DE19738328A1

DE19738328A1 - Interferometrische Vorrichtung zur Messung von Bewegungen eines Objektträgers relativ zu festen Reflektoren

Info

Publication number: DE19738328A1
Application number: DE19738328A
Authority: DE
Inventors: Carl A Zanoni
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2017-09-03
Also published as: JPH10213413A; DE19738328B4; US5724136A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung zur Messung der Versetzung eines sich bewe genden Objektträgers. Insbesondere bezieht sich die Er findung auf eine interferometrische Vorrichtung, die Licht strahlen mit zwei Frequenzen benutzt, um die Versetzung eines sich bewegenden Objektträgers zu messen, wobei die Lichtquelle von diesem Objektträger entfernt ist.

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik

Die Benutzung der Interferometrie zur Messung von Ände rungen in der Lage, der Länge, des Abstands, der Winkel und der optischen Länge ist bekannt, vgl. beispielsweise N. Bobroff, "Recent advances in displacement measuring inter ferometry", Measurement Science & Technology, S. 907-926, Vol. 4, Nr. 9, Sept. 1993, und US-PS 4 688 940. Da die Laserquellen für diese Interferometer gewöhnlich groß sind und beträchtliche Wärmemengen erzeugen, werden sie gewöhn lich nicht auf dem sich bewegenden Objektträger angebracht. Dies erfordert, daß einer der Reflektoren im Interfero meter, beispielsweise ein ebener Spiegel, auf dem Objekt träger montiert wird. Es gibt gewöhnlich einen Reflektor pro Versetzungsachse. Bei großen Bewegungen und vielen Bewegungsachsen kann dieser Reflektor oder können diese Reflektoren sehr groß und schwer werden; dadurch wird das dynamische Verhalten des Objektträgers begrenzt. Eine be kannte Technik, die sich mit diesem Problem befaßt, ist in der US-PS 4 647 206 beschrieben. Diese US-PS 4 647 206 beschreibt einen Lichtstrahl mit einer einzigen Frequenz, der einem Interferometer zugeführt wird, das auf dem sich bewegenden Objektträger über eine optische Faser zugeführt wird, und die Intensität der wieder kombinierten Strahlen wird durch Photodetektoren auf dem Objektträger festge stellt. Dies ist notwendig, weil beträchtliche Fehler durch die optischen Fasern eingeführt werden können, wenn die wieder kombinierten Strahlen über optische Fasern von dem Objektträger nach den Photodetektoren auf einem sich nicht bewegenden Teil der Vorrichtung übertragen werden.

Eine Zwei-Frequenz-Interferometrie ergibt zahlreiche Vor teile im Vergleich mit einer Einfach-Frequenz-Interfero metrie, insbesondere bei metrologischen Anwendungen, die eine hohe Präzision und/oder Mehrfach-Achsen-Anordnung benötigen, vgl. beispielsweise Hewlett Packard Journal, August 1970, US-PS 3 458 259 und US-PS 3 656 853.

Die Literaturstelle T. Yoshino, "Heterodyne Technology for Optical Sensors", 5. 40-43, Optical Fiber Sensors, Tech nical Digest Series, Vol. 2, Teil 1, Januar 27-29, 1988 beschreibt verschiedene Anordnungen zur Benutzung optischer Fasern, um eine Zwei-Frequenz-Lichtquelle mit einem Inter ferometer zu koppeln. Insbesondere Fig. 3 dieser Veröffent lichung beschreibt die Notwendigkeit eines Bezugsdetektors am Ausgangsende der optischen Faser vor dem Interferometer, um ungünstige Effekte der zwei senkrecht polarisierten Lichtstrahlen zu kompensieren, die durch die optische Faser dem Interferometer zugeführt werden. Dies erhöht natürlich die Kosten und den komplexen Aufbau der Vorrichtung, da eine Monomode-Faser erforderlich ist, die die Polarisation aufrechterhält. Die US-PS 5 274 436 beschreibt die gleiche Technik.

F. Favre und D. Le Guen, Electronics Letters, 18, 964, 1982, und T. Yoshino und N. Yoshida, Technical Digest of the International Conference on Integrated Optical Fibre Communication and the European Conference on Optical Communication, Venedig/Italien, Oktober 1985, S. 863, beschreiben auf Faseroptik basierende Empfänger für laser interferometrische Systeme. Die US-PS 4 784 489 beschreibt die gleiche Technik.

Bei bekannten optischen Zwei-Frequenz-Heterodyn-Interfero metern werden die beiden optischen Frequenzen durch eine der folgenden Techniken erzeugt: Benutzung eines Zeeman- Splitlasers (vgl. beispielsweise die US-PS 3 458 259; G. Bouwhuis, "Interferometric Mit Gaslasers", Ned. T. Natuurk, Vol. 34, S. 225-232, Aug. 1968; Hewlett Packard Journal, Aug. 1970; US-PS 3 656 853; Hewlett Packard Journal, Apr. 1983; und H. Matsumoto, "Recent interfero metric measurements using stabilized lasers", Precision Engineering, Vol 62, S. 87-94, 1984), Benutzung eines Paars akusto-optischer Bragg-Zellen (vgl. beispielsweise Y. Ohtsuka und K. Itoh, "Two-frequency Laser Interfero meter for Small Displacement Measurements in a Low Fre quency Range", Applied Optics, Vol. 18, S. 219-224, 15. Januar 1979; N. Massie et al., "Measuring Laser Flow Fields With a 64-Channel Heterodyne Interferometer", Applied Optics, Vol. 22, S. 2141-2151, 1983; Y. Ohtsuka und M. Tsubokawa, "Dynamic Two-frequency Interferometry for Small Displacement Measurements", Optics and Laser Technology, Vol. 16, S. 25-29, 1984; H. Matsumoto, op. cit.; US-PS 5 485 272; N. A. Riza und M. M. K. Howlader, "Acousto-optic system for the generation and control of tunable low-frequency signals", Opt. Eng., Vol. 35, S. 920-925, 1996), Benutzung einer einzelnen akusto-opti schen Bragg-Zelle (vgl. beispielsweise US-PS 4 684 828; US-PS 4 687 958; US-PS 5 485 272; US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/686536 "Apparatus to Transform with High Efficiency a Single Frequency Linearly Polarized Laser Beam Into Beams with Two Orthogonally Polarized Frequency Components"), Benutzung von zwei Längsmoden eines ungerichtet polarisier ten HeNe-Lasers (vgl. beispielsweise J. B. Ferguson und R.

H. Morris, "Single Mode Collapse in 6328 A HeNe Lasers", Applied Optics, Vol. 17, S. 2924-2929, 1978) oder Be nutzung eines elektro-optischen Modulators (vgl. beispiels weise Der-Chin Su et al., "Simple two-frequency laser", Precision Engineering, Vol. 18, S. 161-163, 1996).

Die Benutzung eines Zeeman Splitlasers oder eines Lasers, der die beiden Längsmoden benutzt, bietet sich nicht als Zwei-Frequenz-Quelle auf dem Objektträger an, und zwar wegen ihrer Größe und Wärmeentwicklung. In gleicher Weise bietet sich die Benutzung eines Zeeman-Splitlasers oder eines Lasers, der zwei Längsmoden benutzt, nicht als Zwei- Frequenz-Lichtquelle an, die nicht auf dem Objektträger, sondern fern von diesem benutzt wird, weil die Techniken, die in Yoshino 1988 veröffentlicht wurde, benutzt werden müssen, und zwar mit den ihnen anhaftenden Begrenzungen.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird klar, daß der Stand der Technik kein einfaches und praktisches Verfahren zur Messung einer Bewegung eines Objektträgers liefert, das eine Zwei-Frequenz-Versetzungsinterferometrie mit Licht quellen benutzt, die nicht auf dem Objektträger angeordnet sind. Dieser Nachteil des Standes der Technik hat dazu geführt, daß es keine praktischen Zwei-Frequenz-Interfero metriesysteme gibt, bei denen Lichtquelle und Interfero meterreflektorelemente sich nicht auf dem sich bewegenden Objektträger befinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Interferometer zur Messung von Bewegungen eines Objektträgers relativ zu festen Reflektoren geschaffen, das folgende Teile umfaßt: eine Quelle eines frequenzstabilisierten, linear polari sierten Strahls einer einzigen Frequenz, die in eine opti sche Faser geschickt wird, um den Strahl einem Modul auf dem sich bewegenden Objektträger zu übermitteln; das Modul enthält eine vorzugsweise akusto-optische Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahls mit einer Frequenzdifferenz zwi schen zwei orthogonalen Polarisationskomponentenzuständen des Strahls, der den Generator erregt, eine Strahlformungs- und -teileroptik, einen oder mehrere Interferometer, einen oder mehrere optische Mischer und eine oder mehrere Fokus sierungsoptiken, um die Ausgangsstrahlen der Interferometer in eine oder mehrere optische Fasern zu schicken, die die Interferenzsignale photoelektrischen Detektoren liefern, wobei eine Prozeßelektronik vorgesehen ist, die Daten über die Bewegung des Objektträgers liefert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Konversions moduls, das auf dem sich bewegenden Objektträger der Aus führungsform nach Fig. 1 angeordnet ist.

Einzelbeschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt in schematischer Form ein gegenwärtig bevor zugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Lichtquelle 10 liefert einen linear polarisierten, fre quenzstabilisierten Lichtstrahl einer einzigen Frequenz, der in die optische Faser 12 unter Benutzung bekannter Verfahren eingekoppelt wird. Die optische Faser 12 führt den Lichtstrahl einem Modul 14 zu, das auf einem sich be wegenden Objektträger 16 angeordnet ist. Das Modul 14 wan delt den von der optischen Faser 12 gelieferten Lichtstrahl in Meßstrahlen 18 und 20 um. Diese Umwandlung wird im ein zelnen in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben. Zwei ebene Spiegel 24 und 25 sind stationär angeordnet, d. h. sie sind an dem sich nicht bewegenden Teil der Vorrichtung montiert. Der Objektträger 16 kann sich in der Ebene von Fig. 1, d. h. in X-Y-Richtung gemäß Fig. 1, bewegen. Das Modul 14 (vgl. Fig. 2) enthält vorzugsweise die Mittel zur Umwand lung des Ein-Frequenz-Strahls der Lichtquelle 10 in einen Zwei-Frequenz-Strahl, der senkrecht polarisiert ist; es sind herkömmliche Interferometer 52, 54 vorgesehen, um die Versetzungsmessung durchzuführen; ferner sind optische Mischer und Mittel vorgesehen, die die vermischten opti schen Signale in optische Fasern 26 und 28 einkoppeln. Ein elektronisches Modul 30 enthält einen (nicht dargestellten) stabilisierten elektronischen Oszillator, der vorzugsweise ein elektrisches Signal 29 an ein Element 42 im Modul 14 schickt, das den Ein-Frequenz-Strahl in einen Zwei-Fre quenz-Strahl umwandelt. Das elektronische Modul 30 enthält vorzugsweise auch Linsen 32 und 34 zur Fokussierung der Lichtsignale von den Interferometern 52, 54 auf die Photo detektoren 36 und 38. Die Ausgänge der Photodetektoren 36 und 38 werden so verarbeitet, daß die Bewegungsinformation auf irgendeine Weise erhalten wird, wie dies beispielsweise aus der US-PS 4 688 926 hervorgeht.

Fig. 2 beschreibt im einzelnen das Umwandlungsmodul 14. Das Modul 14 enthält vorzugsweise einen Frequenzgenerator 42, der eine Umwandlung von einer einzigen Frequenz in eine Doppelfrequenz bewirkt, und zwar vorzugsweise eine akusto optische Vorrichtung, ähnlich wie diese in den US-PS 4 684 828 und 4 687 958 beschrieben sind. Eine Linse 40 sammelt vorzugsweise den Ein-Frequenz-Strahl, der die opti sche Faser 12 erregt und diese in einen Ein-Frequenz-Strahl 41 umwandelt. Der Strahl 41 durchläuft vorzugsweise den Zwei-Frequenz-Generator 42, um einen Zwei-Frequenz-Kolli mationsstrahl 44 zu erzeugen. Der Strahl 44 durchläuft vorzugsweise einen herkömmlichen Strahlteiler 46, um zwei Strahlen 48 bzw. 50 zu erzeugen. Die Strahlen 48 und 50 sind die Eingangsstrahlen für die Interferometer 54 bzw. 52. Die Interferometer 54 und 52 können von bekannter Bau art sein, wie diese beispielsweise in der Druckschrift C. Zanoni, "Differential Interferometer Arrangements for Distance and Angle Measurements: Principles, Advantages and Applications", S. 93-106, VDI-Berichte Nr. 749, 1989, be schrieben sind. Die Meßstrahlen 18 und 20 werden vorzugs weise von den ebenen Spiegeln 24 bzw. 25 reflektiert, um Interferometerausgangsstrahlen 55 bzw. 57 zu erzeugen. Die Strahlen 55 und 57 durchlaufen dann vorzugsweise herkömm liche Polarisatoren 56 bzw. 58 und werden dann in die opti schen Fasern 28 bzw. 12 durch Linsen 60 bzw. 62 eingekop pelt.

Die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß eine Zwei-Frequenz-Interferometrie benutzt wer den kann, wobei die Lichtquelle nicht auf dem sich bewe genden Objektträger angeordnet ist. Die einzigen Elemente auf dem Objektträger sind der Zwei-Frequenz-Generator, die Interferometer, die optischen Faseraufnahmeempfänger und eine gewisse Optik. Dies führt zu einem kompakten Modul mit einer minimalen Wärmeerzeugung auf dem sich bewegenden Objektträger.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Für den Fach mann ist es jedoch klar, daß zahlreiche Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele getroffen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Sämtliche Kom binationen von Elementen und Schritten, die die gleiche Funktion durchführen, sollen im Rahmen der Erfindung von den nachfolgenden Ansprüchen erfaßt werden.

Claims

1. Interferometrisches System zur Lieferung einer Messung einer Bewegung eines sich bewegenden Objektträgers, wobei das System folgende Merkmale aufweist:

- eine Quelle eines linear polarisierten, in der Fre quenz stabilisierten Ein-Frequenz-Lichtstrahls, wobei diese Quelle entfernt von dem sich bewegenden Objektträger an geordnet und optisch auf diesen ausgerichtet ist;
- optische Fasern, die zwischen der entfernten Licht quelle und dem sich bewegenden Objektträger angeordnet sind, um den Lichtstrahl dem sich bewegenden Objektträger zuzuführen;
- der sich bewegende Objektträger umfaßt ein Modul, und die optischen Fasern umfassen Mittel, um den Lichtstrahl dem Modul zuzuführen, wobei das Modul Mittel aufweist, um den ankommenden Ein-Frequenz-Lichtstrahl in einen Doppel- Frequenz-Lichtstrahl mit orthogonaler Polarisierung umzu wandeln, und wobei das Modul außerdem wenigstens einen ersten und einen zweiten Interferometer aufweist, um erste und zweite Meßstrahlen und erste und zweite Lichtsignal ausgänge zu erzeugen, um die Bewegung, die hierauf basiert, zu messen;
- erste und zweite feste Reflektoren sind fern von dem sich bewegenden Objektträger angeordnet und optisch auf das erste bzw. zweite Interferometer ausgerichtet, um den er sten bzw. zweiten Meßstrahl zu reflektieren und die ersten und zweiten Interferometerlichtsignalausgänge zu liefern, die eine Messung der Bewegungen des sich bewegenden Objekt trägers relativ zu dem ersten und zweiten Reflektor be wirken; und
- Mittel zur Umwandlung des ersten und zweiten Signal ausgangs in die Messung der Versetzung.

2. Interferometrisches System nach Anspruch 1, bei welchem der erste und zweite Reflektor aus ebenen Spiegeln bestehen.

3. Interferometrisches System nach Anspruch 2, bei welchem die Mittel zur Umwandlung des ersten und zweiten Lichtsignalausgangs in die Bewegungsmessung aus Photodetek toren bestehen, die optisch auf den ersten und zweiten Lichtsignalausgang ausgerichtet sind.

4. Interferometrisches System nach Anspruch 3, bei welchem der Photodetektor getrennte erste bzw. zweite Photo detektoren für den ersten und zweiten Lichtsignalausgang aufweist.

5. Interferometrisches System nach Anspruch 4, bei welchem außerdem Mittel vorgesehen sind, um die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge auf dem ersten bzw. zweiten Photodetektor zu fokussieren.

6. Interferometrisches System nach Anspruch 5, bei welchem die Mittel zur Umwandlung des Ein-Frequenz-Licht strahls in einen Zwei-Frequenz-Lichtstrahl akusto-optische Mittel aufweisen.

7. Interferometrisches System nach Anspruch 1, bei welchem die Mittel zur Umwandlung der ersten und zweiten Lichtsignalausgänge in Bewegungsmessungen aus einer Photo detektoranordnung bestehen, die optisch auf die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge ausgerichtet sind.

8. Interferometrisches System nach Anspruch 7, bei welchem die Photodetektoranordnung einen getrennten ersten und einen getrennten zweiten Photodetektor für die ersten bzw. zweiten Lichtsignalausgänge aufweist.

9. Interferometrisches System nach Anspruch 8, wel ches außerdem Mittel aufweist, um die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge auf dem ersten bzw. zweiten Photodetek tor zu fokussieren.

10. Interferometrisches System nach Anspruch 9, bei welchem die Mittel zur Umwandlung des Ein-Frequenz-Licht strahls in den Zwei-Frequenz-Lichtstrahl eine akusto-opti sche Einrichtung aufweisen.

11. Interferometrisches System nach Anspruch 1, bei welchem die Mittel zur Umwandlung des Ein-Frequenz-Licht strahls in den Zwei-Frequenz-Lichtstrahl aus einer akusto optischen Einrichtung bestehen.

12. Interferometrisches System nach Anspruch 1, bei welchem die Frequenzumwandlungseinrichtung Mittel aufweist, um den Ein-Frequenz-Lichtstrahl zu sammeln, der darauf über die optische Faser geliefert wird.

13. Interferometrisches System nach Anspruch 12, bei welchem die Frequenzumwandlungseinrichtung außerdem Mittel aufweist, um den Ein-Frequenz-Kollimatorstrahl in einen Zwei-Frequenz-Kollimatorstrahl umzuwandeln, wobei der Zwei- Frequenz-Kollimatorstrahl die beiden Frequenzen senkrecht polarisiert enthält.

14. Interferometrisches System nach Anspruch 13, bei welchem die Frequenzumwandlungseinrichtung außerdem Mittel aufweist, um den Zwei-Frequenz-Strahl in zwei getrennte Eingangsstrahlen für das erste bzw. zweite Interferometer umzuwandeln.

15. Interferometrisches System nach Anspruch 14, bei welchem das Modul außerdem einen Polarisator aufweist, der optisch auf die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge ausgerichtet ist, um die Ausgänge hindurchtreten zu lassen.

16. Interferometrisches System nach Anspruch 1, bei welchem das Modul außerdem einen Polarisator aufweist, der optisch auf die ersten und zweiten Lichtsignalausgänge ausgerichtet ist, um die Ausgänge hindurchtreten zu lassen.