DE4226136A1 - Heterodyne diffraction optical interferometer - directs beam through input transmission grating on transparent block, and reflects off rear reflection layer to second reflective layer on input surface - Google Patents

Abstract

The interferometer derives measurement information from the interference of two beams of different frequencies using a source location for each beam to produce sub-beams with at least partly coincident propagation directions. Each sub-beam has a common path with the associated sub-beam of the other frequency after passing along an interferometer arm. The source locations lie in different transmission grid structures (3,4) between which lie reflective layers (7,8) facing a second (2) of two carrier surfaces (1,2). The second surface contains transmission cross-grid structures (9,10) for the sub-beams of one frequency adjacent to the interferometer arm, reflection cross-grid structures for the other frequency's sub beams and central transmission grid structures for producing the common beam path. A beam path for the sub-beams passes between the carrier surfaces from the source locations to the cross-grid structures and via the reflection films to the transmission grid structures to form the common beam paths. USE/ADVANTAGE - For use in length measurement, heterodyne interferometer can be made conveniently and effectively in large numbers.

Description

Die Erfindung betrifft ein beugungsoptisches Interferometer, das nach dem Heterodynverfahren arbeitet und üblicherweise in der Längenmeßtechnik einsetzbar ist.The invention relates to an optical diffraction interferometer, which works according to the heterodyne method and usually in the length measurement technology can be used.

In der interferometrischen Längenmeßtechnik sind Heterodyn-Ver­ fahren, die mit zwei engbenachbarten Bildfrequenzen arbeiten, seit vielen Jahren eingeführt.In interferometric length measurement technology, heterodyne ver drive that work with two closely adjacent frame rates, introduced for many years.

Der Vorteil derartiger Interferometer liegt in der einfachen Meßsignalauswertung der dem Meßweg proportionalen Phasen­ verschiebung.The advantage of such interferometers is that they are simple Measurement signal evaluation of the phases proportional to the measurement path shift.

Bei Heterodyninterferometern, wie sie z. B. in EP 0431792 oder EP 0467343 beschrieben sind, wird ein Interferometerarm mit einem Strahlenbündel der ersten Frequenz und der zweite Inter­ ferometerarm mit einem Strahlenbündel der zweiten Frequenz be­ trieben. Nach Durchlaufen des Meßweges werden beide Strahlen­ bündel polarisationsgleich überlagert und die Phasenverschie­ bung des mit der Differenzfrequenz periodischen Interferenzsig­ nals zu der eines Referenzsignales, das durch eine Überlagerung der Strahlenbündel beider Frequenzen vor der Aufteilung auf die beiden Interferometerarme als Interferenzsignal erzeugt wird, verglichen.In heterodyne interferometers, as z. B. in EP 0431792 or EP 0467343 describes an interferometer arm a beam of the first frequency and the second inter low in ferometer with a beam of the second frequency drove. After passing through the measuring path, both beams are bundle superimposed polarization-like and the phase shift Exercise of the periodic interference signal with the difference frequency nals to that of a reference signal caused by an overlay the beams of both frequencies before splitting them on two interferometer arms is generated as an interference signal, compared.

Der Nachteil für die technische Realisierung an diesem Prinzip ist, daß eine identische Strahlführung der Strahlenbündel bei­ der Frequenzen vom ersten Interferenzort zur Referenzsignal­ gewinnung bis zur Aufteilung auf die beiden Interferenzarme zwingend notwendig ist.The disadvantage for the technical implementation of this principle is that an identical beam guidance of the beams the frequencies from the first interference location to the reference signal extraction up to the division between the two interference arms is imperative.

Neben einer stabilen Differenzfrequenz setzt die meßtechnische Anwendung von Heterodyninterferometern stabile Einzelfrequenzen voraus und erfordert die Korrektur von Umwelteinflüssen, falls die Messung nicht im Vakuum erfolgt. Darüberhinaus sind für den Aufbau eine Reihe unterschiedlicher optischer Mittel, wie Strahlteiler, Polarisationsteiler, /4 Platten u. a. notwendig, die eine Miniaturisierung erschweren. Außerdem führt ihre Un­ vollkommenheit zu nichtlinearen Phasenfehlern und damit zu Un­ genauigkeiten bei der Messung, die nur durch erheblichen zu­ sätzlichen Aufwand zu beseitigen sind (Hoe, Wenmei; Wilkening, Günter; PTB Braunschweig 1991 "Investigation and Compensation of the Non linearity of Heterodyne Interferometers").In addition to a stable differential frequency, the metrological Application of heterodyne interferometers stable single frequencies ahead and requires environmental correction, if the measurement is not carried out in a vacuum. In addition, are for the Building a number of different optical means, such as Beam splitter, polarization splitter, / 4 plates u. a. necessary, that complicate miniaturization. In addition, their Un completeness to nonlinear phase errors and thus to Un Accuracies in the measurement that can only be achieved by considerable  additional effort must be eliminated (Hoe, Wenmei; Wilkening, Günter; PTB Braunschweig 1991 "Investigation and Compensation of the non linearity of heterodyne interferometers ").

Deshalb wurde bereits ein mehrarmiges Interferometer vorge­ schlagen, bei dem für beide Strahlenbündel Quellorte zur Erzeu­ gung von Teilstrahlenbündeln vorgesehen sind. Jedes Teil­ strahlenbündel der einen Frequenz durchläuft einen Interfero­ meterarm und wird dann mit einem zugeordneten Teilstrahlen­ bündel der anderen Frequenz zur Interferenzbildung überlagert, wodurch Frequenzschwankungen der Laserlichtquelle und Änderun­ gen der Umweltbedingungen das erzielte Meßergebnis weitest­ gehend unbeeinflußt lassen.For this reason, a multi-arm interferometer has already been featured strike, at the source locations for both bundles of rays supply of partial beams are provided. Every part Beams of one frequency pass through an interfero meters and is then with an assigned partial beams bundles of the other frequency superimposed to form interference, whereby frequency fluctuations of the laser light source and changes against the environmental conditions the measurement result achieved as far as possible leave unaffected.

Für ein derartiges Interferometer besteht die Aufgabe, eine technische Lösung zu finden, die mit einem technologisch gut handhabbaren Verfahren effektiv in hoher Stückzahl fertigbar ist.The task for such an interferometer is one to find technical solution with a technologically good manageable processes can be effectively manufactured in large quantities is.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem beugungsoptischen Interferometer, bei dem die Meßinformation aus der Interferenz zweier Strahlenbündel verschiedener Frequenzen gewonnen wird, wobei für jedes Strahlenbündel ein Quellort zur Erzeugung von Teilstrahlenbündeln vorgesehen ist, die bei zumindest ab­ schnittsweise gleicher Ausbreitungsrichtung einander zugeordnet sind, und von denen jedes Teilstrahlenbündel der einen Frequenz nach seinem Durchlaufen eines Interferometerarms einen gemein­ samen Strahlengang mit dem zugeordneten Teilstrahlenbündel der anderen Frequenz zur Interferenzbildung besitzt, dadurch ge­ löst, daß die Quellorte in verschiedenen, zueinander parallelen Beugungsebenen voneinander in sich gegenüberliegenden äußeren Bereichen einer ersten von zwei zueinander parallen, planen Trägerflächen getrennt angeordneter Transmissionsgitterstruk­ turen liegen, zwischen denen zumindest in Abschnitten aufge­ brachte, der zweiten Trägerfläche zugewandte Reflexionsschich­ ten vorhanden sind, daß die zweite Trägerfläche in ihren, den Transmissionsgitterstrukturen der ersten Trägerfläche gegen­ überliegenden äußeren Bereichen für die Teilstrahlenbündel der einen Frequenz Transmissions-Kreuzgitterstrukturen, denen die Interferometerarme benachbart sind, für die Teilstrahlenbündel der anderen Frequenz Reflexions-Kreuzgitterstrukturen und im mittleren Bereich Transmissionsgitterstrukturen zur Erzeugung der gemeinsamem Strahlengänge aufweist, und daß zwischen den Trägerflächen eine Strahlführung für die Teilstrahlenbündel von den Quellorten zu den Kreuzgitterstrukturen und über die Re­ flexionsschichten zu den Transmissionsgitterstrukturen zur Er­ zeugung der gemeinsamen Strahlengänge erfolgt.According to the invention, the object is an optical diffraction Interferometer, in which the measurement information from the interference two beams of different frequencies are obtained, a source location for the generation of each beam Partial beams are provided, which at least from assigned to each other in sections with the same direction of propagation are, and each of which beams of one frequency after passing through an interferometer arm a mean seed beam path with the assigned partial beam of has another frequency for interference formation, thereby ge solves that the source locations in different, parallel to each other Diffraction planes from each other in opposing outer Parallel areas of a first of two, plan Carrier surfaces of separately arranged transmission grid structure Doors lie between which at least in sections brought, reflection layer facing the second support surface ten are present that the second support surface in their, the Transmission grid structures of the first carrier surface against outer areas for the partial beams of the a frequency transmission cross-lattice structures that the  Interferometer arms are adjacent for the partial beams the other frequency reflection cross-lattice structures and in middle area transmission grid structures for production which has common beam paths, and that between the Carrier surfaces a beam guide for the partial beams of the source locations to the cross-lattice structures and via the Re flexion layers to the transmission grid structures to the Er Generation of the common beam paths takes place.

Durch die Anordnung von Aufteilungs- Umlenk- und Vereinigungs­ elementen auf zueinander parallelen, ebenen Trägerflächen ist die effektive Herstellung derartiger Interferometer in hoher Stückzahl möglich.By arranging the diverting and redirecting elements on mutually parallel, flat support surfaces the effective manufacture of such interferometers in high Number of pieces possible.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on the schematic Drawing will be explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein beugungsoptisches Interferometer in der Verbindungsebene der beiden Strahlenbündel, Fig. 1 is a vertical section through a diffraction optical interferometer in the connecting plane of the two beams,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch das Interferometer in der Beugungsebene für das Strahlenbündel der einen Frequenz. Fig. 2 shows a horizontal section through the interferometer in the diffraction plane for the beam of one frequency.

In zwei zueinander parallen Ebenen sind als Planflächen eines transparenten Körpers ausgebildete Trägerflächen 1, 2 angeord­ net, von denen die eine in zwei sich gegenüberliegenden äu­ ßeren Bereichen aufgebrachte Transmissionsgitterstrukturen 3, 4 besitzt, auf die Teilstrahlenbündel 5, 6 gerichtet sind, deren Frequenz f₁ und f₂ sich um einen für Heterodynverfahren üb­ lichen Betrag unterscheiden.Carrier surfaces 1 , 2 designed as flat surfaces of a transparent body are arranged in two planes parallel to one another, one of which has transmission grating structures 3 , 4 applied in two opposite outer regions and directed onto the partial beams 5 , 6 , the frequency of which f ₁ and f ₂ differ by an amount customary for heterodyne processes.

Zwischen den äußeren Bereichen der Trägerfläche 1 ist eine zu­ mindest in Abschnitten 7, 8 versetzt zum mittleren Bereich auf­ gebrachte, der Trägerfläche 2 zugewandte Reflexionsschicht vor­ handen. Die Trägerfläche 2 besitzt in Abschnitten, die den Transmissionsgitterstrukturen 3, 4 gegenüberliegen, Kreuzgit­ terstrukturen 9, 10, die auftreffende Teilstrahlenbündel, deren Erzeugung in Fig. 2 für das Strahlenbündel 5 der einen Frequenz f₁ dargestellt ist, und die mit 11, 12 und 13 bezeichnet sind, parallel zueinander und nach ihrem Rücklauf in den transparen­ ten Körper auf die Reflexionsschicht richten.Between the outer regions of the carrier surface 1 is at least in sections 7 , 8 offset to the central region applied to the carrier surface 2 facing reflection layer before. The carrier surface 2 has, in sections which are opposite the transmission grating structures 3 , 4 , cross grating ter structures 9 , 10 , the incident partial beams, the generation of which is shown in FIG. 2 for the beams 5 of the one frequency f ₁ , and with 11, 12 and 13 are referred to, parallel to each other and after their return to the transparen th body on the reflective layer.

Während für die Teilstrahlenbündel 11, 12, und 13 der Rücklauf durch Reflexion in jeweils einem Interferometerarm 15, 16, 17 erzeugt wird, treten die Teilstrahlenbündel der anderen Fre­ quenz f₂, die an der Gitterstruktur 4 in gleicher Weise ent­ stehen wie die Teilstrahlenbündel 11, 12, 13, und von denen das mittlere Teilstrahlenbündel 16 in Fig. 1 zu sehen ist, aus dem transparenten Körper nicht aus, sondern werden an der Kreuz­ gitterstruktur 10, die als Reflexionsgitter ausgebildet ist, reflektiert.While for the partial beams 11 , 12 , and 13 the return is generated by reflection in one interferometer arm 15 , 16 , 17 , the partial beams of the other frequency f _{2 occur} , which arise on the grating structure 4 in the same way as the partial beams 11 , 12 , 13 , and of which the middle partial beam 16 can be seen in FIG. 1, not from the transparent body, but are reflected on the cross grating structure 10 , which is designed as a reflection grating.

Im mittleren Bereich der Trägerfläche 2 ist eine Transmissions­ gitterstruktur 14 aufgebracht, auf die alle Teilstrahlenbündel fallen und die der Erzeugung gemeinsamer Strahlengänge zur In­ terferenzbildung dient. Gemeinsame Strahlengänge sind jeweils für ein Paar von Teilstrahlenbündeln vorgesehen, die vom Ort ihrer Entstehung, dem Quellort, bis zur Trägerfläche 2 eine gleiche Ausbreitungsrichtung besitzen. Für jeden der Überla­ gerungsstrahlenbündel ist ein Empfänger vorhanden. Fig. 1 zeigt einen der Empfänger 19 und das Überlagerungsstrahlenbündel 20. Das beschriebene Interferometer läßt sich schrittweise her­ stellen, durch eine Original-Schicht-Erzeugung, eine Matrix­ herstellung aus den Originalen, eine Herstellung von Verbund­ matrizen sowie die Vervielfältigung der auf den Verbundmatrizen eingespeicherten Strukturen in ebenen Schichten, die auf die Trägerfläche des transparenten Körpers aufgebracht werden. Durch Vereinzeln lassen sich identische Interferometer erzeugen.In the central region of the support surface 2 , a transmission grating structure 14 is applied, onto which all partial beams fall and which serves to generate common beam paths for interference formation. Common beam paths are each provided for a pair of partial beam bundles which have the same direction of propagation from the point of their origin, the source location, to the support surface 2 . There is a receiver for each of the superimposed beams. Fig. 1 shows one of the receiver 19, and the superimposed beam bundle 20. The interferometer described can be produced step by step, through an original layer generation, a matrix production from the originals, a production of composite matrices and the duplication of the structures stored on the composite matrices in flat layers, which are applied to the support surface of the transparent body will. Separating can produce identical interferometers.

Die Herstellung der Original-Beugungs-Schichten erfolgt zum Beispiel interferentiell, wobei die Kreuzgitter für beide Dis­ persionsrichtungen sowohl simultan als auch separat und durch nachträgliche Überlagerung vereinigt hergestellt werden können.The original diffraction layers are produced at Example interferential, the cross lattice for both dis directions of persistence both simultaneously and separately and through Subsequent overlay can be combined.

Claims (1)

Beugungsoptisches Interferometer, bei dem die Meßinformation aus der Interferenz zweier Strahlenbündel verschiedener Fre­ quenzen gewonnen wird, wobei für jedes Strahlenbündel ein Quellort zur Erzeugung von Teilstrahlenbündeln vorgesehen ist, die bei zumindest abschnittsweise gleicher Ausbreitungsrichtung einander zugeordnet sind, und von denen jedes Teilstrahlen­ bündel der einen Frequenz nach seinem Durchlaufen eines Inter­ ferometerarms einen gemeinsamen Strahlengang mit dem zugeord­ neten Teilstrahlenbündel der anderen Frequenz zur Interferenz­ bildung besitzt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Quellorte in verschiedenen, zueinander parallelen Beu­ gungsebenen voneinander in sich gegenüberliegenden äußeren Be­ reichen einer ersten von zwei zueinander parallelen, planen Trä­ gerflächen getrennt angeordneter Transmissionsgitterstrukturen liegen, zwischen denen zumindest in Abschnitten aufgebrachte, der zweiten Trägerfläche zugewandte Reflexionsschichten vor­ handen sind,
daß die zweite Trägerfläche in ihren, den Transmissionsgitter­ strukturen der ersten Trägerfläche gegenüberliegenden äußeren Bereichen für die Teilstrahlenbündel der einen Frequenz Trans­ missions-Kreuzgitterstrukturen, denen die Interferometerarme benachbart sind, für die Teilstrahlenbündel der anderen Frequenz Reflexions-Kreuzgitterstrukturen und im mittleren Bereich Transmissionsgitterstrukturen zur Erzeugung der gemeinsamem Strahlengänge aufweist,
und daß zwischen den Trägerflächen eine Strahlführung für die Teilstrahlenbündel von den Quellorten zu den Kreuzgitterstruk­ turen und über die Reflexionsschichten zu den Transmissions­ gitterstrukturen zur Erzeugung der gemeinsamen Strahlengänge erfolgt.Diffraction-optical interferometer, in which the measurement information is obtained from the interference of two beams of different frequencies, with a source location being provided for each beam for generating partial beams which are assigned to one another with at least sections of the same direction of propagation, and each of which beams of one frequency after passing through an interferometer arm has a common beam path with the assigned partial beam of the other frequency for interference formation, characterized in that
that the source locations in different, mutually parallel Beu supply planes from each other in mutually opposite outer areas of a first of two mutually parallel, planar carrier surfaces are arranged separately arranged transmission grating structures, between which at least in sections applied, the second carrier surface facing reflection layers are present,
that the second carrier surface, the transmission grating structures opposite the first carrier surface for the partial beams of the one frequency transmission cross-lattice structures to which the interferometer arms are adjacent, for the sub-beams of the other frequency reflection cross-lattice structures and in the central region transmission lattice structures for generating the has a common beam path,
and that between the support surfaces a beam guide for the partial beams from the source locations to the cross-lattice structures and via the reflection layers to the transmission grating structures for generating the common beam paths.