peut mesurer un incrément Δx = 1 nm avec D2 = 8 mm et O = 780 mm. Avec la même valeur de D-^ l'incrément devient 0,1 nanomètre, c'est-à-dire 1 A pour D2 = 0,8 mm. La longueur d'onde de la diode laser 10 peut être commandée à l'aide de la puissance fournie par un générateur de courant 34. Lorsque les déplacements à mesurer peuvent être dans un sens ou 1'autre à partir d'une position de référence, le courant Id appliqué à la diode laser dans les conditions initiales est choisi tel que la longueur d'onde correspondante Q se trouve approximative¬ ment au milieu de la partie linéaire de la caractéristique de la diode laser (figure 2). Le générateur peut être commandé par un circuit comprenant, à partir du détecteur 262, un convertisseur courant-tension 36, un amplificateur à grand gain 38 et un amplificateur différentiel 40.
Le dispositif montré en figure 1 a une dynamique de mesure correspondant à la partie linéaire de la caracté¬ ristique, indiquée par la zone hachurée sur la figure 2. On peut indiquer à titre d'exemple qu'on a obtenue une dynamique de ± 1 nm à une longueur d'onde de 780 nanomètres en utilisant une diode laser Sharp LT 021, à laquelle le générateur 34 applique une puissance variant de 2 mW à 15 mW. Le dispositif montré en figure 1 n'est strictement linéaire que pour un déplacement d'une frange : en effet le coefficient: de proportionnalité varie en fonction directe de la longueur d'onde λ. Cette limitation est écartée dans le dispositif montré en partie sur la figure 3, qui com- porte un interféromètre de détection à réseau à auto¬ compensation. Le déphasage est causé par le déplacement x du réseau 42 en translation dans la direction perpendi¬ culaire aux lignes du réseau, déplacement dû au mouvement ou à la déformation à mesurer. Le dispositif de la figure 3 comporte un interfé¬ romètre de référence (non représenté) qui peut avoir la même constitution que celui montré en figure 1, comprenant donc un détecteur de sortie fournissant des signaux de la forme donnée par les formules (1).
L'interféromètre à réseau 42 se différencie d'un interféromètre à réseau classique en ce que les bras présentent un déséquilibre permanent et constant D2. En conséquence, les signaux de sortie S2 et S'2 du détecteur de franges d'inter érence 262 ne sont pas de la forme habituelle :
S2 = S'0 cos [(2*x) / (p/4)] (5)
_S2' = S'0 sin £(2wx) / (p/4)]
En effet, l'amplitude du faisceau diffracté dans l'ordre -1, après double diffraction, est de la forme :
h_± exp [-i 2wx/(P/2)] où A_^ est une constante
alors que, dans l'ordre 4-1, l'amplitude est de la forme suivante, du fait que le chemin optique est plus long de 2D2 :
A+1 exp [i 2wx/(p/2) + (2 /λ) 2D2]
le montage utilisé provoque une interférence entre les faisceaux diffractés d'ordre +1 et -1. Le détecteur
262, à quatre capteurs fournissant le cosinus et le sinus de la phase (toujours de façon à éliminer le fond lumineux continu), permet d'obtenir des signaux de la forme :
S2 = S'0 cos [(2w( (4x/p) + (2D2A) )] (8)
S'2 - S'0 sin [2 ( (4x/p) + (2D2A) )]
Dans le cas d'un déplacement x dont l'amplitude ne dépasse, pas le pas p du réseau, on se retrouve dans la même situation que précédemment, en asservissant la longueur d'onde λ de la diode laser 10 par modulation de la puissance qui lui est appliquée afin de conserver une valeur constante de S'2, par exemple S'2 « 0. On a alorjs _.
2 [(4x/p) + (2D2/λ)] = N0.2 avec NQ λ0/2D2
et 1'interféromètre de référence fournit des signaux
Sχ = S0 cos C(2 /λ).2D1]
β ' λ = S0 sin [2 /λ).2D1].
L'interfrange correspond à une variation de 2O^/ égale à 1 et en conséquence Δλ/λ2 * I/ O-^ . Il y a parcours d'un interfrange pour un déplacement dx lié au pas p du réseau 42 par*la relation :
Figure imgf000010_0001
= (2D2/λ2) (λ/2Dχ)
donc dx - Cp/4) ^/D^.
La dynamique de mesure est limitée par la plage de variation de la longueur d'onde : si cette plage Δλ est limitée à ± 1 nm, pour λg = 780 nm, une dynamique égale à ± p/8 conduit à adopter D2 β λ2/Δλ - 0,6 mm. La résolution dx est indépendante de la longueur d'onde. Pour une résolution de 1 nm, il faut D-, = 100 o D2 = 60 mm ; pour 1 A, il faudrait Dl = 600 mm.
Le dispositif de la Figure 3 permet de disposer d'une dynamique de mesure beaucoup plus élevée en ramenant la longueur d'onde de la diode laser 10 à XQ = 2 NQD2 à la fin de chaque pas de mesure par variation de λ, par un simple asservissement. Il suffit de compter le nombre de franges parcourant 1'interféromètre de référence pendant que l'asservissement ramène la longueur d'onde à XQ pour connaître la position du réseau 42 par rapport à 1'origine du pas de mesure.
Dans une variante de réalisation, qui ne tient pas compte des variations de caractéristiques de la diode laser lors de son vieillissement, le retour à XQ est simplement effectué en maintenant la température de la diode à une valeur constante θ à 1'aide d'un refroidisseur 44 commandé par un circuit de régulation 46 et en ramenant la puissance fournie par le générateur de courant 34 à une valeur initiale prédéterminée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de déplacement d'un élément dont la position influe sur le déséquilibre des bras d'un interféromètre de détection, comprenant une source de lumière monochromatique (10) alimentant l'interféromètre (162) et des moyens (262) de détection du déséquilibre, caractérisé en ce qu'il comprend également un interféro¬ mètre de référence (16^ alimenté par la source de lumière monochromatique (10), muni de moyens (26-^) de comptage de franges, qui constitue l'organe de sortie, et des moyens (34) commandés par lesdits moyens de détection du désé¬ quilibre, agissant sur un composant du dispositif pour annuler le déséquilibre de l'interféromètre de détection, le déséquilibre (D2) des bras de l'interféromètre de détection étant supérieur d'au moins un ordre de grandeur à celui de l'interféromètre de référence.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux interféromètres sont à coins de cube, en ce que l'élément dont le déplacement est à mesurer est solidaire d'un des coins de cube de l'interféromètre de détection et en ce que les moyens commandés par les moyens de détection de déséquilibre agissent sur la source de lumière monochromatique pour modifier sa longueur d'onde jusqu'à ramener à une valeur déterminée la sortie des moyens de détection du déséquilibre de l'interféromètre de détection.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interféromètre de détection est constitué par un interféromètre à réseau (42) dont le déplacement dans le sens transversal aux raies du réseau constitue le déplacement à mesurer et en ce que les moyens de détection de déséquilibre agissent sur la source de lumière monochromatique pour modifier sa longueur jusqu'à ramener à une valeur déterminée la sortie des moyens de détection du déséquilibre de l'interféromètre de détection.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens commandés sont prévus pour rétablir les conditions initiales en ramenant la longueur d'onde de la source à une valeur déterminée, par exemple annulant le signal de sortie des moyens de mesure de 5 l'interféromètre de détection, après chaque parcours d'un pas du réseau.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière monochromatique est une diode laser dont la o longueur d'onde est commandée par variation du courant qui la traverse et/ou de sa température.
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