DE69723709T2

DE69723709T2 - Superheterodyn-interferometer und verfahren zur kompensation des brechungsindexes von luft mittels elektronischer frequenzmultiplikation

Info

Publication number: DE69723709T2
Application number: DE69723709T
Authority: DE
Inventors: Allen Henry HILL; Peter De Groot
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2017-08-15
Also published as: JPH1090176A; DE19727402A1; DE69723709D1; KR20000068090A; US5838485A; JP3273500B2; KR100322938B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, der in der gleichzeitig eingereichten verwandten US-Patentanmeldung von H. A. Hill und P. de Groot beschrieben ist, die den Titel trägt "Superheterodyne Method and Apparatus for Measuring the Refractive Index of Air Using Multiple-Pass Interferometry", und diese Anmeldung ist veröffentlicht unter der Nummer US-A-5 764 362, Veröffentlichungsdatum 6. Sept. 1998.
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Instrumente zur Messung des Abstands und des Brechungsindex. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine interferometrische Abstandsmessung unabhängig von Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases im Meßpfad.
Hintergrund und Stand der Technik
Ein häufig in der Metrologie anzutreffendes Problem ist die Messung des Brechungsindex einer Luftsäule. Es gibt die verschiedensten Techniken zur Messung des Brechungsindex von Luft unter genau kontrollierten Umständen, wenn beispielsweise die Luftsäule in einer Probenzelle angeordnet und im Hinblick auf Temperatur, Druck und physikalische Abmessung überwacht wird. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf den Artikel "An air refractometer for interference length metrology" von J. Terrien in: Metrologia 1(3), 80–83 (1965), verwiesen.
Vielleicht die schwierigste Messung, die sich auf den Brechungsindex von Luft bezieht, ist die Messung von Indexfluktuationen über einem Meßpfad unbekannter oder variabler Länge, wo Temperatur und Druck nicht gesteuert sind. Derartige Umstände treten häufig in geophysikalischen und meteorologischen Überwachungsvorrichtungen auf, wo die Atmosphäre offensichtlich unkontrolliert ist und der Brechungsindex sich dramatisch infolge von Änderungen der Luftdichte und Luftzusammensetzung verändern kann. Dieses Problem ist in dem folgenden Artikel beschrieben: "Effects of the atmospheric phase fluctuation on longdistance measurement" von H. Matsumoto und K. Tsukahara in: Appl. Opt. 23(19), 3388–3394 (1984), sowie in dem Artikel "Optical path length fluctuation in the atmosphere" von G. N. Gibson et al. in: Appl. Opt. 23(23), 4383–4389 (1984).
Ein weiteres Beispiel, wo das Problem der Messung des Brechungsindex auftritt, ist die hochpräzise Abstandsmessungs-Interferometrie, wie diese für mikrolithographische Herstellung integrierter Schaltungen benutzt wird. In diesem Zusammenhang wird auf den folgenden Artikel Bezug genommen: "Residual errors in laser interferometry from air turbulence and non-linearity" von N. Bobroff in: Appl. Opt. 26(13), 2676–2682 (1987), sowie auf den Artikel "Recent advances in displacement measuring interferometry", von N. Bobroff in: Measurement science & tech. 4(9), 907–926 (1993). Im typischen Fall liegt die Korrektur für Indexfluktuationen im Brechungsindex von Luft in der Größenordnung von 0,1 ppm (parts per million) in der Größe und muß eine Genauigkeit von 0,005 ppm haben. Diese hohen Präzisionserfordernisse benötigen frequenzstabilisierte Laserquellen und eine hochauflösende Phasendetektion.
Es gibt häufig Referenzen im Stande der Technik im Hinblick auf heterodyne Verfahren der Phasenabschätzung, bei denen die Phase sich zeitlich auf nicht kontrollierbare Weise ändert. Beispielsweise sendet bei einem bekannten Überlagerungs-Entfernungsmeß-Interferometer die Quelle zwei orthogonal polarisierte Strahlen aus, die etwas unterschiedliche optische Frequenzen (beispielsweise 2 MHz) aufweisen. Der interferometrische Empfänger besteht in diesem Fall aus einem linearen Polarisator und einem Photodetektor, um das sich zeitlich ändernde Interferenzsignal zu messen. Das Signal schwingt mit der Schwebungsfrequenz, und die Phase des Signals entspricht der relativen Phasendifferenz. Ein weiteres repräsentatives Beispiel des Standes der Technik bei der Überlagerungs-Distanzmeß-Interferometrie findet sich in der US-A-4 688 940. Diese bekannten Ausbildungen der interferometrischen Metrologie sind beschränkt auf Fluktuationen im Brechungsindex und in sich ungeeignet für die nächste Generation mikrolithographischer Instrumente.
Eine weitere bekannte Form eines Interferometers zur Abstandsmessung ist in der US-A-4 005 936 mit dem Titel "Interferometric methods and apparatus for measuring distance to a surface" (J. D. Redman, M. R. Wall (1977)) beschrieben. Dieses bekannte Verfahren besteht darin, Laserstrahlen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen zu benutzen, von denen jeder in zwei Teile aufgespalten wird. In den einen Teil der jeweiligen Strahlen wird eine Frequenzverschiebung eingeführt. Ein Teil eines jeden Strahls wird von einem Gegenstand reflektiert und mit dem anderen Teil auf einem Photodetektor wieder kombiniert, um ein Interferenzsignal zu erzeugen. Aus diesem Interferenzsignal des Detektors wird eine Differenzfrequenz abgeleitet, deren Phase ein Maß für den Abstand nach der Oberfläche ist. Die äquivalente Wellenlänge der Phase, die der Differenzfrequenz zugeordnet ist, ist gleich dem Produkt von den beiden Laserwellenlängen geteilt durch die Differenz der beiden Wellenlängen. Diese bekannte Zwei-Wellenlängen-Technik vermindert Meßfehler, aber sie ist wenigstens ebenso empfindlich gegenüber störenden Effekten von Indexfluktuationen der Luft wie die Einzel-Wellenlängen-Technik.
Ein weiteres bekanntes Beispiel eines Zwei-Wellenlängen-Interferometers gemäß der obengenannten US-PS ist in der US-A-4 907 886 beschrieben. Dieses bekannte System ist auch in dem folgenden Artikel veröffentlicht: "Two-wavelength laser interferometry using superheterodyne detection" von R. Dändliker, R. Thalmann und D. Prongué in: Opt. Let. 13(5), 339–341 (1988), und weiter in dem Artikel "High-accuracy distance measurements with multiple-wavelength interferometry" von R. Dändliker, K. Hug, J. Politch und E. Zimmermann. Das System von Dändliker et al., wie dies in der US-A-4 907 886 beschrieben ist, benutzt Laserstrahlen mit zwei Wellenlängen, wobei jeder Strahl zwei Polarisationskomponenten aufweist, die in ihrer Frequenz durch eine akusto-optische Modulation getrennt sind. Nachdem diese Strahlen colinear durch ein Michelson-Interferometer hindurchgetreten sind, werden die Polarisationskomponenten gemischt, was zu einem Überlagerungssignal führt. Da das Überlagerungssignal eine unterschiedliche Frequenz für jede der beiden Wellenlängen besitzt, resultiert daraus ein sogenanntes Super-Heterodyne-Signal mit einer Frequenz gleich der Differenz der Überlagerungsfrequenzen und eine Phase, die einer äquivalenten Wellenlänge zugeordnet ist, die gleich ist dem Produkt der beiden Laserwellenlängen dividiert durch die Differenz der beiden Wellenlängen. Gemäß der US-A-4 907 886 wird angenommen, daß die Phase des super-heterodynen Signals nur von der Lage eines Meßobjektes und der äquivalenten Wellenlänge abhängt. Daher ist das bekannte System auch nicht geeignet zur Messung oder Kompensation von Fluktuationen im Brechungsindex der Luft.
Weitere bekannte Beispiele der Zwei-Wellenlängen-Überlagerungs-Technik finden sich in einem Artikel unter der Bezeichnung "Two-wavelength double heterodyne interferometry using a matched grating technique" von Z. Sodnik, E. Fischer, T. Ittner und H. J. Tiziani in: Appl. Opt. 30(22), 3139–3144 (1991), und in einem Artikel unter dem Titel "Diode laser and fiber optics for dual-wavelength heterodyne interfero metry " von S. Manhart und R. Maurer in: SPIE 1319, 214–216 (1990). Keines dieser Beispiele ist jedoch auf das Problem der Indexfluktuationen gerichtet.
Aus dem vorstehenden kann geschlossen werden, daß der Stand der Technik auf dem Gebiet der heterodynen und superheterodynen Interferometrie kein zufriedenstellendes Verfahren und keine Mittel zur Messung und Kompensation der Fluktuation des Brechungsindex der Luft aufzeigt. Dieser Mangel beim Stande der Technik führt zu einer beträchtlichen Meßungewißheit, wodurch die Präzision der Systeme schwerwiegend beeinträchtigt wird, die derartige Interferometer beispielsweise bei der mikrolithographischen Herstellung integrierter Schaltkreise benutzen. Zukünftige Interferometer werden deshalb notwendigerweise ein erfindungsgemäßes neues Verfahren und Mittel aufweisen müssen, um Fluktuationen des Brechungsindex zu messen und zu kompensieren.
Eine bekannte Möglichkeit, um Indexfluktuationen festzustellen, ist die Messung von Druckänderungen und Temperaturänderungen längs des Meßweges und die Berechnung ihrer Auswirkung auf den Brechungsindex des Pfades. Mathematische Gleichungen zur Durchführung dieser Berechnung sind in einem Artikel unter der Bezeichnung "The refractivity of air" von F. E. Jones in: J. Res. NBS 86(1), 27–32 (1981), beschrieben. Eine Weiterentwicklung der Technik ist in einem Artikel unter der Bezeichnung "High-accuracy displacement interferometry in air " von W. T. Estler in: Appl. Opt. 24(6), 808–815 (1985), beschrieben. Leider ist diese Technik unbefriedigend, da sie nur angenäherte Werte liefert und sie ist mühsam in der Anwendung, und es werden nur langsame globale Fluktuationen in der Luftdichte korrigiert.
Eine weitere mehr direkte Möglichkeit zur Feststellung von Indexfluktuationen über einen Pfad ist die Mehrfach-Wellenlängen-Distanzmessung. Das Grundprinzip ist das folgende: Interferometer und Laser-Radarmessungen der optischen Pfad länge zwischen einem Bezugspunkt und einem Gegenstand erfolgen oft in der offenen Luft. Die optische Pfadlänge ist das integrierte Produkt des Brechungsindex und des physikalischen Pfades, der vom Meßstrahl durchlaufen wird. Insofern ändert sich der Brechungsindex mit der Wellenlänge, aber die physikalische Pfadlänge ist unabhängig von der Wellenlänge. Daher ist es allgemein möglich, die physikalische Pfadlänge von den Fluktuationen im Brechungsindex zu trennen, vorausgesetzt, daß das Instrument wenigstens zwei Wellenlängen benutzt. Die Änderung des Brechungsindex mit der Wellenlänge ist als Dispersion bekannt, und daher wird diese Technik im folgenden als Dispersionstechnik bezeichnet.
Die bekannte Dispersionstechnik zur Indexmessung hat eine lange Geschichte und liegt vor der Einführung des Laser. In einem Artikel "Long-path interferometry through an uncontrolled atmosphere" von K. E. Erickson in: J. Opt. Soc. Am. 52(7), 781–787 (1962), werden die Grundprinzipien beschrieben, und er liefert eine Analyse der Möglichkeit dieser bekannten Technik für geophysikalische Messungen. Weitere theoretische Vorschläge finden sich in einem Artikel "Correction of optical distance measurements for the fluctuating atmospheric index of refraction" von P. L. Bender und J. C. Owens in: J. Geo. Res. 70(10), 2461–2462 (1965).
Kommerzielle Distanzmeßvorrichtungen auf Laser-Radar-Basis mit Dispersionstechnik zur Indexkompensation erschienen in den siebziger Jahren. Ein Artikel "Two-laser optical distance-measuring instrument that corrects for the atmospheric index of refraction" von K. B. Earnshaw und E. N. Hernandez in: Appl. Opt. 11(4), 749–754 (1972), beschreibt ein bekanntes Instrument, welches durch Mikrowellen modulierte HeNe- und HeCd-Laser verwendet, die über einen Meßpfad von 5 bis 10 km arbeiten. Weitere Einzelheiten dieses Instruments finden sich in einem Artikel "Field Tests of a two-laser (4416A and 6328A) optical distance-measuring instrument correcting for the atmospheric index of refraction" von E. N. Hernandez und K. B. Earnshaw in: J. Geo. Res. 77(35), 6994–6998 (1972). Weitere Beispiele von Anwendungen der Dispersionstechnik sind in einem Artikel diskutiert, der wie folgt lautet: "Distance corrections for single- and dual-color lasers by ray tracing" von E. Berg und J. A. Carter in: J. Geo. Res. 85(B11), 6513–6520 (1980), und in einem Artikel mit der Bezeichnung " A multi-wavelength distance-measuring instrument for geophysical experiments" von L. E. Slater und G. R. Huggett in: J. Geo. Res. 81(35), 6299–6306 (1976).
Obgleich bekannte Instrumente für geophysikalische Messungen im typischen Fall ein intensitätsmoduliertes Laser-Radar benutzen, ist es klar, daß die optische Interferenzphasendetektion für kürzere Entfernungen zweckmäßiger ist. In der US-A-3 647 302 mit der Bezeichnung "Apparatus for and method of obtaining precision dimensional measurements" ist ein bekanntes interferometrisches Versetzungsmeßsystem beschrieben, welches Mehrfach-Wellenlängen benutzt, um Änderungen der Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Druck zu kompensieren. Das Instrument ist speziell zur Arbeitsweise in Verbindung mit einem beweglichen Objekt ausgebildet, d. h. mit einer veränderlichen physikalischen Pfadlänge. Diese bekannte Phasendetektion ist jedoch unzulänglich genau für hochpräzise Messungen.
Ein moderneres und detailliertes Beispiel einer bekannten Technik zur Indexmessung ist das System, das von Y. Zhu, H. Matsumoto und T. Ohshi in einem Artikel beschrieben wird unter dem Titel "Long-arm two-color interferometer for measuring the change of air refractive index" in: SPIE 1319. Optics in complex systems, 538–539 (1990). Das System von Zhu et al. benutzt einen 1064 nm-Wellenlängen-YAG-Laser und einen 632 nm-HeNe-Laser zusammen mit einer Gegenphasendetektion. Im wesentlichen das gesamte Instrument wurde in Japanisch in einem früheren Artikel von Zhu et al. beschrieben mit dem Titel "Measurement of atmospheric phase and intensity turbulence for long-path distance interferometer". Proc. 3^rd meeting on lightwave sensing technology, in: Appl. Phys. Soc. of Japan, 39 (1989). Jedoch besitzt das bekannte Interferometer von Zhu et al., das in diesem Artikel beschrieben ist, eine unzureichende Auflösung für alle Anwendungen, z. B. bei einer Sub-Mikron-Interferometrie für Mikrolithographie.
Ein neuerer Versuch einer hochpräzisen Interferometrie für die Mikrolithographie findet sich in der US-PS 4 948 254 von A. Ishida. Eine ähnliche bekannte Vorrichtung wird von Ishida auch in einem Artikel beschrieben "Two wavelength displacement-measuring interferometer using second-harmonic light to eliminate air-turbulence-induced errors" in: Jpn. J. Appl. Phys. 28(3), L473–475 (1989). Es wird ein eine Versetzung messendes Interferometer beschrieben, welches die Fehler eliminiert, die durch Fluktuationen im Brechungsindex verursacht wurden, und zwar erfolgt dies durch eine Zwei-Wellenlängen-Dispersionsdetektion. Ein Ar⁺-Laser liefert beide Wellenlängen gleichzeitig über einen Frequenzverdopplerkristall, welcher allgemein als HBO bezeichnet wird. Die Benutzung eines BBO-Verdopplungskristalls resultiert in zwei Wellenlängen, die grundsätzlich phasenstarr sind. Dadurch wird die Stabilität und die Genauigkeit der Brechungsindexmessung beträchtlich verbessert. Die Phasendetektormittel, die einfache homodyne Gegenphasendetektion benutzen, sind jedoch unzureichend für hochauflösende Phasenmessungen. Außerdem sind die Mittel zur Phasendetektion und zur Signalverarbeitung nicht für dynamische Messungen geeignet, bei denen die Bewegung des Gegenstandes zu rapiden Veränderungen der Phase führt, die schwierig genau festzustellen sind.
In der US-PS 5 404 222 ist unter dem Titel " Interferometric measuring system with air turbulence compensation" ein weiteres bekanntes Zwei-Wellenlängen-Interferometer beschrieben, das die Dispersionstechnik benutzt, um Index fluktuationen festzustellen und zu kompensieren. Eine ähnliche Vorrichtung wird von S. A. Lis in einem Artikel beschrieben "An air turbulence compensated interferometer for IC manufacturing" in: SPIE 2440 (1995). Eine Verbesserung des US-Patents 5 404 222 findet sich in der US-PS 5 537 209 . Die prinzipielle Neuerung dieses Systems gegenüber jenem, das von Ishida in Jpn. J. Appl. Phys. (oben erwähnt) vorgeschlagen wurde, ist der Zusatz eines weiteren BBO-Verdopplungskristalls, um die Präzision des Phasendetektors zu verbessern. Das zusätzliche BBO-Kristall macht es möglich, optisch zwei Strahlen zur Interferenz zu bringen, deren Wellenlängen genau um einen Faktor von Zwei unterschieden sind. Die resultierende Interferenz besitzt eine Phase, die direkt abhängig ist vom Brechungsindex, die aber im wesentlichen unabhängig ist von der Bewegung. Das von Lis vorgeschlagene bekannte System hat jedoch den Nachteil, daß es kompliziert aufgebaut ist und ein zusätzliches BBO-Kristall für jeden Meßpfad erfordert. In der Mikrolithographie sind häufig sechs oder mehr Meßpfade erforderlich, und jenes BBO kann mehr als $ 12000 kosten, so daß die Benutzung zusätzlicher Kristalle einen bedeutenden zusätzlichen Kostenaufwand erfordert. Ein weiterer Nachteil des Lis-Systems besteht darin, daß es ein langsames (32 Hz) Phasendetektorsystem benutzt, das auf der physikalischen Versetzung eines PZT-Wandlers beruht.
Aus den obigen Ausführungen wird klar, daß im Stande der Technik kein praktikables Verfahren hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision mit entsprechenden Mitteln vorhanden ist, um Fluktuationen im Brechungsindex von Luft zu messen und zu kompensieren. Die Beschränkungen im Stande der Technik beruhen prinzipiell auf den folgenden ungelösten technischen Schwierigkeiten: (1) Bekannte heterodyne und superheterodyne Interferometer sind in ihrer Genauigkeit durch Fluktuationen im Brechungsindex von Luft begrenzt; (2) bekannte Dispersionstechniken zur Messung von Indexfluktuationen erfordern eine extrem hohe Genauigkeit in der Interferenzphasenmessung, die im typischen Fall eine Größen ordnung der typischen Genauigkeit von hochpräzisen Entfernungsmeß-Interferometern übersteigt; (3) naheliegende Modifikationen bekannter Interferometer zum Zwecke der Verbesserung der Phasenmeßgenauigkeit würden die Meßzeit auf eine Dauer erhöhen, die nicht kompatibel ist mit der Schnelligkeit der Bewegung in einer modernen mikrolithographischen Ausrüstung; (4) die bekannte Dispersionstechnik erfordert wenigstens zwei extrem stabile Laserquellen, oder eine einzige Quelle, die mehrere phasenstarre Wellenlängen abstrahlt; (5) bekannte Dispersionstechniken in der Anwendung der Mikrolithographie sind empfindlich gegenüber einer Bewegung während der Messung, was zu Systemfehlern führt; (6) bekannte Dispersionstechniken, die Verdopplungskristalle (beispielsweise US-PS 5 404 222 ) als Teil des Detektorsystems benutzen, sind kostspielig und kompliziert.
Diese Schwierigkeiten im Stande der Technik, die durch die Erfindung überwunden werden, hatten zu einem Fehlen irgendeines praktischen interferometrischen Systems geführt, das eine Versetzungsmessung für die Mikrolithographie in Gegenwart von Indexfluktuationen ermöglicht:
Gemäß der Erfindung (unabhängige Anspürche 1, 17 und gemäß der bekannten US-A-5 404 222) betrifft diese eine Vorrichtung zur Messung von Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases in einem Meßpfad. Die Vorrichtung umfaßt die folgenden Teile: eine Quelle von wenigstens zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und mit einer im wesentlichen harmonischen Beziehung, wobei die Lichtstrahlen senkrecht aufeinanderstehende Polarisationszustände besitzen; Mittel zur Einführung einer Frequenzdifferenz zwischen die beiden orthogonal polarisierten Zustände der Lichtstrahlen; Mittel zur Ausrichtung der Lichtstrahlen in einen im wesentlichen kolinearen Strahl längs des gleichen Meßpfades; und Mittel zur Erzeugung phasenverschobener Strahlen, deren Phasenverschiebung proportional ist dem Produkt der physikalischen Länge des Meßpfades und des Brechungsindexes des Gases im Meßpfad. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch: Mittel zur Mischung der Polarisationskomponenten eines jeden der phasenverschobenen Strahlen zur Erzeugung von gemischten Ausgangsstrahlen; Mittel zur Erzeugung elektrischer Überlagerungssignale aus den Intensitäten der gemischten Ausgangsstrahlen, die aus Schwingungen bei Überlagerungsfrequenzen, bezogen auf die Frequenzdifferenzen zwischen den Polarisationszuständen der Lichtstrahlen, bestehen und Überlagerungsphasen aufweisen; Mittel zur Erzeugung modifizierter Überlagerungssignale aus den elektrischen Überlagerungssignalen, die modifizierte Überlagerungsfrequenzen haben, die harmonisch bezogen sind auf die Überlagerungsfrequenzen und modifizierte Überlagerungsphasen, die harmonisch auf die Überlagerungsphasen bezogen sind; Mittel zum Mischen von wenigstens zwei der modifizierten elektrischen Überlagerungssignale zur Erzeugung wenigstens eines elektrischen Überlagerungssignals, das eine Überlagerungs-Modulationsfrequenz umfaßt, die im wesentlichen gleich ist der Hälfte der Differenz der beiden entsprechenden modifizierten Überlagerungsfrequenzen und eine Überlagerungs-Modulationsphase, die im wesentlichen gleich ist der Hälfte der Differenz zwischen den beiden entsprechenden modifizierten Überlagerungsphasen; und Mittel zur Analyse der Überlagerungs-Modulationsphase zur Bestimmung der Fluktuationen. im Brechungsindex über der Messung. Diese Vorrichtung (und das unten definierte Verfahren) sind nützlich zur Entfernungsmeß-Interferometrie, unabhängig von den oben erwähnten Fluktuationen.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Messung von Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases in einem Meßpfad, welches die folgenden Schritte umfaßt: es werden Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge bereitgestellt, die im wesentlichen harmonisch aufeinander bezogen sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß modifizierte Überlagerungsphasen-Verschiebungen, basierend auf den Wellenlängen, vorgesehen werden, wobei die Phasenverschiebungen in gleicher Weise harmonisch auf die harmonisch bezogenen Wellen längen bezogen sind, um eine Überlagerungs-Modulationsphase zu liefern, die im wesentlichen unempfindlich gegenüber der Bewegung längs des Meßpfades ist.
Die Hauptvorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden: wenn die Wellenlängenquellen im wesentlichen harmonisch aufeinander bezogen sind und die modifizierten Überlagerungs-Phasenverschiebungen in gleicher Weise harmonisch bezogen sind, schafft die Erfindung eine Überlagerungs-Modulationsphase, die im wesentlichen gegenüber der Stufenbewegung unabhängig ist. Die Überlagerungs-Modulationsphase ist eine direkte Messung der Fluktuationen im Brechungsindex der Luft. Da die Überlagerungs-Modulationsfrequenz auf irgendeinen zweckmäßigen Wert eingestellt werden kann, kann die Phasenmeßgenauigkeit zur Kompensation von Indexfluktuationen entsprechend verbessert werden. Diese Verbesserungen gegenüber dem Stande der Technik werden vorteilhafterweise erreicht ohne kostspielige optische Bauteile, wie Verdoppler-Kristalle oder dergleichen und ohne irgendeine Beschränkung bezüglich der Schnelligkeit der Stufenbewegung.
Ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt die Möglichkeit der Kompensation unerwünschter Fluktuationen in der Wellenlängenquelle, wobei zusätzliche Monitor-Interferometer benutzt werden und im wesentlichen die gleiche elektronische Verarbeitungsvorrichtung, wie sie im Primärgerät Anwendung fand. Das Monitor-Interferometer besitzt vorzugsweise eine feste Monitor-Pfadlänge mit einem sorgfältig gesteuerten Brechungsindex, so daß alle gemessenen Änderungen im Monitor beitragen und eine Messung der Wellenlängenstabilisierung liefern.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
1 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 ist eine graphische Darstellung, die ein Überlagerungssignal gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
3 zeigt ein Blockschaltbild der Verarbeitungselektronik, die gemäß der Erfindung benutzt wird,
4 ist ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Einzelbeschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases innerhalb eines Meßpfades 66, und eine derartige Vorrichtung ist zweckmäßig zur Messung der Versetzung eines Gegenstandes 67, unabhängig von derartigen Fluktuationen.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren nach der Erfindung durchläuft in einem ersten Schritt ein Lichtstrahl 11, der von einer Quelle 1 emittiert wird, einen Modulator 2, der durch einen Treiber 3 erregt wird. Die Quelle 1 ist vorzugsweise ein Laser oder eine ähnliche Quelle kohärenter Strahlung, die vorzugsweise polarisiert ist, und der Strahl besitzt eine Wellenlänge λ₁. Der Modulator 2 kann beispielsweise ein akusto-optischer Wandler sein, oder eine Kombination eines akusto-optischen Wandlers mit einer zusätzlichen Optik zur selektiven Modulation der Polarisationskomponenten des Strahls 11. Der Modulator 2 verschiebt vorzugsweise die Oszillationsfrequenz einer linearen Polarisationskomponente des Strahls 11 um einen Betrag f₁ gegenüber einer orthogonalen linearen Polarisationskomponente, wobei die Polarisationskomponenten hierbei mit x- bzw. y-Richtungskomponenten bezeichnet sind. Demgemäß besitzt nach Durchlaufen des Modulators 2 die x-Polarisationskomponente des Strahls 11 eine Oszillationsfrequenz, die um den Betrag f₁ gegenüber der y-Polarisationskomponente des Strahls 11 nach oben verschoben ist.
In einem nächsten Schritt durchläuft ein Strahl 12, der von einer Quelle 4 emittiert ist, einen Modulator 5, der durch einen Treiber 6 erregt wird, ähnlich dem Modulator 2 bzw. dem Treiber 3. Die Quelle 4 ist ebenso wie die Quelle 1 vorzugsweise ein Laser oder eine ähnliche Quelle polarisierter kohärenter Strahlung, aber vorzugsweise mit einer unterschiedlichen Wellenlänge λ₂, die eine bekannte annähernde harmonische Beziehung gegenüber der Wellenlänge λ₁ hat, das heißt: p1λ2 ≈ p2λ1 für p₁, p₂ ≈ 1, 2, 3 ..., p₁ ≠ p₂ (1)
Nach Durchlaufendes Modulators 5 besitzt die x-Polarisationskomponente des Strahls 12 eine Oszillationsfrequenz, die nach oben um einen Betrag f₂ gegenüber der y-Polarisationskomponente des Strahls 12 verschoben ist.
Für den Fachmann ist es klar, daß die Strahlen 11 und 12 alternativ von einer einzigen Laserquelle geliefert werden können, die mehr als eine Wellenlänge emittiert, oder durch einen einzigen Laser, der mit einer optischen Frequenzverdopplungsvorrichtung versehen ist, oder durch irgendeine äquivalente Strahlungskonfiguration, die in der Lage ist, Lichtstrahlen mit zwei oder mehr Wellenlängen zu erzeugen. Es ist außerdem für den Fachmann klar, daß eine oder beide Frequenzverschiebungen f₁, f₂ das Ergebnis einer Zeeman-Aufspaltung oder einer ähnlichen Phänomencharakteristik der Laserquellen selbst sein können.
In einem nächsten Schritt werden die Strahlen 11 und 12 zu einem Teststrahl 13 durch ein optisches Element 9 kombiniert, das vorzugsweise ein nicht polarisierender Strahlteiler ist. In einem weiteren Schritt läuft der Teststrahl 13 in ein Interferometer 60, das aus optischen Mitteln besteht, um eine Phasenverschiebung φ₁ zwischen die Polarisationskomponenten x und y des Strahls 13 entsprechend der Wellenlänge λ1 und eine Phasenverschiebung φ₂ zwischen die Polarisationskomponenten x und y des Strahls 13 entsprechend der Wellenlänge λ₂ einzuführen. Die Größe der Phasenverschiebungen φ₁ , φ₂ sind auf die physikalische Länge L des Meßpfades 66 gemäß den folgenden Formeln bezogen.
φj = Lk_jn_j + ζ_j, für j = 1, 2, (2)
wobei die Wellennummern k_j gegeben sind durch kj = 2π/λj (3) und die Brechungsindices n_j des Gasmeßpfades 66 den Wellenlängen λ_j entsprechen. Die Phasenversetzungen ζ_j enthalten alle Bestandteile der Phasenverschiebungen φ_j, die nicht auf den Meßpfad 66 bezogen sind.
Wie in 1 dargestellt, und wie dies zu bevorzugen ist, weist das Interferometer 60 einen Bezugsspiegel 65, eine Viertelwellenplatte 21, eine Viertelwellenplatte 22, einen Polarisierungsstrahlteiler 23 und den Gegenstand 67 auf, der mit einer sich bewegenden Stufe 68 oder dergleichen verbunden ist, mittels derer der Gegenstand bewegt werden kann, um den Meßpfad 66 zu ändern. Diese Konfiguration ist im Stand der Technik bekannt als polarisiertes Michelson-Interferometer und ist als einfache Illustration dargestellt. Ein Winkelkompensations-Interferometer oder eine ähnliche Vorrichtung, wie diese in einem Artikel "Differential interferometer arrangements for distance and angle measurements: Principles, advantages and applications" von C. Zanoni in: VDI Berichte Nr. 749, S. 93, 1989, beschrieben ist, wird vorzugsweise in die Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut, wenn mit Entwicklungsabschnitten gearbeitet wird, die in der mikrolithographischen Fabrikation integrierter Schaltungen anzutreffen sind. Andere Formen von Interferometern, wie sie in dem obengenannten Artikel "Differential interferometer arrangements for distance and angle measurements: Principles, advantages and applications " von C. Zanoni in: VDI Berichte Nr. 749, S. 93, 1989, beschrieben sind, können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 eingebaut werden, ohne wesentlich von der Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Nach Durchlaufen des Interferometers 60 wird der Teststrahl 13 ein phasenverschobener Strahl 15, der einen Polarisator 44 durchläuft, der vorzugsweise so angeordnet ist, daß die Polarisationskomponenten x und y des Strahls 15 vermischt werden. Ein herkömmlicher dichroitischer Strahlteiler 80 trennt vorzugsweise jene Abschnitte des Strahls 15 entsprechend den Wellenlängen λ₁ und λ₂ in zwei Strahlen 16 bzw. 17. Die Strahlen 16, 17 treffen auf einen Photodetektor 45 bzw. 46, was zu zwei Überlagerungs-Interferenzsignalen s₁ und s₂ führt, entsprechend den beiden Wellenlängen λ₁ und λ₂, die folgende Formel besitzen:
s_j = cos[α_j(t)] für j = 1, 2 (4)
Dabei sind die zeitabhängigen Argumente α₁(t), α₂(t) der Überlagerungs-Interferenzsignale s₁ , s₂ gegeben durch: αj(t) = 2πfjt + φ1 (5) und die Signalamplitude hat sich zu Eins normalisiert, und alle konstanten Versetzungswerte wurden durch herkömmliche elektronische Vorbehandlungsmittel (nicht dargestellt) ausgefiltert. Die Überlagerungs-Interferenzsignale s₁ , s₂ werden der elektronischen Verarbeitungsvorrichtung 98 zur Analyse zugeführt.
Nunmehr wird auf 3 Bezug genommen. Die elektronischen Verarbeitungsmittel 98 umfassen vorzugsweise Mittel 981 zur elektronischen Multiplikation der zeitabhängigen Argumente α₁(t), α₂(t) der Überlagerungs-Interferenzsignale s₁ , s₂ durch Koeffizienten p₁ bzw. p₂, so daß zwei modifizierte Überlagerungssignale s ₁ , s ₂ erzeugt werden, die die Form
s ₁= cos [p_jα_j(t)] für j = 1, 2 (6) haben.
Die Multiplikation kann durch irgendwelche herkömmlichen Frequenz-Multiplikationstechniken durchgeführt werden, wie diese bekannt sind, beispielsweise als Signalquadrierung, gefolgt durch eine elektronische Filterung. Für den Fachmann ist es klar, daß derartige elektronische Multiplikationstechniken Versetzungen und Modifikationen in der Signalstärke einführen können, die in der vorliegenden vereinfachten Beschreibung der Analysetechnik der vorliegenden Erfindung vernachlässigt sind. Es ist erwähnenswert, daß die Koeffizienten p₁, p₂ vorzugsweise den gleich bezifferten Koeffizienten p₁, p₂ identisch sind, welche benutzt wurden, um die annähernde harmonische Beziehung in der Gleichung (1) zu definieren.
Gemäß 3 weisen die elektronischen Verarbeitungsmittel 98 vorzugsweise Mittel 982 auf, um elektronisch zwei modifizierte Überlagerungssignale s ₁ , s ₂ zu addieren, um ein Überlagerungssignal S zu erzeugen, das die folgende mathematische Form besitzt S = s 1 + s 2 (7)
Dies kann geschrieben werden als S = 2MC (8) wobei
C = cos(2πvt +
(9) M = cos (2πFt + Φ) (10) und ν = ½(p1f1 + p2f2) (11) θ = ½(φ1 + φ2) F = ½(p1f1 – p2f2) (12) Φ = ½(φ1 – φ2)
Das Überlagerungssignal S ist daher ein Trägersignal C der Frequenz V, moduliert durch ein Umhüllungssignal M der Frequenz F. Für den Fachmann ist es klar, daß dann, wenn die modifizierten Überlagerungssignale s ₁ , s ₂ eine unterschiedliche Amplitude besitzen, der resultierende mathematische Ausdruck komplizierter wird, aber nichtsdestoweniger kann er in Ausdrücken eines Trägersignals beschrieben werden, das durch ein Umhüllungssignal moduliert ist. Der Einfachheit wegen wird in der vorliegenden Beschreibung angenommen, daß modifizierte Überlagerungssignale s ₁ , s ₂ die gleiche Amplitude aufweisen.
Nunmehr wird wiederum auf 3 Bezug genommen. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 98 umfaßt vorzugsweise Mittel 983, um das Hüllsignal M vom Trägersignal C zu trennen, wobei eine Gleichrichtung und Filterung und weiter eine Quadrierung des Signals benutzt wird, oder irgendwelche andere Techniken, um eine Amplitudenmodulation zu extrahieren und einen Träger zu demodulieren. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 98 umfaßt außerdem Mittel 985, um die Modulationsphase Φ zu bestimmen, wobei ein auf der Zeit basierender herkömmlicher Phasendetektor oder dergleichen benutzt wird. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 98 weist ferner Mittel 986 und Mittel 987 auf, um die Phasen φ₁ bzw. φ₂ zu bestimmen.
Im nächsten Schritt überträgt die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 98 die Werte der Modulationsphase Φ und der Phasenverschiebungen φ₁ , φ₂ entweder in digitaler Form oder in analoger Form einem Computer 99. Der Computer 99 berechnet die Trägerphase
und berechnet den Brechungsindex unter Benutzung der folgenden Formel:
wobei
K = ½(p1k1 – p2k2) (15) χ = ½(p1k1 + p2k2) (16)
Die oben definierte Konstante Γ stellt ein Maß der Dispersion des Brechungsindex der Luft dar. Wenn beispielsweise λ₁ = 0,63 μm und λ₂ = 0,33 μm ist, dann wird Γ = 24. Der Versetzungsfaktor Q wird wie folgt definiert: Q = Kξ – χZ (18)
Dabei ist ξ = ½(p1ζ1 + p2ζ2) (19) Z = ½(p1ζ1 – p2ζ2) (20)
Für die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird Q als Konstante betrachtet, oder wird durch eine (nicht dargestellte) rein elektronische Einrichtung überwacht.
Die Größen K und χ, die in die Gleichungen (15) bzw. (16) eingeführt wurden, werden als Vakuumüberlagerungswellennummer bzw. Vakuumträgerwellennummer bezeichnet. Diese Terminologie folgt logisch aus den folgenden zwei Phasengleichungen, die gültig sind, wenn n₁ = n₂ = 1:
= _χL + ξ (21) Φ = KL + Z (22)
Aus dem gleichen Grunde werden die Größen ξ und Z, die in die Gleichungen (19), (20) eingeführt wurden, als Vakuum trägerphasenversetzung bzw. Vakuumüberlagerungsphasenversetzung bezeichnet.
In einem Endschritt kann bei jenen Anwendungen, die sich auf eine Distanzmeß-Interferometrie beziehen, der kalkulierte Wert des Brechungsindex n₁ zusammen mit der Phasenverschiebung φ₁ benutzt werden, um den Abstand L unabhängig von Fluktuationen des Brechungsindex n₁ zu bestimmen, indem man die Formel L = (φ1 – ζ1)/p1k1n1 (23) benutzt. Für den Fachmann ist es klar, daß ähnliche Berechnungen in bezug auf n₂ anstelle oder zusätzlich zu n₁ vorgenommen werden können.
In den obigen Abschnitten wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, und die der Erfindung zugrunde liegenden Vorteile werden durch die folgende Diskussion klar. Aus der Berechnung des Brechungsindex n₁, geliefert durch obige Gleichung, wird es klar, daß die geforderte Genauigkeit der Trägerphase θ und der Überlagerungsphase Φ auf die Werte der Trägerwellennummer χ und der Überlagerungswellennummer K bezogen sind. Da die Frequenz F des Modulationssignals M sehr viel kleiner sein kann als die Frequenz v des Trägersignals C, und da es allgemein leichter ist, die Phase eines elektronischen Signals kleinerer Frequenz mit hoher Auflösung zu berechnen, ist es allgemein vorteilhaft, sich auf eine hochgenaue Messung der Überlagerungsmodulationsphase Φ zu verlassen. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht erreicht werden, wenn die Wellenlängen λ₁, λ₂ annähernd harmonisch bezogen sind, wie dies oben in der ersten Gleichung dargestellt ist. Für den Grenzfall, wenn λ₁ λ₂ ganzzahlige Vielfache voneinander sind, d. h. für den Grenzwert, wo
p₁λ₁ ≈ p₂λ1 für p₁, p₂ = 1, 2, 3, ..., p₁ ≠ p₂ (24)
die Vakuumüberlagerungswellennummer K gleich Null ist und die Brechungsindexkalkulation nicht die Trägerphase θ benutzt, was sich aus dem folgenden Ausdruck ergibt:
Für den Fall, daß K = 0, ist die Überlagerungsmodulationsphase Φ auch nur im geringen Maße von dem Abstand L abhängig, relativ zu der sehr weitgehenden Abhängigkeit von der Trägerphase
und den Phasenverschiebungen φ₁ , φ₂ . Hierdurch wird die Genauigkeit der Phasendetektion für bewegliche Gegenstände weitgehend verbessert, wie dies beispielsweise in mikrolithographischen Einrichtungen erforderlich ist.
Eine wichtige Betrachtung für die Interferometrie allgemein und für die Dispersionstechnik insbesondere ist die Wellenlängeninstabilität der Quelle. Die erfindungsgemäße Vorrichtung schafft eine zweckmäßige Möglichkeit, die Wellenlängeninstabilität der Quelle zu kompensieren, wie dies im folgenden ausgeführt wird. Durch mathematische Manipulation der Gleichung (13) wird es möglich zu zeigen, daß ein Fehler δn₁ im Brechungsindex, der auf der Instabilität der Quelle beruht, gegeben ist durch: δn1= χ A δK (26)
Dabei ist δK die Instabilität der Vakuumüberlagerungswellennummer K. Diese Formel zeigt, daß die Größe des Fehlers im wesentlichen unabhängig ist von dem Objektabstand L und allen anderen Variablen, beispielsweise der Phasenverschiebung φ₁ , φ₂ , die direkt von der Gegenstandsentfernung L abhängen. Es ist daher möglich, die Wirkungen der Wellenlängenstabilität dadurch zu kompensieren, daß der Brechungsindex längs eines Monitorpfades gemessen wird, der völlig frei ist von wirklichen Fluktuationen im Index. Sämtliche gemessenen Veränderungen sind das Ergebnis einer Wellenlängeninstabilität.
Nunmehr wird auf 4 Bezug genommen. Hier ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei ein Monitorsystem 60b dem Ausführungsbeispiel nach 1 hinzugefügt wurde, um einen Fehler δn₁ in der Brechungsindexmessung zu kompensieren, wobei der Fehler von der Wellenlängeninstabilität der Quelle herrührt. Ein Strahlteiler 70 und ein Spiegel 71 reflektieren einen Teil des Strahls 13 nach dem Monitorsystem 60b. Das Monitorsystem 60b umfaßt eine Zahl von Elementen, die analoge Operationen als Interferometer 60 durchführen, wobei die Elemente die gleichen Operationen durchführen wie die in gleicher Weise bezeichneten Elemente des Interferometers 60, mit dem Unterschied, daß ein Zusatz "b" zugesetzt wurde, wenn sie sich auf Elemente des Monitorsystems 60b beziehen. Ein elektronisches Monitorverarbeitungssystem 98b führt in gleicher Weise die gleichen Operationen wie das elektronische Prozessorsystem 98 durch. Die Differenz zwischen dem Interferometer 60 und dem Monitorsystem 60b besteht darin, daß der Monitorpfad 66b des Monitorsystems 60b vorzugsweise eine feste Länge mit einem genau gesteuerten Brechungsindex aufweist, was dadurch erreicht werden kann, daß der Monitorpfad 66b umschlossen wird und Temperatur und Druck des eingeschlossenen Volumens gesteuert werden. Da der Brechungsindex längs des Monitorpfades 66b im wesentlichen konstant ist, sind alle gemessenen Abweichungen δn_M im Monitorsystem verursacht durch die Wellenlängeninstabilität der Quelle. Bei diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung berechnet der Computer 99 vorzugsweise den Brechungsindex n₁ gemäß der folgenden Formel:
Diese bevorzugte erfindungsgemäße Kompensationstechnik vermindert die Wellenlängenstabilitätserfordernisse für die Quelle wesentlich. Es ist insbesondere zu bemerken, daß die Erfindung nicht eine absolute Wellenlängenstabilität erfordert und ein Monitorpfad 66b keine übermäßig genaue stabile physikalische Länge L aufweisen muß.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die folgenden': (1) Die vorliegende Erfindung schafft eine genaue Messung bezüglich Fluktuationen im Brechungsindex von Luft und kompensiert diese, wie dies für die Distanzmeß-Interferometrie nützlich ist; (2) die vorliegende Erfindung ist kompatibel mit der schnellen Bewegung, die bei modernen mikrolithographischen Ausrüstungen erforderlich ist; (3) die vorliegende Erfindung weist zweckmäßigerweise einfach einzubauende Monitoreinrichtungen auf, und das Verfahren vermindert wesentlich die Erfordernisse der Quellenstabilität; und (4) die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist wesentlich weniger kompliziert und weniger kostspielig als vergleichbare Vorrichtungen bekannter Art.
Für den Fachmann ist es klar, daß eine abgewandelte Datenverarbeitung in Betracht gezogen werden kann, ohne vom Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann es sich als nützlich erweisen, modifizierte Überlagerungssignale s ₁ , s ₂ miteinander zu multiplizieren, statt sie zu addieren, wie dies der folgende Ausdruck angibt S' = s 1 s 2 (28)
Das alternative Signal S' kann erzeugt werden durch Wahl des geeigneten Ausdrucks in der binomischen Erweiterung von (s₁ + s₂)^p+q, und zwar unter Benutzung einer phasen empfindlichen Detektion. Ein alternatives Signal S' könnte dann aus der Summe statt aus dem Produkt von zwei Signalen bestehen, die die Frequenzen F und ν aufweisen. Eine derartige Verarbeitungstechnik würde sich als Vorteil für ein Beispiel erweisen, wenn es sich als nützlich erwiesen hat, die Detektoren 45, 46 und den dichroitischen Strahlteiler 80 in 1 durch einen einzigen Detektor zu ersetzen.
Für den Fachmann ist es weiter klar, daß zusätzliche optische Elemente und elektronische Verarbeitungsstufen in die beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung einbezogen werden können. Beispielsweise könnten zusätzliche Detektoren und zugeordnete Elemente den Ausführungsbeispielen zugesetzt werden, um verschiedene Phasenversetzungen zu messen und zu kompensieren, die in der Datenverarbeitung auftreten.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Einflusses des Brechungskoeffizienten eines Gases in einer Meßstrecke, mit: einer Lichtquelle (1, 4) für mindestens zwei Lichtstrahlen (11, 12) unterschiedlicher Wellenlänge; einem Interferometer (60) aufweisend erste (64) und zweite (66) Meßschenkel, deren Lichtwege derart angeordnet sind, dass mindestens ein Schenkel (66) eine geometrisch variable Länge aufweist und mindestens ein Schenkel (66) mindestens teilweise vom Gas umgeben ist, wobei der Lichtweg-Längenunterschied zwischen dem ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel abhängig vom physischen Längenunterschied zwischen den Lichtwegen sowie den Gaseigenschaften variiert; Einfügemitteln zum Einblenden erster und zweiter vorgegebener Anteile jedes der Lichtstrahlen (11, 12) in den ersten (64) bzw. zweiten (66) Meßschenkel, so dass jeder der vorgegebenen Anteile entlang vorgegebener Strahlengänge mit der gleichen Durchlaufrate durch den ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel geführt wird und die vorgegebenen Anteile unter Beinhaltung von Informationen über die jeweiligen Lichtweglängen durch den ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel mit den Wellenlängen der ursprünglichen Strahlen (11, 12) als Ausgangsstrahlen (15) aus dem Interferometer (60) austreten; und Mischmitteln (44) zum Kombinieren der Ausgangsstrahlen (15) zur Erzeugung optischer Mischsignale mit den der Phasendifferenz zwischen den jeweiligen Ausgangsstrahlen (15) entsprechenden Informationen, gekennzeichnet durch Erfassungsmittel (80, 45, 46) zur Erkennung der optischen Mischsignale und Erzeugung elektrischer Interferenzsignale (s₁ , s₂ ) mit Informationen über den Einfluss des Brechungsindexes des Gases bei den verschiedenen Wellenlängen der Strahlen und den Streckenlängenunterschied der Meßschenkel (64, 66) sowie deren relative zeitliche Änderung; und elektronischen Mitteln (981, 982, 983, 985, 986, 987) zur vielfachen Verstärkung besagter elektrischer Interferenzsignale (s₁ , s₂ ) mit vorgegebenen Koeffizienten (p₁, p₂) und Weiterverarbeitung der verstärkten Signale und mindestens eines der besagten elektrischen Interferenzsignale zur Ermittlung des Einflusses des Gases im jeweiligen Meßschenkel (64, 66) unter Ausgleich der relativen Änderungsrate der physischen Lichtweglängen der ersten und zweiten Meßschenkel (64, 66).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen (11, 12) Wellenlängen starker harmonischer Beziehung sowie orthogonale Polarisationszustände aufweisen, und dass die Einfügemittel Mittel (2, 5) zur Erzeugung einer Frequenzdifferenz zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen der einzelnen Lichtstrahlen (11, 12), Mittel (9) zum Bündeln der Lichtstrahlen (11, 12) in einen einzigen im wesentlichen kollinearen Strahl (13) entlang eines gemeinsamen Messwegs (66), sowie Mittel (23, 80) zur Bildung phasenverschobener Strahlen (16, 17) mit Phasenänderungsgrößen proportional zu einem Produkt der physischen Länge des Messwegs (66) und der Brechungsindizes des Gases im Messweg (66) enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischmittel Mittel (44) zum Mischen der Polarisationskomponenten jedes der phasenverschobenen Strahlen (16, 17) zur Erzeugung gemischter Ausgangsstrahlen enhalten, und dass die Erfassungsmittel Mittel (45, 46) zur Erzeugung elektrischer Überlagerungssignale (s₁ , s₂ ) aus den Intensitäten der gemischten Ausgangsstrahlen mit aus den Frequenzdifferenzen zwischen den Polarisationszuständen der Lichtstrahlen abgeleiteten Schwingungen bei überlagerten Frequenzen sowie überlagerte Phasen enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel Mittel (981) zur Erzeugung modifizierter, Überlagerungssignale (s ₁ , s ₂ ) aus den harmonisch auf die besagten Überlagerungsfrequenzen bezogenen modifizierte Überlagerungs- frequenzen bzw. harmonisch auf die besagten Überlagerungsphasen bezogenen modifizierte Überlagerungsphasen enthaltende, elektrischen Überlagerungssignalen (s₁ , s₂ ), Mittel (982) zum Mischen von mindestens zwei der modifizierten elektrischen Überlagerungssignale (s ₁ , s ₂ ) zur Erzeugung mindestens eines elektrischen Überlagerungssignals (S) mit einer Überlagerungsmodulationsfrequenz (F), die im wesentlichen der halben Differenz der beiden modifizierten Überlagerungsfrequenzen (s ₁ , s ₁ ) entspricht sowie mit einer Überlagerungsmodulationsphase die im wesentlichen der halben Differenz zwischen den beiden modifizierten Überlagerungsphasen entspricht, sowie Mittel (983, 985, 986, 987) zur Auswertung der Überlagerungsmodulationsphase zur Bestimmung der Schwankungen des Brechungsindexes entlang des Messwegs (66) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Lichtstrahlen (11, 12) zwei orthogonale Polarisationszustände aufweist, wobei die die Frequenzdifferenz erzeugenden Mittel (2, 5) weitere Mittel zum Einfügen der Frequenzdifferenz zwischen die beiden orthogonalen Polarisationszustände jedes der Lichtstrahlen enthalten und diese Frequenzdifferenz für die mindestens zwei Strahlen unterschiedlich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (9) zum Ausrichten der Lichtstrahlen optische Mittel zum Bündeln aller Lichtstrahlen in einen einzelnen Lichtstrahl (13) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (23, 80) zur Erzeugung der phasenverschobenen Strahlen (16, 17) Mittel zur Phasenänderung zwischen den Polarisationszuständen jedes der Lichtstrahlen umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (23, 80) zur Erzeugung der phasenverschobenen Strahlen optische Mittel enthalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (982) zum Mischen von mindestens zwei der modifizierten elektrischen Überlagerungssignale (s ₁ , s ₂ ) Mittel zum Mischen jeglicher zwei modifizierter elektrischer Überlagerungssignale (s ₁ , s ₂ ) zur Erzeugung des besagten mindestens einen elektrischen Überlagerungssignals (S) mit dem amplitudenmodulierten Träger (C) der überlagerten Modulationsfrequenz (F) umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1, 4) eine Quelle kohärenter Strahlung enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (981) zur Erzeugung der modifizierten Überlagerungssignale (s ₁ , s ₂ ) elektronischer Art sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (60b) zum Ausgleich in der überlagerten Modulationsphase durch Wellenlängenschwankungen der Lichtquelle (1, 4) verursachter Fehler.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmittel (60b) ein Interferometer mit einem Messweg bestehend aus einem Kontrollpfad (66b) fester Länge und einem Gas geregelten Brechungsindexes umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmittel (60b) des weiteren Mittel (45b, 46b) zur Erzeugung von Überlagerungskontrollsignalen umfassen, wobei diese Erzeugungsmittel zusätzlich Mittel (98b) zur Erzeugung modifizierter Überlagerungskontrollsignale aus den Überlagerungskontrollsignalen enthalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der modifizierten Überlagerungskontrollsignale elektronischer Art sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmittel (60b) des weiteren Mittel (98b) zum Mischen jeglicher zwei der modifizierten elektrischen Überlagerungskontrollsignale zur Erzeugung mindestens eines elektrischen Überlagerungskontrollsignals mit einem amplitudenmodulierten Träger einer Überlagerungsmodulationskontrollfrequenz umfassen.
Verfahren zum Messen des Einflusses des Brechungsindexes eines Gases in einer Meßstrecke, unter: Bereitstellung mindestens zweier Lichtstrahlen (11, 12) unterschiedlicher Wellenlängen; Bereitstellung eines Interferometers (60) aufweisend erste (64) und zweite (66) Meßschenkel, deren Lichtwege derart angeordnet sind, dass mindestens ein Schenkel (66) eine geometrisch variable Länge aufweist und mindestens ein Schenkel (66) mindestens teilweise vom Gas umgeben ist, wobei der Lichtweg-Längenunterschied zwischen dem ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel abhängig vom physischen Längenunterschied zwischen den Lichtwegen sowie den Gaseigenschaften variiert; Einfügen erster und zweiter vorgegebener Anteile jedes der Lichtstrahlen (11, 12) in den ersten (64) bzw. zweiten (66) Meßschenkel, so dass jeder der vorgegebenen Anteile entlang vorgegebener Strahlengänge mit der gleichen Durchlaufrate durch den ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel geführt wird und die vorgegebenen Anteile unter Beinhaltung von Informationen über die jeweiligen Lichtweglängen durch den ersten (64) und zweiten (66) Meßschenkel mit den Wellenlängen der usprünglichen Strahlen (11, 12) als Ausgangsstrahlen (15) aus dem Interferometer (60) austreten; Zusammenlegung der Ausgangsstrahlen (15) zur Erzeugung optischer Mischsignale mit den der Phasendifferenz zwischen den jeweiligen Ausgangsstrahlen (15) entsprechenden Informationen, gekennzeichnet durch die Erfassung der optischen Mischsignale zur Erzeugung elektrischer Interferenzsignale (s₁ , s₂ ) mit Informationen über den Einfluss des Brechungsindexes des Gases bei verschiedenen Wellenlängen der Strahlen und den Streckenlängenunterschied der Meßschenkel (64, 66) sowie deren relativen zeitlichen Änderung; und elektronische Vielfachverstärkung der elektrischen Interferenzsignale mit vorgegebenen Koeffizienten und Weiterverarbeitung der verstärkten Signale und mindestens eines der besagten Interferenzsignale zur Ermittlung des Einflusses des Gases im jeweiligen Meßschenkel (64, 66) unter Ausgleich der relativen Änderungsrate der physischen Lichtweglängen der ersten und zweiten Meßschenkel (64, 66).
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Lichtstrahlen (11, 12) mit Wellenlängen starker harmonischer Beziehung, sowie durch die Erzeugung modifizierter überlagerter Phasenänderungen ausgehend von den Quellwellenlängen, wobei für die Phasenänderungen eine ähnliche Oberwellenbeziehung zu den harmonisch bezogenen Wellenlängen besteht, um eine weitgehend auf Bewegungen im mindestens teilweise vom Gas belegten Messweg (66) unempfindliche Überlagerungsmodulationsphase zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Messweg (66) eine in einem Interferometer befindliche Meßstrecke mit einer entlang dieser Meßstrecke verfahrbaren Bühne (67) umfasst, wobei aufgrund eines die Überlagerungsmodulationsphase erzeugenden Vorgangs die Überlagerungsmodulationsphase weitgehend gegen eine Bewegung der Bühne (67) im Messweg (66) unempfindlich ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch die Bestimmung einer Weglänge L entlang des Messwegs (66) unabhängig von Schwankungen des Brechungsindexes n.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Weglänge L auf Grundlage der Gleichung L = (φ1– p1 ζ1)/p1k1n1 erfolgt, wobei φ₁ für die Größe der Phasenänderung, k₁ für die Wellenzahl der Phasenänderung, n₁ für den Brechungsindex und ζ₁ für die Phasenverschiebung steht und die Phasenverschiebung alle nicht messwegbezogenen Beiträge zur Phasenänderung φ₁ einbeschließt:
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Lichtstrahlen (11, 12) einen orthogonalen Polarisationszustand aufweist, dass zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen eine Frequenzdifferenz besteht, dass der Vorgang der Erzeugung modifizierter Überlagerungsphasenänderungen die Erzeugung elektrischer Überlagerungssignale umfasst, wobei letztere Schwingungen bei Überlagerungsfrequenzen enthalten, die von Frequenzdifferenzen zwischen den Polarisationszuständen der Quellenlichtstrahlen abhängen, und dass aus den die modifizierten Überlagerungsphasenänderungen aufweisenden elektrischen Überlagerungssignalen modifizierte Überlagerungssignale erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Erzeugungsvorgang die elektronische Erzeugung der modifizierten Überlagerungssignale und die elektronische Hinzufügung der modifizierten Überlagerungssignale zur Erzeugung eines die Überlagerungs-Modulationsphase aufweisenden Überlagerungssignals beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, gekennzeichnet durch den Ausgleich von durch Schwankungen in den Quellwellenlängen verursachten Fehlern in der Überlagerungsmodulationsphase.