DE69014205T2

DE69014205T2 - Optische messinstrumente.

Info

Publication number: DE69014205T2
Application number: DE69014205T
Authority: DE
Inventors: Michael John Downs
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1989-09-08
Filing date: 1990-09-07
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-09-08
Also published as: JPH05500712A; JP2997047B2; EP0490956B1; GB2235789A; EP0490956A1; US5847828A; GB2235789B; GB8920364D0; DE69014205D1; GB9019647D0; WO1991003702A1

Description

Die Erfindung betrifft optische Meßinstrumente und insbesondere Laser-Interferometer.
Die optische Interferometrie wird weithin verwendet für die Messung von Längen, und die Kohärenz von Laserstrahlung ermöglicht streifenzählende Systeme mit Meßbereichen in der freien Atmosphäre von bis zu 50 Metern. Die meist verwendete Strahlungsquelle sind frequenzstabilisierte Helium-Neon-Laser. Diese Vorrichtungen sind am Markt erhältlich und die Erfahrung hat gezeigt, daß ihre Frequenzen während der üblichen Lebensdauer der Laserröhre sich normalerweise nicht stärker ändern als nur wenige Einheiten aus 10&sup8;. Interferometer messen Längen in Einheiten der Wellenlängen der Strahlung und dann, wenn sie in der freien Atmosphäre verwendet werden, ist es wichtig, eine Korrektur bezüglich des Brechungsindex der Luft vorzunehmen. Die zwei zur Zeit verwendeten Techniken für diese Korrektur sind die Berechnung des Brechungsindexwertes unter Verwendung der Edlen-Gleichung durch Messung des Atmosphärendruckes, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit, und andererseits die direkte Messung unter Verwendung eines Interferenz-Refractometers. Vergleiche zwischen den berechneten und gemessenen Werten haben gezeigt, daß dort, wo eine Ungenauigkeit in der Größenordnung von etwa ± 1 Einheit aus 10&sup7; hinnehmbar ist bezüglich des Brechungsindex der Luft, der berechnete Wert verwendet werden kann. Diese Ungenauigkeit wird auf angenähert eine Einheit aus 10&sup8; reduziert, wenn ein Refractometer verwendet wird.
Durch Verwendung elektronischer Systeme zum Analysieren der elektrischen Signale, die aufgrund der Änderungen der optischen Weglängen erzeugt werden, können Ergebnisse im Sub-Nanometerbereich mittels Interferometer-Systeme gewonnen werden, wobei vorausgesetzt ist, daß Störungen aufgrund von Temperaturschwankungen, Vibrationen und Luftturbulenzen usw. minimiert sind. Gleichwohl sind aber noch zwei systematische Grenzen hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit gegeben, wenn mit einer solch hohen Auflösung gearbeitet wird.
Viele interferometrische Systeme verwenden Polarisationstechniken, um die elektrischen Signale zu gewinnen, die erforderlich sind, um mit ihren optischen Ausgangssignalen eine reversible Streifenzählung durchzuführen. Die Signale sollten sinusförmig von den Wegdifferenzen abhängen und im Idealfall sollten sie phasenquadratisch, gleich in der Amplitude und ihre mittleren Gleichstrompegel sollten Null sein. In Praxis sind aber die Signale nicht ideal und wenn eine Messung mit einer Genauigkeit besser als im Nanometerbereich angestrebt wird, bedeuten die Abweichungen von den Idealwerten eine Begrenzung der mit dem Interferometer-System erreichbaren Genauigkeit. Polarisierende Strahlteiler in Dünnfilmtechnik, die eine ausreichende Trennung der zwei orthogonal polarisierten Strahlen bewirken, sind nicht erhältlich und es ist bisweilen schwierig, die erforderliche Justierung des Polarisations-Azimuth der optischen Komponenten aufrechtzuerhalten. Es ist aber möglich, solche Systeme mit nicht-idealen optischen Signalen elektronisch zu korrigieren. Dies wird dadurch erreicht, daß der optische Weg im Interferometer über zumindest einen Streiden abgetastet und die Phasen, Amplituden und Gleichspannungspegel der Signale geprüft werden, sowohl um erforderliche Änderungen zu berechnen, als auch um die Sinusförmigkeit der Interferometer-Signale zu sichern.
Streureflexionen sind eine andere ernst zu nehmende systematische Begrenzung bei der Erreichung sowohl der Genauigkeit als auch der Auflösung mit Interferometern. Bei Verwendung einer Laserquelle sind die unerwünschten Strahlen kohärent, so daß sogar schon ein Zehntel von 1% der Strahlenergie eine verfälschende Variation im Interferometer-Signal und einen Fehler bezüglich der Nicht-Linearität von 1,6 nm in der optischen Weglängenmessung verursachen kann.
Das US-Patent 4 278 351 beschreibt ein Interferometer mit hoher Auflösung, welches keilförmige Kompensationsscheiben verwendet, um eine Fehljustierung des Lichtstrahls zu kompensieren.
Das US-Patent 4 265 540 beschreibt ein refractiv abgetastetes Interferometer mit einem keilförmigen Prisma, um eine Aberration zu kompensieren.
Im britischen Patent 2 012 450 B wird ein Interferometer beschrieben (welches nachfolgend als NPL-Interferometer bezeichnet ist), welches einen scheibenförmigen Strahlteiler verwendet. Es ist üblich, bei diesem Typ von Interferometer die Einflüsse von Reflexionen an der nicht-strahlenteilenden Oberfläche dadurch zu minimieren, daß sowohl eine herkömmliche Antireflexionsbeschichtung auf der Oberfläche verwendet wird und daß auch die Strahlteiler-Platte geringfügig keilförmig gestaltet ist. Die letztgenannte Maßnahme ist ein höchst wirksamer Weg, das Problem zu lösen. Mit den von Rowley angegebenen Gleichungen (WRC Rowley "Signal strength in two-beam interferometers with laser illumination" Optica Acta 16 (1969), 159-168) kann gezeigt werden, daß die Strahldivergenz, die durch einen Keil von etwa 1,5 Bogen-Minuten bewirkt wird, hinreichende Streifen über die Öffnung erzeugt, und bei einer Gauss-Verteilung mit 1 mm Durchmesser bezüglich jeder auf den Photodetektor fallenden Streu-Reflexionen den Einfluß auf die Phasen des Interferogramms kleiner hält als ein Nanometer.
Obwohl die Keilanordnung die Probleme aufgrund von Streu-Reflexionen überwindet, wird andererseits aber ein Problem dadurch erzeugt, daß diese Maßnahme den Strahlteiler in ein schwaches Prisma verwandelt. Die sich ergebende Strahldivergenz, zusammen mit der durch den 45º-Einfallswinkel auf der Platte erzeugten Verschiebung, hat als Bedingung zur Folge, daß der Strahlteiler an seinem Ort sein muß wenn der optische Strahl in Bezug auf die mechanische Bewegungsachse justiert wird. In Praxis macht diese Justierung erhebliche Schwierigkeiten und darüberhinaus verhindert sie den Austausch der Strahlteiler durch andere Strahlteiler als solche, die mit einer ganz bestimmten Stärke und mit einem ganz bestimmten Keilwinkel hergestellt worden sind. Um Messungen mit einer Genauigkeit besser als im Nanometerbereich hinsichtlich der Auflösung bei Interferometern mit einer Strahlteilerplatte zu erreichen, wurde ein System mit Strahlteiler und Kompensationsplatte ins Auge gefaßt.
Erfindungsgemäß ist ein Michelson-Interferometer vorgesehen mit einer Kompensatorplatte, die so ausgelegt ist, daß sie Strahlung von einer Strahlungsquelle empfängt, wobei ein keilförmiger Strahlteiler 7 vorgesehen ist, um die einfallende Strahlung in einen durchgelassenen Strahl 3, der eine umgekehrt keilförmige Kompensatorplatte 9 mit im wesentlichen gleichem Keilwinkel wie der Strahlteiler passiert und zu einem Retroreflektor 11 gelangt und zurück durch die Kompensatorplatte zum Strahlteiler, und in einen reflektierten Strahl 5 aufzuteilen, der weiterhin reflektiert wird durch einen Retroreflektor 13 und wieder zum Strahlteiler 7 gelangt, wo er mit dem zurückkehrenden durchgelassenen Strahl 3 kombiniert wird, um zwei Interferogramme 15, 17 zu formen. Dabei gleicht die Kompensatorplatte Strahlverschiebungen und Abweichungen, die durch den Strahlteiler eingeführt sind, aus.
Dies ermöglicht eine optimale Justierung der optischen und mechanischen Achsen des Systems vor Einbau des Interferometer- Blocks, da dieser die Justierung des Systems überhaupt nicht berührt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch ein Michelson-Interferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 Strahlteiler- und Kompensatorplatten für das Interferometer gemäß Fig. 1; und
Fig. 3 ein Interferometer zur Längenmessung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein Michelson-Interferometer mit einer Kompensatorplatte. Ein Laserstrahl 1 gelangt in das Interferometer. Der Strahl wird aufgeteilt in einen durchgelassenen Strahl 3 und einen reflektierten Strahl 5, und zwar mittels eines keilförmigen Strahlteilers 7. Der durchgelassene Strahl 3 durchläuft eine keilförmige Kompensatorplatte und gelangt zu einem Retroreflektor 11 und zurück durch die Kompensatorplatte zum Strahlteiler. Der reflektierte Strahl 5 wird noch einmal durch einen Retroreflektor 13 reflektiert und gelangt zum Strahlteiler 7, wo er mit dem zurückkehrenden durchgelassenen Strahl 3 kombiniert wird, um zwei Interferogramme 15, 16 zu bilden. Eine Platte wirkt als Kompensator, um Strahlverschiebungen und Abweichungen, die durch den Strahlteiler verursacht sind, auszugleichen.
Eine Strahlteiler-Platte doppelt so groß wie die erforderliche Größe wird hergestellt. Diese wird sodann in zwei gleiche Teile A, B (Fig. 2a) geschnitten, welche dann in der optischen Konfiguration gemäß Fig. 2b verwendet werden. Wichtig ist, Mittel vorzusehen zur Orientierungsidentifikation auf der Platte, beispielsweise können zwei Ecken an einem Ende geringfügig angeschrägt werden, bevor die Durchtrennung erfolgt (was in den Figuren mit einem Stern angedeutet ist).
Diese Anordnung ist völlig unempfindlich bezüglich der Stärke und des Keilwinkels der orthogonalen Platte. Wenn die Richtung des Keils der Strahlteiler-Platte der Richtung entspricht, in der die Strahlen auseinanderlaufen, ist das Inteferometer-System auch chromatisch korrigiert, wenn die auslaufenden und reflektierten Lichtstrahlen symmetrisch angeordnet sind in Bezug auf das Zentrum der Strahlteiler-Platten. Dies ist dann ein Vorteil wenn eine Quelle mit mehreren Wellenlängen verwendet wird. In Fig. 1 sind die Haupt-Streureflexionen von den nicht-strahlspaltenden Flächen mit gestrichelten Linien und den Bezugszeichen 19, 21, 23 dargestellt. Der Strahl 3 weicht vom Weg ab, jedoch ist wichtig, daß der Strahlteilerkeil keine Winkelabweichung zwischen der Reflexion 1 und dem Haupt-Interferogramm einführt. Obwohl es eine mögliche Fehlerquelle ist, erfährt der Strahl zwei kleine Intensitätsreflexionen, und zwar in der Größenordnung von 1%; der Strahl ist aber beträchtlich verschoben, so daß er nicht auf den Photodetektor fällt, vorausgesetzt, daß eine Strahlteiler-Platte mit mehreren Millimetern Stärke verwendet wird.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann ein Interferometer für die Längenmessung dadurch modifiziert werden, daß ein Reflektor hinzugefügt ist, wie in Fig. 3 dargestellt ist, um zu ermöglichen, daß beide Interferogramme entfernt vom Interferometer-Block untersucht werden können.
Bei dieser Vorrichtung wird ein einfallender Laserstrahl 31 in einen durchgelassenen Strahl 33 und einen reflektierten Strahl 35 mittels eines keilförmigen Strahlteilers 37 aufgeteilt. Der durchgelassene Strahl durchläuft eine keilförmige Kompensatorplatte 39 und gelangt zu einem beweglichen Retroreflektor 41. Der reflektierte Strahl 35 durchläuft eine λ/8 Phasenplatte 43 und gelangt zu einem Retroreflektor 45 und sodann zurück zum Strahlteiler. Ein Reflektor 47 erlaubt sowohl den Durchgang als auch eine Reflexion der zu untersuchenden Interferogramme, und zwar am gleichen, entfernten Ort mittels Photodetektoren 49, 51, 53, eines Polarisators 55 und eines polarisierenden Strahlteilers 57.
Diese Anordnung ermöglicht es, die kritischen Bauteile auf dem Interferometer-Block 59 zu montieren.
Durch elektronische Analyse der sinusförmig sich verändernden Weglängensignale, die von Interferometern erzeugt werden, kann eine Genauigkeit und Auflösung erreicht werden, die besser ist als im Nanometerbereich. Streu-Reflexionen können jedoch beträchtliche systematische Fehler bedingen, wenn bei dieser Genauigkeit gearbeitet wird, und es ist wichtig, die optischen Bauteile so anzuordnen und zu gestalten, daß jede durch Streu- Reflexionen erzeugte Wellenfront weggelenkt wird.

Claims

1. Michelson-Interferometer mit einer Kompensatorplatte, die so angeordnet ist, daß sie Strahlung von einer Strahlungsquelle empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß es einen keilförmigen Strahlteiler (7) aufweist, um, bei Gebrauch, einfallende Strahlung in einen durchgelassenen Strahl (3), der eine invertierte keilförmige Kompensatorplatte (9) passiert, die einen im wesentlichen gleichen Keilwinkel aufweist wie der Strahlteiler, und zu einem Retroreflektor (11) gelangt und zurück durch die Kompensatorplatte zu dem Strahlspalter, und in einen reflektierten Strahl (5) zu teilen, der weiterhin reflektiert wird durch einen Retroreflektor (13) und wiederum den Strahlspalter (7) durchläuft, wo er mit dem zurückkehrenden durchgelassenen Strahl (3) sich vereinigt, um zwei Interferogramme (15, 17) zu formen, wobei die genannte Kompensatorplatte so angeordnet ist, daß eine durch den Strahlteiler verursachte Strahlverschiebung und -abweichung aufgehoben wird.

2. Michelson-Interferometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (7) und die Kompensatorplatten (9) aus einer gemeinsamen Platte gebildet sind.

3. Michelson-Interferometer gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Platte mit einer Einrichtung versehen ist zur Orientierungsidentifizierung (*), um als Einrichtung zur Orientierungsidentifizierung nach Erzeugung getrennter Strahlteiler- und Kompensatorplatten zu dienen.

4. Michelson-Interferometer gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Orientierungsidentifizierung eine Schrägkante aufweist.

5. Michelson-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilrichtung der Strahlteilerplatte (7) eine chromatische Korrektur ermöglicht, wenn abgehende und reflektierte Lichtstrahlen symmetrisch in Bezug auf das Zentrum der Strahlspalterplatten angeordnet sind.

6. Michelson-Interferometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des genannten Strahlteilers (7) so ist, daß ein mehrfache Reflexionen durchführender Strahl so deplaciert ist, daß er nicht auf den Detektor (49) fällt.

7. Michelson-Interferometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflektor (47) vorgesehen ist, um zu ermöglichen, daß beide Interferogramme entfernt vom Interferometerblock (59) geprüft werden können.