DE69216464T2

DE69216464T2 - Apparat zum Messen der Wellenlängenvariation

Info

Publication number: DE69216464T2
Application number: DE69216464T
Authority: DE
Inventors: Masaru Otsuka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-05-02
Filing date: 1992-05-04
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2012-05-05
Also published as: EP0512450A3; EP0512450A2; EP0512450B1; JPH04331333A; DE69216464D1; US5493395A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Wellenlängenveränderung zur Messung einer beliebigen Veränderung bei einer oszillierten wellenlänge von beispielsweise einer Laserquelle und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Messung der Wellenlängenveränderung, die zur Anwendung bei einer Interferenzvorrichtung zur Messung von physikalischen Ausmaßen geeignet ist, wie beispielsweise der Länge, Form, Geschwindigkeit und des Brechungsindex eines zu messenden Objekts mit der wellenlänge des Laserlichts als Bezugswert.
Eine derartige Vorrichtung zur Messung der wellenlänge, die in einer Interferometeranordnung verwendet wird, ist aus z.B. der WO-A-90/11492 bekannt.

Verwandter Stand der Technik

Eine Licht-Überlagerungs-Interferenz-Vorrichtung ist als eine Interferenz-Vorrichtung bekannt, die die Länge, Form, usw. eines optischen Elements, wie beispielsweise einer Linse oder eines Spiegels mit relativ hoher Genauigkeit unter Verwendung von Lichtwellen-Interferenz erfassen kann.
Fig. 1 der Zeichnung ist eine schematische Ansicht der wesentlichen Teile einer Licht-Überlagerungs-Interferenz-Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, die eine Laserquelle und eine AD-Modulationseinrichtung verwendet.
Gemäß Fig. 1 wird von einer Laserquelle 51 emittiertes Laserlicht (Frequenz f&sub0;) mittels einer polarisierenden Strahlspalteinrichtung 52 in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt. Die Frequenzverschiebung eines einfallenden Lichtstrahls wird mittels von AO-Modulationseinrichtungen 53 und 54 bewirkt, die in den optischen Pfaden der aufgeteilten zwei Lichtstrahlen angeordnet sind. Dadurch werden dort zwei Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub0; + f&sub1; bzw. der Frequenz f&sub0; + f&sub2; erhalten. Die zwei der Frequenzverschiebung unterworfenen Lichtstrahlen werden durch eine polarisierende Strahlspalteinrichtung 56 synthetisiert, wodurch der kombinierte Lichtstrahl als ein Lichtstrahl für Licht-Überlagerungs-Messung einschließlich zwei sich geringfügig in der Frequenz unterscheidenden Lichtstrahlen über einen Spiegel 55 auf ein zu messendes Objekt gerichtet.
Wie die Lichtwellen-Interferenz, beeinflußt auch die Schwankung einer oszillierten Wellenlänge von einer Lichtquelleneinrichtung die Meßgenauigkeit wesentlich. Daher ist es wichtig, die Stabilisierung der oszillierten Wellenlänge zu erreichen.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild der wesentlichen Teile einer Interferenz-Vorrichtung, die im US-Patent Nr. 4 907 886 vorgeschlagen ist, wobei die Stabilisierung der oszillierten Wellenlänge von Laserlicht von einer Laserquelle erreicht wird.
Gemäß Fig. 2 wird Laserlicht von einer Laserquelle 70 mittels einer Lichtteilereinrichtung 73 in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt. Die zwei Lichtstrahlen werden veranlaßt, in zwei parallel angeordnete Interferometer 71 und 72 einzutreten. Mit einem Interferometer 72 als einem Bezugs-Interferometer wird eine Veränderung in der Phase eines Ausgangssignals von einem Phasenteil 75 zur Laserquelle 70 zurückgeführt. Dadurch wird die oszillierte Wellenlänge von der Laserquelle 70 stabilisiert und die Wellenlänge des in das andere Interferometer 71 eintretenden Laserlichts wird stabilisiert. Jedoch ist es in der Licht-Überlagerungs-Interferenz-Vorrichtung gemäß Fig. 1 eine Voraussetzung, daß die oszillierte Wellenlänge der Laserquelle selbst stabil ist. Daher war es erforderlich, die Laserquelle selbst bei einer genauen Messung mit der Wellenlängen-Stabilisierungsfunktion zu versehen, wobei die Wellenlänge des Laserlichts als ein Bezugswert verwendet wird.
Insbesondere, wo ein Halbleiterlaser als eine Laserquelle verwendet wird, war es notwendig, eine Steuerung unter Verwendung einer hochst genauen Temperatursteuereinrichtung oder eines teuren optischen Elements, wie beispielsweise eines Etalons, durchzuführen. Dies führte zu dem Problem, daß die Lichtquelle unhandlich und kompliziert wird.
Auch ist bei der in Fig. 2 gezeigten Interferenz-Vorrichtung ein Bezugs-Interferometer ausschließlich zur Verwendung zur Stabilisierung der oszillierten wellenlänge von der Laserquelle erforderlich, und dies hat zu dem Problem geführt, daß die gesamte Vorrichtung sperrig und kompliziert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Veränderung einer Wellenlänge zu schaffen, die für eine Interferenz-Vorrichtung geeignet ist, die eine sehr hohe Lichtwellen-Interferenz erreichen kann, und die Vorrichtung zur Messung der Veränderung der Wellenlänge gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Das entsprechende Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 9 definiert.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Licht-Überlagerungs-Interferenz-Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der wesentlichen Teile einer Interferenz-Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile einer ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 6 eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des wesentlichen Teile eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wie es in einer Lichtwellen-Interferenz-Vorrichtung angewendet wird. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist im Hinblick auf einen Fall gezeigt, in dem das Ausmaß der Bewegung eines Spiegels 11 als ein zu messendes Objekt gemessen wird.
Gemäß Fig. 3 bezeichnet eine Bezugszahl 1 eine Lichtquelleneinrichtung mit, beispielsweise, einem Halbleiterlaser (Wellenlänge λ&sub0; und Frequenz f&sub0;), dessen oszillierte Wellenlänge steuerbar ist. Linear polarisiertes Licht, das 450 hinsichtlich der Zeichenebene geneigt ist, wird von der Lichtquelleneinrichtung 1 oszilliert. Die Bezugszahl 2 bezeichnet eine Lichtteilereinrichtung mit einer polarisierenden Strahlspalteinrichtung zum Teilen des einfallenden Lichtstrahls von der Lichtquelleneinrichtung 1 in zwei linear polarisierte Lichtstrahlen, die orthogonal zueinander sind. Von diesen zwei Lichtstrahlen wird der Lichtstrahl, der die Lichtteilereinrichtung 2 passiert hat, veranlaßt, in eine AO-Modulationseinrichtung 14a einzutreten, und der von der Lichtteilereinrichtung 2 reflektierte Lichtstrahl wird veranlaßt, über einen Spiegel 5b in eine AO-Modulationseinrichtung 14b einzutreten.
In der AO-Modulationseinrichtung 14a wird ein Trägersignal von einer hoch-stabilen Oszillatoreinrichtung 15a empfangen und eine Verschiebung der Frequenz f&sub1; wird dem einfallenden Lichtstrahl auferlegt, und ein Lichtstrahl mit einer Frequenz f&sub0; + f&sub1; wird veranlaßt, auszutreten. In der AO-Modulationseinrichtung 14b wird ein Trägersignal von einer hoch-stabilen Oszillatoreinrichtung 15b empfangen und eine Verschiebung einer Frequenz f&sub2; wird dem einfallenden Lichtstrahl auferlegt, und Licht mit einer Frequenz f&sub0; + f&sub2; wird veranlaßt, auszutreten.
Der Lichtstrahl von der AO-Modulationseinrichtung 14a passiert einen vorbestimmten optischen Pfad über zwei Prismenreflektionsspiegel 3 und 4 als optische Pfadlängen-Unterschied-Auferlegungseinrichtung, wonach er über einen Spiegel 5a auf eine polarisierende Strahlspalteinrichtung als eine Lichtkombinationseinrichtung 6 gerichtet wird.
Andererseits wird der Lichtstrahl von der AO-Modulationseinrichtung 14b vollständig veranlaßt, in die Lichtkombinationseinrichtung 6 einzutreten, wodurch die zwei Lichtstrahlen kombiniert werden. Der aus der Lichtkombinationseinrichtung 6 austretende Lichtstrahl ist zu diesem Zeitpunkt linear polarisiertes Licht mit zwei Arten von Frequenzen f&sub0; + f&sub1; und f&sub0; + f&sub2;, die orthogonal zueinander sind.
Die Bezugszahl 16 bezeichnet eine Hochfrequenz-Mischerschaltungseinrichtung, die den Frequenzunterschied zwischen Hochfrequenzsignalen herausnimmt und ihn zu Phasenmeßeinrichtungen 17a und 17b überträgt, die später beschrieben werden.
Ein Teil des Lichtstrahls von der Lichtkombinationseinrichtung 6 wird als Erfassungslicht verwendet und von einer nicht-polarisierenden Strahlspalteinrichtung 7 reflektiert und geteilt, und linear polarisierte Lichtstrahlen, die orthogonal zueinander sind, werden über eine Polarisationsplatte 12a mit einem Azimuth von 45º veranlaßt, miteinander zu interferieren, und das Interferenzlicht wird von einer Photoerfassungsrichtung 13a als einer photoelektrischen Erfassungseinrichtung erfaßt.
Ein erstes Überlagerungs- bzw. Schwebungssignal wird zu diesem Zeitpunkt in der Photoerfassungseinrichtung 13a erhalten. Auch enthält das zu diesem Zeitpunkt erhaltene Überlagerungssignal Informationen auf der Grundlage einer Veränderung in der 05zillierten Wellenlänge von der Lichtquelleneinrichtung 1, wie sie später in Verbindung mit einer Meßfolge beschrieben wird. Das Signal von der Photoerfassungseinrichtung 13a erfaßt die Phasendifferenz zwischen zwei Synchronisationssignalen mittels der Phasenmeßeinrichtung 17a und überträgt das Signal zu einer Lasersteuereinrichtung 21. Die Lasersteuereinrichtung 21 steuert einen in den Halbleiterlaser 1 eintretenden elektrischen Strom und steuert die oszillierte Wellenlänge.
Die hoch-stabilen Oszillatoreinrichtungen 15a und 15b steuern die AO-Modulationseinrichtungen 14a bzw. 14b an und Teile der Ausgangssignale der hoch-stabilen Oszillatoreinrichtungen 15a und 15b werden zu diesem Zeitpunkt in die Hochfrequenz- Mischereinrichtung 16 eingegeben.
Andererseits wird der die nicht-polarisierende Strahlspalteinrichtung 7 passierte habende und geteilte Lichtstrahl veranlaßt, in eine polarisierende Strahlspalteinrichtung 8 als ein Meßlicht einzutreten.
Von dem Licht, das in die polarisierende Strahlspalteinrichtung 8 eingetreten ist, passiert das linear polarisierte Licht mit der Frequenz f&sub0; + f&sub1; diese Strahlteilereinrichtung, passiert eine Viertelwellenlängenplatte 9b, wird zu zirkular polarisiertem Licht und wird von dem Spiegel 11 als dem zu messenden Objekt reflektiert. Dieses Licht passiert wiederum die Viertelwellenlängenplatte 9b und wird linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene sich um 90º von der des zuvor erwähnten linear polarisierten Lichts unterscheidet, und wird nun von der polarisierenden Strahlspalteinrichtung 8 reflektiert.
Andererseits wird von dem Licht, das in die polarisierende Strahlspalteinrichtung 8 eingetreten ist, das linear polarisierte Licht mit der Frequenz f&sub0; + f&sub2; von dieser Strahlspalteinrichtung reflektiert und passiert eine Viertelwellenlängenplatte 9a und wird zu zirkular polarisiertem Licht, und wird von einem Bezugsspiegel 10 reflektiert. Dieser Lichtstrahl passiert wiederum die Viertelwellenlängenplatte 9a und wird zu linear polarisiertem Licht, dessen Polarisationsebene sich um 90º von der des vorstehend erwähnten linear polarisierten Lichts unterscheidet und passiert nun die polarisierende Strahlspalteinrichtung 8.
Dann werden das linear polarisierte Licht mit der Frequenz f&sub0; + f&sub1; und das linear polarisierte Licht mit der Frequenz f&sub0; + f&sub2; wiederum von der polarisierenden Strahispalteinrichtung 8 kombiniert und zu einem Lichtstrahl gemacht, der eine Polarisationsplatte 12b passiert, wonach er zu zirkular polarisierten Lichtstrahlen gemacht wird, die veranlaßt werden, miteinander zu interferieren, und das Interferenzlicht wird von einer Photoerfassungseinrichtung 13b erfaßt, wodurch ein zweites Überlagerungs- bzw. Schwebungssignal erhalten wird. Das zweite Überlagerungssignal wird in ein Phasenelement 17b eingegeben.
Andererseits werden Teile der Ausgangssignale von den hochstabilen Oszillatoreinrichtungen 15a und 15b, die die AO-Modulationseinrichtungen 14a und 14b ansteuern, mittels der Hochfrequenz-Mischereinrichtung 16 gemischt, wodurch ein drittes Überlagerungs bzw. Schwebungssignal erhalten wird. Das dritte Überlagerungssignal wird in die Phasenmeßeinrichtungen 17a und 17b eingeben.
Die Bezugszeichen 18a und 18b bezeichnen Impulswandlereinrichtungen, die eine Sinuswelle in einen Impuls umwandeln. Die Bezugszeichen 19a und 19b bezeichnen Zählereinrichtungen, die die Impulsanzahl von den Impulswandlern 18a und 18b integneren. Die Bezugszahl 20 bezeichnet eine Subtraktionseinrichtung, die die integrierten Impulse der Zählereinrichtungen 19a und 19b subtrahiert und die Differenz dazwischen ausgibt.
Das somit durch Bewirken einer Subtraktion erhaltene substrahierte Impuls-Zähl-Ausgangssignal bildet ein Zählereinrichtungsausgangssignal, das das Bewegungsausmaß des Spiegels 11 anzeigt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Elemente von der Lichtteilereinrichtung 2 bis zur Lichtkombinationseinrichtung 6, die von einer strichpunktierten Linie umgeben sind, auf einem Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten angeordnet, beispielsweise einem Material mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 1*10&supmin;&sup5;/ºC oder weniger wie Invar, Superinvar, Guß mit niedriger thermischer Ausdehnung, Glass mit niedriger thermischer Ausdehnung, Keramik oder Quartzglass. Dadurch werden die Lage- bzw. Positions- Beziehungen zwischen den Elementen davon abgehalten, sich durch thermische Einflüsse zu verändern.
Die Meßfolge des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird nun beschrieben.
Irgendeine Veränderung in der Phase des durch die Photoerfassungseinrichtung 13a erhaltenen ersten Überlagerungssignals mit dem durch die Hochfrequenz-Mischereinrichtung 16 als ein Bezugssignal erhaltenen dritten Überlagerungssignal wird mittels der Phasenmeßeinrichtung 17a gemessen und ein Phasenausgangssignal φ&sub1; wird ausgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird aus dem Phasenausgangssignal φ&sub1; eine Phasenschwankung Δφ&sub1; erhalten, die durch die Beziehung bestimmt wird, daß
wobei L¹ der optische Pfadunterschied zwischen der Länge des optischen Pfads entlang dem die mittels der polarisierenden Strahlspalteinrichtung 2 geteilten zwei Lichtstrahlen die durch die durchgezogene Linie angezeigte Route zu der Photoerfassungseinrichtung 13a passieren und der durch die gestrichelte Linie angezeigte Route zu der Photoerfassungseinrichtung 13a ist.
Hier ist Δλ die Veränderung bei der oszillierten Wellenlänge von der Lichtquelleneinrichtung 1 und λ&sub0; die oszillierte Wellenlänge. Somit gibt die Phasenschwankung Δφ&sub1;, wenn der optische Pfadunterschied L' physikalisch stabil ist, die Informationen über das Ausmaß der Schwankung der Wellenlänge der Lichtquelleneinrichtung 1 und, wenn diese Informationen zu der Lasersteuereinrichtung 21 zurückgeführt werden, kann die oszillierte Wellenlänge von der Lichtquelleneinrichtung 1 stabilisiert werden.
Wenn dieses Wellenlängen-stabilisierte Licht als Meßlicht verwendet wird, kann irgendeine Veränderung in der Phase des durch die Photoerfassungseinrichtung 13b erhaltenen zweiten Überlagerungssignals mit dem dritten Überlagerungssignal als einem Bezugssignal mittels der Phasenmeßeinrichtung 17b gemessen und ein Phasenausgangssignal φ&sub2; erhalten werden, wodurch das genaue Ausmaß der Bewegung des Spiegels 11 als dem zu messenden Objekt gelesen werden kann. Wenn beispielsweise die oszillierte Wellenlänge von der Lichtquelleneinrichtung 1 780 nm beträgt und die Auflösungsleistung der Phasenmeßeinrichtung 0,10 beträgt, wird eine Auflösungsleistung von ungefähr 0,1 nm erhalten werden. Auch wenn das zweite Überlagerungssignal und das dritte Überlagerungssignal mittels der Impulsumwandlereinrichtungen 18a bzw. 18b in Impulse umgewandelt werden und die Impulsanzahlen mittels der Zählereinrichtungen 19a und 19b gezählt werden und die Subtraktion der Impulse mittels der Subtraktionseinrichtung 20 bewirkt wird, kann auch das große Ausmaß der Bewegung des Spiegels 11 als der Unterschied zwischen den Impulszahlen durch den Dopplereffekt erhalten werden.
Wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben, ist der Entwurf derart gemacht, daß in dem Teil, in dem der Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt wird, um Überlagerungssignale zu bilden, und diesen zwei Lichtstrahlen ein Frequenzunterschied gegeben wird, auch ein optischer Pfadlängenunterschied gegeben wird und daher ist der Aufbau einfach. Das heißt&sub1; verglichen mit einem Fall, in dem ein diskretes Bezugs- Interferometer an einem von diesem Teil diskreten Ort ausgebildet ist, kann die Anzahl der Elemente einschließlich der Lichtstrahl-Teilereinrichtung verringert werden.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dadurch, daß ein Datenverarbeitungscomputer 22 neu hinzugefügt wird, daß die Ausgangssignale der Phasenmeßeinrichtungen 17a, 17b und der Subtraktionseinrichtung 20 in den Datenverarbeitungscomputer 22 eingegeben werden und daß das Ausgangssignal der Phasenmeßeinrichtung 17a nicht in die Lasersteuereinrichtung 21 zurückgeführt wird. In anderen Punkten ist dieses Ausführungsbeispiel dasselbe wie das erste Ausführungsbeispiel.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die mittels der Phasenmeßeinrichtungen 17a und 17b, d.h. Phasenausgangssignale φ&sub1; und φ&sub2; und das Ausgangssignal von der Substraktionseinrichtung 20 alle in dem Datenverarbeitungscomputer 22 gesammelt. Was die Informationen über die Bewegung des Spiegels 11 als dem zu messenden Objekt angeht, werden das Phasenausgangssignal φ&sub2; und das Ausgangssignal von der Subtraktionseinrichtung 20 mittels der Daten des Phasenausgangssignals φ&sub1; korrigiert. Dadurch wird irgendeine Schwankung der oszillierten Wellenlänge von der Lichtquelleneinrichtung 1 korrigiert, wodurch eine hoch-genaue Erfassung immer möglich gemacht wird.
Wenn beispielsweise keine Korrektur vorliegt, wird der Abstand L berechnet als
und, wenn X&sub0; nicht bestimmt ist, wird ein großer Meßfehler bei L auftreten, aber aus Gleichung (1) wird unter Verwendung eines Werts
L berechnet als
dann wird ein genauer Wert erhalten werden, bei dem die Schwankung der Wellenlänge korrigiert wurde. In Gleichung (3) ist n der Ausgangssignalwert der Subtraktionszählereinrichtung und φ&sub2; ist das Ausgangssignal der Phasenmeßeinrichtung 17b.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden verglichen mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die Prismenreflektionsspiegel 3, 4, die AO-Modulationseinrichtung 14b und die Hochfrequenz-Mischereinrichtung 16 entfernt.
Das heißt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der von der Lichtquelleneinrichtung 1 emittierte Lichtstrahl mittels der polarisierenden Strahlspalteinrichtung 2 als einer Lichtteilereinrichtung in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt, wonach einer der zwei Lichtstrahlen dazu veranlaßt wird, sich gerade auszubreiten, und einer Frequenzverschiebung durch die AO-Modulationseinrichtung 14a unterworfen wird, wonach er veranlaßt wird, in die polarisierende Strahlspalteinrichtung 6 als eine Lichtkombinationseinrichtung einzutreten. Der andere Lichtstrahl wird mittels der Prismenreflektionsspiegel sc und sd veranlaßt, einen vorbestimmten optischen Pfad zu passieren, wonach er veranlaßt wird, in die polarisierende Strahlspalteinrichtung 6 einzutreten. In diesem Punkt unterscheidet sich das vorliegende Ausführungsbeispiel vom ersten Ausführungsbeispiel und in anderen Punkten ist das vorliegende Ausführungsbeispiel dasselbe wie das erste Ausführungsbeispiel
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nur eine AO-Modulationseinrichtung verwendet und daher erzeugt ein Hochfrequenz- Verschiebungsausmaß von gewöhnlich 20 MHz - 100 MHz vollständig eine Überlagerungssignalfrequenz und somit wird die Frequenzkennlinie der elektrischen Schaltung der Phasenmeßeinrichtung verwendet, die dem Überlagerungssignal entspricht.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 darin, daß ein Prismenreflektionsspiegel 5f, nicht-polarisierende Strahlspalteinrichtungen 23a, 23b, eine Polarisationsplatte 12c und eine Photoerfassungseinrichtung 13c neu hinzugefügt werden, daß die Hochfrquenz-Mischereinrichtung 16 entfernt wird, und die Weise, in der der mittels der polarisierenden Strahlspalteinrichtung 2 aufgeteilte Pfad zu der polarisierenden Strahlspalteinrichtung 6 zurückkehrt, d.h. den Aufbau der optischen Pfadunterschied-Auferlegungseinrichtung.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das von der Lichtquelleneinrichtung 1 emittierte Licht mittels der polarisierenden Strahlspalteinrichtung 2 in erste und zweite linear polarisierte Lichtstrahlne L1 und L2 aufgeteilt, deren zwei Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander sind. Von diesen Lichtstrahlen ist der erste Lichtstrahl L1 durch die AO-Modu-30 lationseinrichtung 14a einer Frequenzverschiebung unterworfen und wird mittels der nicht-polarisierenden Strahlspalteinrichtung 23a in dritte und vierte Lichtstrahlen L3 und L4 aufgeteilt.
Auch wird der zweite Lichtstrahl L2 über den Prismenreflektionsspiegel 5b und die AO-Modulationseinrichtung 14b und mittels der nicht-polarisierenden Strahlspalteinrichtung 23b in fünfte und sechste Lichtstrahlen L5 und L6 aufgeteilt. Der vierte Lichtstrahl L4 und der sechste Lichtstrahl L6 werden über die Polarisationsplatte 12c miteinander zum Interferieren gebracht und das Interferenzlicht wird mittels der Photodetektoreinrichtung 13c erfaßt, um ein Überlagerungssignal zu erhalten. Der Entwurf wird derart gemacht, daß zu diesem Zeitpunkt kein optischer Pfadunterschied zwischen dem vierten Lichtstrahl L4 und dem sechsten Lichtstrahl L6 besteht. Der dritte Lichtstrahl L3 breitet sich durch die polarisierende Strahlspalteinrichtung 6 aus und der fünfte Lichtstrahl L5 breitet sich auch durch die polarisierende Strahlspalteinrichtung 6 über den Prismenreflektionsspiegel 5f aus, und der dritte Lichtstrahl L3 und der fünfte Lichtstrahl L5 werden kombiniert und das kombinierte Licht wird veranlaßt, als Meßlicht auszutreten.
Da der optische Pfadunterschied L' in Gleichung (1) 0 ist, bildet das in der Photoerfassungseinrichtung 13c erhaltene Überlagerungssignal das Bezugssignal der Phasenmeßeinrichtungen 17a, 17b als ein Vergleichs- bzw. Bezugssignal, das nicht von der Schwankung der Wellenlänge von der Lichtquelleneinrichtung 1 beeinflußt wird. Daher ist die im ersten Ausführungsbeispiel verwendete Hochfrequenz-Mischereinrichtung unnötig.
Wie vorstehend beschrieben&sub1; kann erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Messung der Wellenlängenveränderung erhalten werden, die für eine Interferenzeinrichtung geeignet ist, in der ein vorbestimmter optischer Pfadlängenunterschied zwei Lichtstrahlen mit gegebenem Frequenzunterschied auferlegt wird, wonach die Lichtstrahlen aufgeteilt werden und die zwei Lichtstrahlen kombiniert werden, und ein Teil dieser Lichtstrahlen zur Rückkopplungssteuerung zur Stabilisierung der Wellenlänge oder zur Korrektur eines Meßfehlers verwendet wird, wodurch ohne Verwendung einer Interferometereinrichtung nur zur Wellenlängenstabilisierung ein Signal zur Stabilisierung der Wellenlänge leicht erhalten oder ein Meßdaten-Korrektursignal durch eine Veränderung in der Wellenlänge und der Lichtwelleninterferenz möglich ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Wellenlängenveränderung, mit:

einer Lichtquelleneinrichtung (1);

einer Lichtteilereinrichtung (2) zur Teilung eines Lichtstrahls von der Lichtquelleneinrichtung (1) in zwei Lichtstrahlen;

einer Frequenzunterschied-Auferlegungseinrichtung (14a, 14b) zur Verursachung eines Frequenzunterschieds zwischen den zwei Lichtstrahlen;

einer optischen Pfadlängenunterschied-Auferlegungseinrichtung (3, 4) zur Verursachung eines optischen Pfadlängenunterschieds zwischen den zwei Lichtstrahlen;

einer Lichtkombinationseinrichtung (6) zur Kombination der zwei Lichtstrahlen; und

einer ersten photoelektrischen Erfassungseinrichtung (13a) zur Erfassung eines Teils des kombinierten Lichts;

gekennzeichnet durch

eine weitere Lichtteiler- und Wiederkombinationseinrichtung (8) zur Teilung der kombinierten Lichtstrahlen in zwei Lichtstrahlen und zur Wiederkombination der zwei Lichtstrahlen, wobei einer von einem Meßobjekt (11) zu reflektieren ist und der andere von einem Bezugsobjekt (10) zu reflektieren ist; eine zweite photoelektrische Erfassungseinrichtung (13b) zur Erfassung des rekombinierten Lichts;

einer Einrichtung (13c; 15; 15a, lsb, 16) zur Bildung eines Bezugssignals;

einer ersten Einrichtung (17a) zur Bestimmung und Ausgabe eines Ausgangssignals entsprechend dem Schwankungsausmaß der Wellenlänge der Lichtquelleneinrichtung (1) auf der Grundlage des Ausgangssignals der ersten photoelektrischen Erfassungeinrichtung (13a) und des Bezugssignals; und

einer zweiten Einrichtung (17b, 18a, 18b, 19a, 19b, 20) zur Bestimmung und Ausgabe von Ausgangssignalen entsprechend des winzigen Ausmaßes bzw. des großen Ausmaßes der Bewegung des Meßobjekts (11) auf der Grundlage des Ausgangssignals der zweiten photoelektrischen Erfassungseinrichtung (13b) und des Bezugssignals.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelleneinrichtung (1) eine steuerbare Sendewellenlänge besitzt; und

eine Rückkopplungssteuereinrichtung (21) zur Steuerung der Rückkopplung zu der Lichtquelleneinrichtung (1) unter Verwendung des Ausgangssignals der ersten Einrichtung (17a) und zur Stabilisierung der Sendewellenlänge der Lichtquelleneinrichtung (1) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der zweiten Einrichtung (17b, 18a, 18b, 19a, 19b, 20) mit dem Ausgangssignal der ersten Einrichtung (17a) korrigiert wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zahlreichen Einrichtungen in dem optischen Pfad von der Lichtteilereinrichtung zu der Lichtkombinationseinrichtung auf ein und derselben Grundplatte angeordnet sind, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1 x 10&supmin;&sup5;/ºC oder weniger besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Grundplatte eines oder eine Zusammensetzung von Invar, Superinvar, Guß mit niedriger thermischer Ausdehnung, Glass mit niedriger thermischer Ausdehung, Keramik und Quartzglass ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzunterschied-Auferlegungseinrichtung (14a, 14b) eine Verschiebungseinrichtung besitzt, die die Lichtfrequenz des optischen Pfads von zumindest einem der zwei Lichtstrahlen von der Lichtteilereinrichtung (2) verschieben kann.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelleneinrichtung (1) mit einem Halbleiterlaser versehen ist.

8. Interferenz-Abstands-Meßapparat mit der Vorrichtung zur Messung der Wellenlängenveränderung entsprechend einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7.

9. Verfahren zum Messen der Wellenlängenveränderung, mit den Schritten:

Beleuchten von einer Lichtquelleneinrichtung (1);

Teilen eines Lichtstrahls von der Lichtquelleneinrichtung (1) in zwei Lichtstrahlen;

Auferlegen eines Frequenzunterschieds zwischen die zwei Lichtstrahlen;

Auferlegen eines optischen Pfadlängenunterschieds zwischen den zwei Lichtstrahlen;

Kombinieren der zwei Lichtstrahlen; und

Erfassen eines Teils des kombinierten Lichts; gekennzeichnet durch die weiteren Schritte Teilen der kombinierten Lichtstrahlen in zwei Lichtstrahlen und Wiederkombinieren der zwei Lichtstrahlen, wobei einer von einem Meßobjekt (11) reflektiert wird und der andere von einem Bezugsobjekt (10) reflektiert wird;

Erfassen des wiederkombinierten Lichts;

Bilden eines Bezugssignals;

Bestimmen und Ausgeben eines Ausgangssignals entsprechend dem Ausmaß der Schankung der Wellenlänge der Lichtquelleneinrichtung (1) auf der Grundlage des erfaßten Teils des kombinierten Lichts und des Bezugssignals; und

Bestimmen und Ausgeben von Ausgangssignalen entsprechend dem winzigen Ausmaß bzw. dem großen Ausmaß der Bewegung des Meßobjekts (11) auf der Grundlage des erfaßten wiederkombinierten Lichts und des Bezugssignals.