DE60118871T2

DE60118871T2 - Lichtwellenlängenmessvorrichtung und Verfahren unter Verwendung eines Zweistrahlinterferometers

Info

Publication number: DE60118871T2
Application number: DE60118871T
Authority: DE
Inventors: Yukio Akiou-gun Tsuda
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: DE60118871D1; JP2002202203A; US20020118368A1; US6697160B2; EP1219938A2; JP4566401B2; EP1219938A3; EP1219938B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die ein Zweistrahlinterferometer verwendet, und auf ein Messverfahren dafür. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die eine Wellenlänge eines einfallenden Lichts misst, das unter Verwendung eines Zweistrahlinterferometers gemessen werden soll, wobei die Wellenlänge des Objektlichts mit hoher Geschwindigkeit gemessen wird, und auf ein Verfahren dafür.
22A zeigt eine Auslegung eines Hauptteils einer ein Zweistrahlinterferometer verwendenden Lichtwellenlängenmessvorrichtung aus dem Stand der Technik, die in der japanischen Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungsnummer 3-279824 offenbart ist.
Die 22B und 22C zeigen Wellenformen eines Referenzlichts R und eines Objektlichts S, die in 22A aus einem Strahlenteiler 1102 kommen.
Im Speziellen ist eine wie in 22A gezeigte Lichtwellenlängenmessvorrichtung 1101 hauptsächlich aus einem Zweistrahlinterferometer aufgebaut, das umfasst: einen im Lichtweg angeordneten Strahlenteiler 1102, auf den ein Objektlicht und ein Referenzlicht mit einer bekannten Wellenlänge einfallen; einen feststehenden Spiegel 1103, der als optisches Reflexionssystem dient, das in einem Lichtweg eines der beiden Strahlen angeordnet ist, die vom Strahlenteiler 1102 aufgeteilt wurden; und einen beweglichen Spiegel 1104, der als weiteres optisches Reflexionssystem dient, das in einem Lichtweg des anderen der beiden Strahlen angeordnet ist, die vom Strahlenteiler 1102 aufgeteilt wurden.
Gemäß der Lichtwellenlängenmessvorrichtung 1101, die das Zweistrahlinterferometer mit dem vorstehenden Aufbau verwendet, werden das Objektlicht und das Referenzlicht mit einer bekannten Wellenlänge in den Strahlenteiler 1102 eingeleitet. Der Strahlenteiler 1102 teilt jede der beiden Lichtarten für eine Reflexion durch den feststehenden Spiegel 1103 und den beweglichen Spiegel 1104 auf.
Dann werden die auf den feststehenden Spiegel 1103 und den beweglichen Spiegel 1104 einfallenden Strahlen zum Strahlenteiler 1102 rückreflektiert, von diesem wieder zu jeweiligen Einzelstrahlen kombiniert, und treten dann als Referenzlicht R und Objektlicht S aus.
Beim Vorstehenden wird der bewegliche Spiegel 1104 um einen vorbestimmten Abstand bewegt. Dies bewirkt, wie in 22B bzw. 22C gezeigt ist, eine Energieverschiebung oder Sinuswellenverschiebung im Referenzlicht R bzw. Objektlicht S, die kombiniert sind und aus dem Strahlenteiler 1102 kommen.
Wenn man beim Vorstehenden davon ausgeht, dass es sich bei einer Differenz des Lichtwegs zwischen dem Referenzlicht R und dem Objektlicht S (eine Differenz im Abstand zwischen den beiden Lichtwegen ab dem Punkt des Aufteilens durch den Strahlenteiler 1102 bis zur Kombination durch diesen) um x, bei einem Brechungsindex um n und bei einer Wellenlänge des einfallenden Lichts um λ handelt, entsteht eine Interferenzlichtkomponente cos (nx/λ) in der kombinierten Lichtenergie.
Um die Wellenlänge des Objektlichts wie in 23 gezeigt zu erhalten, wird eine Berechnung durchgeführt, um eine Wellenanzahl k zu erhalten, die einen Referenzpegel L in der kombinierten Lichtenergie beim Referenzlicht R bzw. dem Objektlicht S kreuzt.
Dann berechnet eine (nicht gezeigte) Berechnungseinrichtung die Wellenlänge λ des Objektlichts auf Grundlage eines Verhältnisses der Wellenanzahlen im Referenzlicht R und Objektlicht S und eines Werts der bekannten Wellenlänge des Referenzlichts wie folgt: nx = k·λ λ = nx/k
Das Ergebnis der Berechnung wird ausgegeben.
Gemäß der Lichtwellenlängenmessvorrichtung 1101, die wie vorstehend beschrieben das herkömmliche Zweistrahlinterferometer verwendet, muss zum Erhalt der Wellenlänge des Objektlichts der bewegliche Spiegel 1104 um einen vorbestimmten Abstand bewegt und das Wellenanzahlverhältnis des Interferenzstreifens zwischen dem Referenzlicht und dem Objektlicht ermittelt werden. Aus diesem Grund kann das Messergebnis erst nachdem der bewegliche Spiegel 1104 bewegt wurde erhalten werden.
Deshalb muss gemäß der Lichtwellenlängenmessvorrichtung 1101, die wie vorstehend beschrieben das herkömmliche Zweistrahlinterferometer verwendet, eine bestimmte Zeit zum Bewegen des beweglichen Spiegels 1104 aufgebracht werden. Dies wirft insofern ein Problem auf, als es unmöglich ist, die Messzeit zu verkürzen.
Nun tritt die Sinuskurvenverschiebung in der aus dem Zweistrahlinterferometer ausgegebenen Strahlenenergie nicht nur dann auf, wenn der bewegliche Spiegel 1104 bewegt wird, sondern auch, wenn es eine Veränderung bei der Wellenlänge des einfallenden Lichts gibt, wie in 24 gezeigt ist.
Dieses Verhältnis kann genutzt werden, um die Lichtwellenlängenmessvorrichtung 1101, die das herkömmliche Zweistrahlinterferometer verwendet, zu verbessern, wobei eine Abnahme bei der Messzeit erzielt wird. Im Speziellen wird der bewegliche Spiegel 1104 festgestellt und eine Veränderung in der Interferenzlichtenergie, die durch die Wellenlängenveränderung beim einfallenden Licht bewirkt wird, erfasst, so dass ein Veränderungsbetrag bei der Wellenlänge des einfallenden Lichts ermittelt werden kann.
Jedoch nimmt, wie in 24 gezeigt, an einem Punkt A in der Wellenlänge die Energie immer dann ab, wenn sich die Wellenlänge in der kurzen Wellenlängenrichtung verändert, und wenn sich die Wellenlänge in der langen Wellenlängenrichtung verändert.
Im Gegensatz dazu nimmt an einem Punkt B in der Wellenlänge die Energie immer dann zu, wenn sich die Wellenlänge in der kurzen Wellenlängenrichtung und wenn sich die Wellenlänge in der langen Wellenlängenrichtung verändert.
Im Ergebnis ist es in Übereinstimmung mit dem Bestreben nach der vorstehend beschriebenen Verbesserung beim Erfassen der Energieveränderung beim Interferenzstrahl in Verbindung mit der Wellenlängenveränderung beim einfallenden Licht unmöglich, zu wissen, in welcher Richtung sich die Wellenlänge verändert, um die Wellenlänge zunehmen oder abnehmen zu lassen. Dies wirft insofern ein Problem auf, als der Betrag der Wellenlängenveränderung nicht genau ermittelt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme gemacht, und es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine schnelle Messung der Wellenlänge des Objektlichts durchzuführen, indem ein Zweistrahlinterferometer verwendet wird, das die Bewegung des beweglichen Spiegels beim Messen des Betrags der Wellenlängenveränderung des einfallenden Lichts nicht erforderlich macht, in der Lage ist, den Betrag der Wellenlängenveränderung des einfallenden Lichts über eine Echtzeitermittlung richtig zu ermitteln, und um wie viel und in welcher der Zunahme- oder Abnahmerichtungen sich die Wellenlänge verändert hat.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung und ein Verfahren dafür bereitzustellen, die in der Lage sind, beim Erzielen der vorstehenden Aufgabe die verschiedenen Probleme zu lösen.
Um die vorstehenden Aufgaben zu lösen, wird nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 1 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 1 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, bei der mindestens einer der beiden Lichtwege im Zweistrahlinterferometer ab dem Punkt des Aufteilens des einfallenden Lichts bis zum Punkt des Kombinierens der aufgeteilten Lichtanteile mit einem optischen Element versehen ist, das das einfallende Licht in einen anderen Polarisierungszustand versetzt.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 1 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, bei der das Zweistrahlinterferometer einen Polarisierungsstrahlenteiler als Strahlenteiler/Strahlenkombinator verwendet, der das einfallende Licht zweiteilt, die aufgeteilten Lichtanteile wieder kombiniert und zusammen ausgibt.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 1 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, bei der mehrere Optikteile, die im Zweistrahlinterferometer verwendet werden, vom Punkt zum Aufteilen des einfallenden Lichts bis zum Punkt zum Kombinieren der aufgeteilten Lichtanteile in enger Anlage aneinander in den Lichtwegen im Zweistrahlinterferometer angeordnet sind, wobei eine Temperaturregelungseinrichtung vorgesehen ist, um die Optikteile auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 1 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, bei der dem Zweistrahlinterferometer ein Referenzlicht, das eine stabilisierte Wellenlänge hat, auf im Allgemeinen demselben Lichtweg wie für das Objektlicht wie auch das einfallende Licht, im Allgemeinen gleichzeitig mit dem Objektlicht als dem einfallenden Licht zugeführt wird;
die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung einen Polarisierungszustand jeweils für das kombinierte Licht des Objektlichts als dem aus dem Zweistrahlinterferometer kommenden Licht und dem kombinierten Licht des Referenzlichts erfasst;
eine Korrektur an einem Veränderungsbetrag bei der Lichtweglänge, die im Polarisierungszustand des Objektlichts als dem einfallenden Licht aufgenommen wird, basierend auf dem Polarisierungszustand des kombinierten Lichts des Objektlichts als dem einfallenden Licht und dem kombinierten Licht des Referenzlichts vorgenommen wird, das von der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung erfasst wurde.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 5 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, bei der das Zweistrahlinterferometer ein Stellglied umfasst, das die Länge von mindestens einem der Lichtwege etwas verändert,
das Stellglied basierend auf dem Polarisierungszustand des kombinierten Lichts des aus dem Zweistrahlinterferometer kommenden Referenzlichts oder einer Interferenzlichtenergie einer Rückführregelung unterzogen wird, um ein Produkt des Brechungsindexes n und der Lichtweglängendifferenz x auf einem konstanten Wert zu halten, so dass die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen im Wesentlichen auf der vorbestimmten Länge gehalten wird.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 6 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, die darüber hinaus eine lichtabsorbierende Zelle, die Licht mit einer bestimmten Wellenlänge absorbiert, und eine Referenzwellenlängenlichtquelle umfasst, die als Referenzlicht einen Strahl abgibt, dessen Wellenlänge auf die spezielle Wellenlänge festgelegt wird, die von der lichtabsorbierenden Zelle absorbiert wird.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 7 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, bei der das Licht aus der Referenzwellenlängenlichtquelle auf eine vorbestimmte Modulationsfrequenz frequenzmoduliert wird, während es auf die spezielle Wellenlänge festgelegt wird, und
die Frequenzantwort eines Schaltkreises zum Ansteuern des Stellglieds, welches das Produkt des Brechungsindexes n und der Lichtweglängendifferenz x auf einem konstanten Wert hält, auf eine Frequenz eingestellt wird, die ausreichend niedriger ist als die vorbestimmte Modulationsfrequenz.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 7 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Licht aus der Referenzwellenlängenlichtquelle auf eine vorbestimmte Modulationsfrequenz frequenzmoduliert wird, während es auf die spezielle Wellenlänge festgelegt wird, darüber hinaus einen Fotodetektor, der ein aus der lichtabsorbierenden Zelle kommendes Licht erfasst, und einen Auslöseimpulsgeberschaltkreis umfasst, der einen Auslöseimpuls erzeugt, wenn ein Ausgangssignal aus dem Fotodetektor oder ein Differentialsignal des Ausgangssignals mit einem speziellen Pegel identisch ist,
wobei der elektrische Schaltkreis eine Wellenlänge des Objektlichts als dem einfallenden Licht synchron mit dem Auslöseimpuls berechnet, der vom Auslöseimpulsgeberschaltkreis erzeugt wird.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 1 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, bei der das Zweistrahlinterferometer eine Lichtwegveränderungseinrichtung umfasst, welche die Länge von mindestens einem der beiden Lichtwege verändert,
die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung einen ersten Veränderungsbetrag beim Polarisierungszustand des kombinierten Lichts erfasst, der bewirkt wird, wenn die Lichtweglängenveränderungseinrichtung die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden auf die vorbestimmte Länge eingestellten Lichtwegen um einen vorbestimmten Abstand verändert, und einen zweiten Veränderungsbetrag beim Polarisierungszustand des kombinierten Lichts erfasst, der durch eine Wellenlängenveränderung beim Objektlicht als dem einfallenden Licht bewirkt wird, wenn die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen auf die vorbestimmte Länge eingestellt wird,
der elektrische Schaltkreis eine Echtzeitmessung einer absoluten Wellenlänge des Objektlichts als dem einfallenden Licht basierend auf dem ersten und dem zweiten von der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung erfassten Veränderungsbetrag durchführt.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine wie in Anspruch 1 definierte Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitgestellt, bei der das Zweistrahlinterferometer einen Lichteintrittsabschnitt aufweist, der mit einem Verdoppelungspolarisierungselement versehen ist, der das einfallende Licht in Lichtanteile mit ersten und zweiten Polarisierungskomponenten trennt, die senkrecht zueinander sind.
Darüber hinaus wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein wie in Anspruch 12 definiertes Lichtwellenlängenmessverfahren bereitgestellt.
Diese Zusammenfassung der Erfindung umfasst nicht unbedingt alle notwendigen Merkmale, so dass es sich bei der Erfindung auch um eine Teilkombination dieser beschriebenen Merkmale handeln kann.
Die Erfindung lässt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen vollständiger kennen lernen:
1 ist ein Blockschema, das einen Aufbau einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Schema, das einen Polarisierungszustand eines aus einem Michelson-Interferometer einfallenden kombinierten Lichts zeigt, das als Zweistrahlinterferometer von 1 verwendet wird;
3 ist ein Schema, das ein Verhältnis zwischen einer Phasendifferenz und einem Polarisierungszustand eines aus einer Austrittsöffnung 2 des Michelson-Interferometers von 2 einfallenden kombinierten Lichts zeigt;
4A ist ein Schema, das ein Verhältnis zwischen einer Phasendifferenz und einem Polarisierungszustand eines kombinierten Lichts zeigt, das aus zwei willkürlichen Strahlen besteht, deren Polarisierungszustände sich voneinander unterscheiden;
4B ist ein Schema, das ein Verhältnis zwischen jeweiligen Vektoren im Ausdruck (3) zeigt;
5 ist ein Blockschema, das einen Aufbau einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist ein Schema, das einen anderen Aufbau einer Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 von 5 zeigt;
die 7A bis 7E sind Schemata, die Beispiele des Zweistrahlinterferometers nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei die 7A bis 7C Beispiele zeigen, worin eine Polarisierungseinrichtung jeweils durch eine Wellenplatte, einen Polarisator und eine flache Glasplatte bereitgestellt wird, 7D ein Mach-Zehnder-Interferometer zeigt, das eine Kombination aus einer zu einer Spule gewickelten SM-Faser und einem Optokoppler zeigt, und 7 ein Mach-Zehnder-Interferometer zeigt, das eine Kombination aus einer die Polarisierung aufrechterhaltenden optischen Faser und einem Optokoppler zeigt;
8 ist ein Schema, das ein weiteres Beispiel eines Zweistrahlinterferometers nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist ein Schema, das ein weiteres Beispiel eines Zweistrahlinterferometers nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Blockschema, das einen Aufbau einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist ein Blockschema, das einen Aufbau einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Referenzwellenlängenlichtquelle einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ist ein Schema, das ein Absorptionsspektrum von Acetylengas zeigt, das in eine Absorptionszelle in der Referenzwellenlängenlichtquelle von 12 eingefüllt werden soll;
14 ist ein Schema, das ein Verhältnis zwischen einer Wellenlänge eines austretenden Lichts, einer Spannung einer optischen Erfassungseinrichtung und ein Differenzsignal von dieser zeigt;
15 ist ein Blockschema, das einen Aufbau einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 ist ein Blockschema, das einen Aufbau einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 ist ein Blockschema, das einen Aufbau einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung als andere Ausführungsform nach dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
18 ist ein Schema, das ein Spektrum eines Referenzlichts zeigt, das an die vorliegende Erfindung angelegt wird;
19 ist ein Schema, das ein Verhältnis zwischen einer Lichtwegdifferenz und einer kohärenten Lichtenergie eines kombinierten Lichts des Referenzlichts zeigt, das in der Nähe von 0 einer Lichtwegdifferenz an die vorliegende Erfindung angelegt wird;
20 ist ein Schema, das den Aufbau eines Zweistrahlinterferometers zeigt, das in einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
21 ist ein Schema, das einen Aufbau einer Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
22A ist ein Schema, das einen Aufbau eines Hauptteils einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt;
die 22B und 22C sind Schemata, die Wellenformen eines kombinierten Objektlichts bzw. eines kombinierten Referenzlichts in der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigen;
23 ist ein Diagramm, das eine Lichtwegdifferenz und eine kohärente Lichtenergie nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung von 22A zeigt; und
24 ist ein Schema, das ein Verhältnis zwischen der Wellenlänge einer einfallenden und kohärenten Lichtenergie zeigt, wenn die Lichtwegdifferenz in der Lichtwellenlängenmessvorrichtung von 22A feststeht.
Nun wird im Einzelnen Bezug auf die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung genommen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, worin gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen.
1 ist ein Blockschema, das einen Aufbau einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung hauptsächlich ein Zweistrahlinterferometer 1, eine Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 und einen elektrischen Schaltkreis 3.
Das Zweistrahlinterferometer 1 empfängt ein Objektlicht als einfallendes Licht, teilt das einfallende Licht in zwei Strahlen auf, und kombiniert die Strahlen dann wieder, wodurch ein Interferenzsignal erhalten wird.
Die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 setzt einen Polarisierungszustand des aus dem Zweistrahlinterferometer 1 kommenden Interferenzlichts in ein elektrisches Signal um und gibt das umgesetzte Signal aus.
Der elektrische Schaltkreis 3 empfängt das vorstehende elektrische Signal, setzt es in einen Wellenlängenwert des einfallenden Lichts um und gibt den erhaltenen Wert aus.
Gemäß der vorstehenden Strahlenwellenlängenmessvorrichtung wird eine Lichtwegdifferenz x festgestellt und die Wellenlänge des Objektlichts aus dem Polarisierungszustand des kombinierten Lichts berechnet.
Hier erfolgt die Beschreibung für die Wellenlängenveränderung beim einfallenden Licht und der Veränderung des Polarisierungszustands beim kombinierten Licht unter Verwendung eines Michelson-Interferometers als Beispiel. Das Michelson-Interferometer wird in herkömmlichen Lichtwellenlängenmessvorrichtungen als Zweistrahlinterferometer benutzt.
2 zeigt ein prinzipiellen Aufbau des Michelson-Interferometers.
Einfallendes, in einen Strahlenteiler BS eingeleitetes Licht wird in einen Weg 1 bzw. einen Weg 2 aufgeteilt, von einem Reflexionsspiegel 11 bzw. einem Reflexionsspiegel 12 reflektiert und dann wieder in den Strahlenteiler BS eingeleitet, in dem die beiden Strahlen wieder zu einem Strahl kombiniert werden.
Der Strahlenteiler BS besitzt allgemein eine Polarisierungseigenschaft. In diesem Beispiel wird also davon ausgegangen, dass der Strahlenteiler einen Reflexionsgrad von 20% in einer P-Polarisierungskomponente und einen Reflexionsgrad von 80% in einer S-Polarisierungskomponente besitzt. Es wird auch davon ausgegangen, dass es sich bei dem einfallenden Licht um linear polarisiertes Licht mit einem Seitenwinkel von 45 Grad handelt.
Darüber hinaus wird der Einfachheit der Beschreibung halber weiter noch davon ausgegangen, dass es sich bei einem Phasenänderungsbetrag, der mit der Reflexion und dem Transmissionsgrad zusammenhängt, bei sowohl den P- als auch den S-Polarisierungskomponenten um denselben handelt und es keinen Verlust gibt.
Beim vorstehenden optischen System erfolgt die Beschreibung mit besonderem Augenmerk auf den aus einer Austrittsöffnung 102 kommenden Strahl.
Zuerst wird ein Polarisierungszustand des Lichts aus dem Weg 1 nach zweimaligem Reflektieren im Strahlenteiler BS berücksichtigt.
Dieses Licht hat eine P-Polarisierungskomponente, die 4% der Energie des einfallenden Lichts beträgt, und eine S-Polarisierungskomponente, die 64% der Energie des einfallenden Lichts beträgt.
Da keine Phasendifferenz zwischen den beiden Polarisierungskomponenten besteht, und da es sich bei dem einfallenden Licht um ein um 45 Grad linear polarisiertes Licht handelt, ist der Polarisierungszustand des Lichts eine um 76 Grad lineare Polarisierung.
Als Nächstes wird ein Polarisierungszustand des Strahls aus dem Weg 2 nach zweimaligem Übertragen zum Strahlenteiler BS berücksichtigt.
Bei diesem Strahl beträgt im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen Strahl die P-Polarisierungskomponente 64% und die S-Polarisierungskomponente 4%, und deshalb ist der Polarisierungszustand des Lichts eine um 14 Grad lineare Polarisation.
Da es sich darüber hinaus bei dem Strahl um ein um 45 Grad linear polarisiertes Licht handelt, besitzt jeder der Lichtanteile aus dem Weg 1 und dem Weg 2 dieselbe Energie wie der andere.
Der Polarisierungszustand eines Strahls als Kombination dieser beiden linear polarisierten Lichtanteile variiert je nach einer Phasendifferenz Δθ (bei welcher es sich um die gemeinsame Phasendifferenz bei den P- und S-Polarisierungskomponenten handelt, und die als Δθ = Phase des Lichts aus dem Weg 1 minus der Phase des Lichts aus dem Weg 2 definiert wird).
Beträgt beispielsweise die Phasendifferenz Δθ zwischen den beiden Strahlen 0, bekommt das einfallende Licht wieder den ursprünglichen Polarisierungszustand mit dem Seitenwinkel von 45 Grad.
Beträgt die Phasendifferenz Δθ 90 Grad, wird das einfallende Licht zu einem rechtsseitig elliptisch polarisierten Licht, wobei der Ellipsenwinkel 31 Grad und der Seitenwinkel 45 Grad beträgt.
Der Polarisierungszustand des kombinierten Lichts lässt sich unter Verwendung des Stokesschen Parameters S = (I Q U V) als folgender Ausdruck (1) ausdrücken:
Im vorstehenden Ausdruck (1), stellt Iin die Energie des Objektlichts in dem um 45 Grad linear polarisierten Licht dar.
3 zeigt ein Verhältnis zwischen der Phasendifferenz Δθ und dem Polarisierungszustand des kombinierten Lichts.
Wie aus dem Ausdruck (1) und 3 klar wird, verändert sich, wenn die Phasendifferenz Δθ variiert, der Polarisierungszustand des kombinierten Lichts entlang einer Ellipsenbahn in der UV-Ebene, wobei auch die Energie des kombinierten Lichts (der Abstand vom Ausgangspunkt) mit der Veränderung der Phasendifferenz Δθ variiert.
Die Phasendifferenz Δθ zwischen den beiden Strahlen resultiert aus einer Differenz bei der Länge der Lichtwege im Zweistrahlinterferometer. Deshalb trifft das folgende Verhältnis zu: Δθ = 2π(n·x)/λ (2)
Wie aus dem vorstehende Ausdruck (2) klar wird, handelt es sich bei der Phasendifferenz Δθ um eine Funktion der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts.
Anders ausgedrückt variiert die Phasendifferenz Δθ der beiden Lichtanteile nach Ausdruck (2), wenn sich die Wellenlänge λ des einfallenden Lichts ändert.
Wenn die Phasendifferenz Δθ der beiden Strahlen variiert, verändert sich der Polarisierungszustand des kombinierten Lichts, das aus der Austrittsöffnung 102 des Michelson-Interferometers ausgegeben wird, auf einer Ellipsenbahn in der UV-Ebene.
Es sollte hier eine Anmerkung zu dem kombinierten Licht gemacht werden, das in 2 aus der Austrittsöffnung 101 des Michelson-Interferometers kommt. Da sich beide Lichtanteile aus dem Weg 1 und dem Weg 2 im selben Polarisierungszustand befinden (um 45 Grad lineare Polarisierung), verändert sich der Polarisierungszustand des kombinierten Lichts nicht bei einer Wellenlängenveränderung des einfallenden Lichts, obwohl es Veränderungen bei seiner Energie gibt.
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung für einen allgemeinen Fall.
Im Speziellen wird sich die Beschreibung eines Beispiels eines kombinierten Lichts bedienen, das aus zwei beliebigen Strahlen besteht, die sich in voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen befinden, und berücksichtigt wird die Veränderung bei der Phasendifferenz Δθ und dem Polarisierungszustand.
Zunächst werden die beiden beliebigen Strahlen, die sich in voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen befinden, als Strahl 1 und Strahl 2 bezeichnet, und ihre jeweiligen Stokesschen Parameter werden als S1 = (I1 Q1 U1 V1) bzw. S2 = (I2 Q2 U2 V2) definiert. Gleichermaßen werden ihre Einheitsvektoren, die mit der I-Komponente standardisiert sind, als Vektor k1 = (Q1/I1 U1/I1 V1/I1) bzw. Vektor k2 = (Q2/I2 U2/I2 V2/I2) definiert.
Mit dem Vorstehenden erfolgt eine Berechnung für einen Fall, bei dem ein Absolutwert des Vektors k1 + Vektors k2 ≠ 0 (wobei die beiden Lichtanteile zueinander nicht senkrecht sind). Die Berechnung verwendet die folgende Matrix R, die sich durch Ausdruck (4) ergibt, der als Matrixkomponenten drei zueinander senkrechte Einheitsvektoren verwendet, die sich durch Ausdruck (3) ergeben. Die Berechnung liefert den Ausdruck (5) als Stokesschen Parameter S12 = (I12 Q12 U12 V12).
Im Vorstehenden stellt Δβ in Ausdruck (5) einen Winkel dar, der durch den Vektor kq und den Vektor k1 (oder Vektor k2) gebildet wird und einen Wert annimmt, der 0 < Δβ ≤ π/2 erfüllt.
Sind hingegen die Polarisierung bei einem Licht 1 und die Polarisierung bei einem Licht 2 senkrecht zueinander, lässt sich ein beliebiger Einheitsvektor, der senkrecht zum Vektor kv ist, als kq definieren, so dass Ausdruck (5) anwendbar wird.
Die Matrix R ist eine Rotationstransformation um den Ursprungspunkt.
Δβ und die Matrix R sind Konstanten (bzw. eine Matrix, die Konstanten als ihre Bestandteile enthält), die durch das Zweistrahlinterferometer und den Polarisationszustand des einfallenden Lichts bestimmt werden.
Wenn, wie aus Ausdruck (5) klar wird, zwei beliebige Strahlen, die sich in voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen befinden, zu einem Strahl zusammengefasst werden, variiert dessen Polarisierung entlang einer Ellipsenortskurve auf einer Ebene im {Q U V}-Raum, wenn sich die Phasendifferenz Δθ verändert.
4A und 4B zeigen die vorgenannte Veränderung.
4B zeigt ein Verhältnis zwischen dem Vektor k1, dem Vektor k2, dem Vektor kq, dem Vektor ku und dem Vektor kv.
4A zeigt das Verhältnis zwischen S1, S2 und der Ellipsenortskurve des kombinierten Lichts S12 im Zusammenhang mit der Veränderung bei der Phasendifferenz Δθ.
Die Ellipse hat ihr Zentrum an einem Punkt der Summen zwischen den Vektoren S1 und S2, und die Ellipsenbahn besteht auf einer Ebene H, die diesen Punkt durchläuft, und ist senkrecht zum Vektor kv.
Die größere Achse der Ellipse ist mit einer Amplitude von 2(I1·I2)1/2 parallel zum Vektor kq.
Die kleinere Achse der Ellipse ist mit einer Amplitude von 2(I1·I2)1/2 sin Δβ parallel zum Vektor ku.
Wie vorstehend beschrieben wurde, variiert kombiniertes Licht, das aus zwei beliebigen, in voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen befindlichen Strahlen besteht, entlang einer Ellipsenortskurve auf einer Ebene im {Q U V}-Raum, wenn sich
die Phasendifferenz Δθ verändert.
Wenn als Nächstes ein Fall betrachtet wird, bei dem ein gemeinsames Zweistrahlinterferometer verwendet wird, wird klar, dass sich problemlos „ein kombiniertes Licht, das aus zwei in voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen befindlichen Strahlen besteht" erhalten lässt.
Die vorliegende Erfindung erzielt die Messung des Betrags der Wellenlängenveränderung beim einfallenden Licht auf Grundlage des vorstehend beschriebenen Prinzips.
Im Speziellen wird ein kombiniertes Licht aus dem Zweistrahlinterferometer erhalten, das aus zwei in voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen befindlichen Strahlen besteht. Die Polarisierung des ausgegebenen Strahls wird von der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 erfasst und ein Winkel auf der Ellipsenbahn in ein elektrisches Signal umgesetzt.
Der elektrische Schaltkreis 3 integriert das sich ergebende elektrische Signal, ermittelt eine Gesamtphasendifferenz aus einer ursprünglichen Phasendifferenz, und wendet den Wert im Ausdruck (2) an, wodurch der Wert in eine Wellenlänge des Objektlichts umgesetzt wird.
Auf diese Weise wird es nach der vorliegenden Erfindung möglich gemacht, ohne den beweglichen Spiegel wie bei der herkömmlichen Lichtwellenlängenmessvorrichtung zu bewegen, eine Echtzeitmessung des Veränderungsbetrags der Wellenlänge und der Richtung der Veränderung durchzuführen.
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung für eine spezielle Auslegung der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem in 1 gezeigten ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt die spezielle Auslegung der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein Michelson-Interferometer (2) wird als Zweistrahlinterferometer 1 verwendet.
Der Strahleneintrittsabschnitt des Michelson-Interferometers ist mit einem Analysator 111 mit einem Seitenwinkel von 45 Grad ausgestattet, der das Objektlicht in ein um 45 Grad polarisiertes Licht umwandelt.
Das Zweistrahlinterferometer 1 teilt den Strahl auf und fasst die beiden Strahlen zu einem Strahl zusammen, die dann in die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 eingegeben werden.
Die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 muss nicht unbedingt ein vollständiger Stokesscher Analysator sein, und umfasst gemäß der vorliegenden Ausführungsform hauptsächlich ein Viertelwellenlängenplättchen 211, auch λ/4-Platte genannt, einen Polarisierungsstrahlenteiler PBS und drei Lichtempfänger 212, 213 und 214.
Der Stokessche Analysator kann beispielsweise durch eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, die in der japanischen Patentanmeldung KOKAI mit der Veröffentlichungsnummer 6-18332 offengelegt sind.
Die Polarisierung eines kombinierten Lichts, das aus der Austrittsöffnung 102 des Zweistrahlinterferometers 1 austritt, wird durch das Viertelwellenlängenplättchen 211 in der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 verändert.
Das Viertelwellenlängenplättchen 211 ist mit einem Seitenwinkel von 45 Grad angeordnet. Das einfallende Licht erfährt eine 90-Grad-Drehung um die Achse U (in einer Richtung, in der sich die Achse Q zur Achse V hin dreht) im Poincaré-Raum.
Im Ergebnis wird der Stokessche Parameter des Strahls, der aus dem Viertelwellenlängenplättchen 211 austritt, durch den folgenden Ausdruck (6) gegeben und wird auf eine Ellipsenbahn in der QU-Ebene transformiert.
Dieser Strahl wird durch den Polarisierungsstrahlenteiler BS in eine linear polarisierte horizontale Komponente und eine linear polarisierte vertikale Komponente aufgeteilt, dann durch den Lichtempfänger 212 bzw. den Lichtempfänger 213 in elektrische Signale umgesetzt, bevor sie an den elektrischen Schaltkreis 3 ausgegeben werden.
Andererseits wird der aus der Austrittsöffnung 101 des Zweistrahlinterferometers 1 austretende Strahl durch den Lichtempfänger 214 in der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 in ein elektrisches Signal umgesetzt und in den elektrischen Schaltkreis 3 eingegeben.
Im elektrischen Schaltkreis 3 werden die aus der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 eingegebenen elektrischen Signale durch einen Verstärker 3a geleitet, in dem die Signale von einem A/D-Wandler 3b in digitale Signale umgewandelt werden. Die umgewandelten Signale werden von einem Steuergerät 3c ausgelesen.
Beim Vorstehenden werden die Energien des einfallenden Lichts, das vom Lichtempfänger 212 und vom Lichtempfänger 213 empfangen wird, durch Ia bzw. Ib dargestellt. Dann wird folgender Ausdruck (7) erhalten:
Auch wird die Energie des Lichts, das in den Lichtempfänger 214 eintritt, durch Ic dargestellt. Dann trifft nach dem Gesetz, dass Energie nicht verloren geht, der folgende Ausdruck Ia + Ib + Ic = Iin zu, und dies lässt sich in den folgenden Matrizenausdrücken (8) und (9) ausdrücken:
In diesem Fall besteht eine umgekehrte Matrix für die Matrix M, und deshalb ergibt sich der folgende Ausdruck (10) als Lösung:
Das Steuergerät 3c im elektrischen Schaltkreis 3 ermittelt Ia, Ib und Ic aus den elektrischen Signalen, die vom Lichtempfänger 212, vom Lichtempfänger 213 und vom Lichtempfänger 214 geschickt werden und führt gleichzeitig eine Berechnung eines Dezimalanteils von Δθ/2π unter Verwendung des Ausdrucks (10) und der umgekehrten Tangentialfunktion (tan^-1) durch.
Der ganzzahlige Anteil von Δθ/2π wird aus Werten ausgewählt, die vorab als Ausgangswerte im Steuergerät abgespeichert wurden. (Alternativ wird eine durch den Benutzer eingegebene Ausgangswellenlänge λini des Objektlichts auf den folgenden Ausdruck λini/(2π·n·x) angewendet und ein ganzzahliger Anteil der erhaltenen Ausgangsphasendifferenz verwendet.)
Beim Vorstehenden addiert oder subtrahiert das Steuergerät 3c im elektrischen Schaltkreis 3 Eins zum bzw. vom ganzzahligen Anteil, je nach einem durch die Wellenlängenveränderung im einfallenden Licht verursachten Über- oder Unterschreiten des Dezimalanteils. Danach wird die Phasendifferenz integriert.
Der ganzzahlige Anteil wird zum Dezimalanteil addiert und gleichzeitig eine Gesamtphasendifferenz Δθ berechnet.
Schließlich berechnet das Steuergerät 3c im elektrischen Schaltkreis 3 die Wellenlänge des Objektlichts aus dem folgenden Ausdruck, und die berechnete Wellenlänge wird ausgegeben: λ = 2π (n·x/Δθ) (11)
Es wäre anzumerken, dass der Brechungsindex n und die Lichtwegdifferenz x als bekannte Werte im Steuergerät gespeichert sind.
Das Datenauslesen, die Berechnungen und die Ausgabe der Ergebnisse durch das Steuergerät 3c sind in einer sehr kurzen Zeit abgeschlossen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird es nach der durch die erste in 5 gezeigte Ausführungsform der Lichtwellenlängenmessvorrichtung möglich, eine Echtzeitmessung der Wellenlänge des Objektlichts vorzunehmen.
Es wäre festzuhalten, dass das Zweistrahlinterferometer 1 nicht unbedingt durch das in 2 gezeigte Michelson-Interferometer bereitgestellt werden muss, sondern beispielsweise auch alternativ durch ein Mach-Zehnder-Interferometer oder irgendein anderes Zweistrahlinterferometer bereitgestellt werden kann.
Bei einer solchen Variante muss nur die vorstehend erwähnte Bedingung erfüllt werden, und zwar „bei mindestens einem austretenden Licht handelt es sich um ein kombiniertes Licht, das erhalten wird, indem zwei in voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen befindliche Strahlen kombiniert werden".
Darüber hinaus muss die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 nicht unbedingt den in 5 gezeigten Aufbau haben.
Zum Beispiel muss die Phasendifferenz des Wellenlängenplättchens nicht unbedingt λ/4 betragen. Ebenso muss der Seitenwinkel nicht unbedingt 45 Grad betragen.
Darüber hinaus muss der Polarisierungsstrahlenteiler PBS nicht unbedingt im 0-Grad-Seitenwinkel vorgesehen werden, sondern kann sich in einem anderen Winkel befinden.
Darüber hinaus muss der Polarisierungsstrahlenteiler nicht unbedingt verwendet werden. Beispielsweise kann, wie in 6 gezeigt, ein kostengünstiger Strahlenteiler BS zum Aufteilen des Strahls in zwei Strahlen verwendet werden, und dann können zwei optische Analysatoren 221 und 222, die mit einer voneinander unterschiedlichen Ausrichtung angeordnet sind, zum Messen der Lichtenergien in den verschiedenen Polarisierungsrichtungen verwendet werden.
Bei der Auslegung der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 muss eine Bedingung erfüllt werden, nämlich, dass im Ausdruck (8) für die Berechnung von Δθ eine zur Matrix R umgekehrte Matrix vorkommen sollte.
Falls darüber hinaus die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 durch den Stokesschen Analysator bereitgestellt wird, wird es möglich, ein Zweistrahlinterferometer zu verwenden, das die vorstehende Bedingung erfüllt.
Speziell wenn der durch den Stokesschen Analysator ermittelte Stokessche Parameter S12 = (I12 Q12 U12 V12) auf den Ausdruck (5) angewendet wird, erhält man den folgenden Ausdruck (12), worin die Matrix R und Δβ jeweils ein bekannter Wert sind, der für das Zweistrahlinterferometer eindeutig ist. Deshalb lässt sich die Phasendifferenz Δθ aus dem Ausdruck (12) berechnen:
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung für eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem zweiten Aspekt der Erfindung.
Nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird, wird eine Polarisierungseigenschaft eines optischen Teils genutzt, das im Zweistrahlinterferometer verwendet wird. Dies macht manchmal eine genaue Messung unmöglich, die von der Wellenlänge des Objektlichts abhängt.
Speziell ist der Messfehler dann groß, wenn der Wert von Δβ im Ausdruck (12) nahe an 0 liegt, oder wenn ein kombiniertes Wellenenergieverhältnis = |(I1 – I2)/(I1 + I2)| einen geringen Absolutwert annimmt.
Nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird und nachstehend beschrieben werden soll, ist, um das vorstehende Problem zu lösen, zumindest in einem der beiden Lichtwege im Zweistrahlinterferometer von der Strahlenteilung bis zur Kombination ein optisches Element zwischengeschaltet, das das einfallende Licht in einen anderen Polarisierungszustand versetzt. Mit dieser Anordnung wird es möglich, die Polarisierung der beiden Strahlen absichtlich zu differenzieren und somit eine hohe Genauigkeit bei der gemessenen Wellenlänge aufrechtzuerhalten.
Die 7A bis 7E zeigen Beispiele des Zweistrahlinterferometers, das in der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Die 7A bis 7C zeigen Beispiele des Zweistrahlinterferometers, bei dem das optische Element, das das einfallende Licht in einen anderen Polarisierungszustand versetzt, durch eine Wellenplatte 13, einen Polarisator 14 bzw. eine schräggestellte Flachglasplatte 15 bereitgestellt wird.
Wie in diesen Beispielen gezeigt ist, kann ein beliebiges optisches Element verwendet werden, solange nur der Polarisationszustand des kombinierten Lichts unterschiedlich ausgelegt wird.
Die 7D und 7E zeigen Mach-Zehnder-Interferometer, die Optokoppler 16 und 17 umfassen.
Das in 7D gezeigte Beispiel verwendet eine zu einer Spule gewickelte SM-Faser 18. Eine Belastung, die im Faserkern entsteht, verändert den Polarisierungszustand.
Das in 7E gezeigte Beispiel verwendet zur Differenzierung des Polarisationszustands eine die Polarisierung aufrechterhaltende Lichtleitfaser 20 in einem der Lichtwege.
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung für eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem dritten Aspekt der Erfindung.
Um die Lichtenergie im Objektlicht effizient zu nutzen und die höchste Genauigkeit beim Messen zu erzielen, sollte Δβ 90 Grad und das Energieverhältnis |(I1 – I2)/(I1 + I2)| sollte 0 betragen.
Nach den Lichtwellenlängenmessvorrichtungen, die durch den ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten werden, ist es aufgrund einer Wellenlängenkennlinie des optischen Teils schwierig, die vorstehenden Bedingungen über einen Wellenlängenbereich aufrechtzuerhalten.
Somit nutzt das Zweistrahlinterferometer 1 nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird, um das vorstehende Problem zu lösen, wie in 8 gezeigt ist, einen Polarisationsstrahlenteiler PBS als Strahlenkombinator/Strahlenteiler. Der Polarisationsstrahlenteiler PBS erhält die Polarisationseigenschaften über einen breiten Wellenlängenbereich aufrecht.
Wie in 8 gezeigt ist, wird das Objektlicht mit der um 45 Grad linearen Polarisierung in linear polarisierte horizontale und vertikale Komponenten aufgeteilt und dann vom Polarisationsstrahlenteiler PBS wieder kombiniert.
Somit gibt es nur ein kombiniertes Licht, und weil sich die Phasendifferenz Δθ ändert, verändert sich der Polarisierungszustand des kombinierten Lichts zyklisch auf einem um einen Ausgangspunkt in der UV-Ebene gezogenen Kreis.
Ausdruck (12) wird durch den folgenden Ausdruck (13) ersetzt, wodurch es möglich wird, die gesamte Lichtenergie für die Messung zu verwenden. Deshalb kann eine hochgenaue Wellenlängenmessung über einen breiten Wellenlängenbereich erzielt werden.
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung für eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den ersten bis dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird, bestehen noch folgende Probleme. Speziell handelt es sich bei der in Ausdruck (2) gezeigten Phasendifferenz Δθ, die von der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 erfasst wird, nicht nur um eine Funktion der Wellenlänge des Objektlichts, sondern auch um eine Funktion des Brechungsindexes n und Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen.
Deshalb verursacht eine Veränderung bei diesen Werten einen Fehler in der Wellenlängenmessung.
Nachstehend werden hier unter Punkt (1) und (2) die Einflüsse auf die Wellenlängenmessung beschrieben, die von den Änderungen beim Brechungsindex n und der Lichtweglängendifferenz x bewirkt werden.
(1) Einfluss des Luftdrucks
Wenn die Lichtwegdifferenz im Interferometer eine Luftschicht enthält, beeinflusst eine Veränderung beim Luftdruck die Messung.
Als Beispiel wird ein Fall herangezogen, bei dem es sich bei dem Raum, der die Lichtwegdifferenz bereitstellt, um den Atmosphärenraum handelt.
Normluft (trockene Luft mit 0,03% Kohlendioxid bei 15°C unter dem Luftdruck von Eins) hat einen Brechungsindex von 1,0002735 im Hinblick auf Licht, dessen Wellenlänge 1,30 μm (dem Wert im luftleeren Raum) beträgt. Deshalb nimmt die Wellenlänge um ca. 0,36 nm in der Normluft zu.
Bei einer Luftdruckveränderung von 0,1 gibt es einen Messfehler von ca. 10% von 0,36 nm, also 0,036 nm.
Die Luftdruckveränderung von 0,1 ist unter normalen Wetterbedingungen sehr häufig.
(2) Einfluss der Temperatur
Wenn der Raum, der die Lichtwegdifferenz bereitstellt, mit einem Feststoff wie Glas gefüllt ist, beeinflusst die Luftdruckveränderung die Messung nicht mehr.
Allerdings lässt sich dann der aus der Wärmedehnung optischer Bauteile stammende Einfluss nicht verhindern.
Glas hat zum Beispiel einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der ca. 8 bis 10 × 10^-6 beträgt. Somit führt 1°C Temperaturveränderung zu einem Einfluss von ca. 8 bis 10 ppm.
Somit wird in der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung folgende Anordnung getroffen. Im Speziellen hat die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem ersten bis dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ihre optischen Bauteile eng beieinander angeordnet, um möglichst wenig Luft zu lassen, und jedes optische Bauteil wird auf einer konstanten Temperatur gehalten.
9 zeigt einen Aufbau einer Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Gemäß dieser Lichtwellenlängenmessvorrichtung bestehen Räume zwischen den optischen Bauteilen; und zwar Räume zwischen dem Strahlenteiler BS, der als Strahlenteiler 4 und Strahlenkombinierer 5 dient, und jeweiligen Phasenelementen 6 (6a, 6b), und Räume zwischen den Phasenelementen 6 (6a, 6b) und jeweiligen optischen Reflexionssystemen 28 (28a, 28b) die mit einer Beschichtung zur Innenreflexion ausgestattet sind. Jeder Raum ist mit einem passenden Öl (einem Fett, das denselben Brechungsindex hat wie die entsprechenden optischen Bauteile) gefüllt, und alle optischen Bauteile sind in enger Anlage angeordnet, so dass der Raum, der die Lichtwegdifferenz bereitstellt, vollkommen mit einem Feststoff wie Glas ausgefüllt ist.
Diese Anordnung ermöglicht es, unnötige Lichtreflexion an Flächen irgendeines der in enger Anlage angeordneten optischen Bauteile zu verhindern und Messfehler zu reduzieren, die von einer Veränderung beim Brechungsindex der Luft herrühren, die durch die Luftdruckveränderung hervorgerufen wird.
Darüber hinaus ist die in 9 gezeigte Lichtwellenlängenmessvorrichtung mit einer Temperaturregelungseinrichtung 30 ausgestattet, um jedes optische Bauteil auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Die Temperaturregelungseinrichtung 30 umfasst eine Peltier-Zelle 31, einen Thermistor 32, einen Verstärker 33 und eine Treiberschaltung 34.
Bei der vorstehenden Anordnung sind alle optischen Bauteile, die in den Prozess vom Strahlenteilen bis zum Strahlenkombinieren involviert sind, in einer Peltier-Zelle 31 angeordnet. Die Temperatur dieser optischen Bauteile wird durch den Thermistor 32 überwacht, dessen Widerstandswert in Übereinstimmung mit einer Temperaturveränderung schwankt. Die Temperatur wird durch eine Rückkopplung geregelt. Insbesondere regelt die Treiberschaltung 34 auf Grundlage eines bei der Überwachung erhaltenen Erfassungssignals (genauer gesagt, eines Signals nach der Verstärkung durch den Verstärker 33 mit einer vorbestimmten Verstärkungsgröße) den elektrischen Strom, mit dem die Peltier-Zelle 31 gespeist werden soll.
Bei der vorstehenden Anordnung wird jedes optische Bauteil auf einer konstanten Temperatur gehalten, wodurch der von der Wärmeausdehnung der optischen Teile herrührende Einfluss vermieden werden kann.
Eine Anmerkung wäre zum vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung zu machen. Insbesondere kann als alternatives Mittel, um eine Veränderung beim Brechungsindex aufgrund der Luftdruckveränderung usw. zu verhindern, das Zweistrahlinterferometer vollständig in einem luftdichten Behälter eingeschlossen sein.
Allerdings muss bei einem Zweistrahlinterferometer, das zur hochgenauen Messung dient, wobei ein durch Luftdruckveränderung verursachter Messfehler ein Problem aufwirft, eine bestimmte Länge der Lichtwegdifferenz vorgesehen werden. Dies macht es unvermeidlich, die Größe des Interferometers anzuheben, was ein luftdichtes Einschließen technisch schwierig gestaltet.
Eine andere Alternative, um die Veränderung der Lichtweglänge aufgrund der Wärmeausdehnung optischer Bauteile zu vermeiden, besteht darin, das Zweistrahlinterferometer mit den optischen Bauteilen aus einem Material aufzubauen, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.
Ein Problem bei dieser Lösung ist jedoch, dass die aus einem solchen Material hergestellten optischen Bauteile für gewöhnlich teuer sind, was ein Kostenproblem aufwirft.
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung für Lichtwellenlängenmessvorrichtungen nach dem fünften und sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesen Vorrichtungen werden andere Verfahren als diejenigen, die in der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindungen verwendet werden, eingesetzt, um das Problem des Wellenlängenmessfehlers zu lösen, der von der Veränderung des Brechungsindexes im Lichtweg des Zweistrahlinterferometers und der Veränderung in der Lichtwegdifferenz herrührt. Diese Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzlicht mit einer stabilisierten Wellenlänge zusammen mit dem Objektlicht in das Zweistrahlinterferometer 1 eingegeben wird.
Als Erstes erfolgt eine Beschreibung für die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine Ausführungsform nach dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist ein Phasenglied 21 in einem der Lichtwege eines Michelson-Interferometers zwischengeschaltet.
Dem Zweistrahlinterferometer 1 wird ein Referenzlicht mit einer stabilisierten Lichtwellenlänge über im Allgemeinen denselben Lichtweg zugeführt wie das Objektlicht. Für jeden dieser Strahlen wird ein kombiniertes Licht hergestellt und das kombinierte Licht jeweils der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 zugeführt.
Die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 setzt die kombinierten Lichtanteile in jeweilige elektrische Signale um und gibt dann die Signale als Phasendifferenzsignale aus.
Hier wird die aus dem Referenzlicht erhaltene Phasendifferenz durch Δθr dargestellt, dessen Wellenlänge wird durch λr dargestellt, die aus dem Objektlicht erhaltene Phasendifferenz wird durch Δθs dargestellt, und dessen Wellenlänge wird durch λs dargestellt. Dann ergibt Ausdruck (2) den folgenden Ausdruck (14), was es möglich macht, die Lichtweglängendifferenz x zu eliminieren:
Wenn im Ausdruck (14) λ = λs und λ = λr ist, stellt n den Brechungsindex des Zweistrahlinterferometers für die Wellenlänge des Objektlichts bzw. die Wellenlänge des Refexenzlichts dar.
Der elektrische Schaltkreis 3 nutzt dasselbe Berechnungsverfahren wie in der in 5 gezeigten Ausführungsform, durch welches die Phasendifferenz für das Referenz- bzw. Objektlicht erhalten wird. Die Wellenlänge wird unter Verwendung von Ausdruck (14) berechnet und ausgegeben.
Es wäre anzumerken, dass das Referenzlicht eine Wellenlänge nahe an derjenigen des Objektlichts haben kann. Bei einer solchen Anordnung kann ein Verhältnis des Werts n für λ = λs zum Wert n für λ = λr als gleich 1 angenähert werden. Basierend auf dieser Annäherung lässt sich die Wellenlänge des Objektlichts aus einem Produkt eines Verhältnisses der beiden Phasendifferenzwerte und der Wellenlänge des Referenzlichts erhalten.
Ist hingegen der vorstehende Annäherungsfehler nicht vernachlässigbar, wird das Brechungsverhältnis unter einer bestimmten Bedingung (z.B. in Normluft) genutzt, d.h. der Wert n für λ = λs/den Wert n für λ = λr.
Selbst wenn sich in diesem Fall eine tatsächliche Messbedingung von der Voraussetzung unterscheidet, ist die Veränderungsrate bei den beiden Brechungsindexwerten im Allgemeinen dieselbe, was bedeutet, dass es keine Veränderung beim Brechungsverhältnis und deshalb keinen Messfehler gibt.
Auf diese Weise macht nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird, der Einsatz des Referenzlichts eine hochgenaue Messung der Wellenlänge möglich, ohne Einfluss von der Veränderung beim Brechungsverhältnis und bei der Lichtwegdifferenz.
Als Nächstes wird die Beschreibung die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem sechsten Aspekt der Erfindung abhandeln.
Bei der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung handelt es sich um die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem fünften Aspekt, die darüber hinaus noch ein Stellglied umfasst, das in der Lage ist, die Länge mindestens eines der Lichtwege des Zweistrahlinterferometers etwas zu verändern.
11 zeigt eine Ausführungsform der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
In dieser Ausführungsform wird ein Stellglied 151 durch ein piezoelektrisches Element bereitgestellt, das in Übereinstimmung mit der angelegten Spannung in der Dicke variiert.
Die Veränderung beim Referenzlichtphasendifferenzsignal Δθr, das aus der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 erhalten wird, entspricht der Veränderung beim Brechungsverhältnis und bei der Lichtwegdifferenz im Zweistrahlinterferometer.
Somit gibt der elektrische Schaltkreis 3 diese Veränderung beim Signal Δθr als ein Lichtweglängenveränderungskorrektursignal an einen Treiber 9 des piezoelektrischen Elements aus.
Der Treiber 9 des piezoelektrischen Elements wandelt das gegebene Korrektursignal in ein Ansteuerungssignal für das piezoelektrische Element um und gibt das umgewandelte Signal an das als Stellglied dienende piezoelektrische Element 151 aus.
Das als Stellglied dienende piezoelektrische Element 151 verändert die Dicke des Elements in Übereinstimmung mit dem Ansteuerungssignal, wodurch die Differenz bei der Lichtweglänge verändert wird.
Wenn sich die Differenz bei der Lichtweglänge verändert, verändert sich Δθr.
Das Lichtweglängenkorrektursignal wird rückgekoppelt, um die erfasste Veränderung des Signals Δθr zu löschen.
Diese Rückkopplungsschleife stellt eine Steuerung bereit, so dass sich Δθr nicht verändert. So wird das Produkt aus Lichtwegdifferenz und Reflexionsgrad auf einem konstanten Wert gehalten.
Zusätzlich zu Vorstehendem verwendet der elektrische Schaltkreis 3 dasselbe Berechnungsverfahren wie in der in 5 gezeigten Ausführungsform, durch welches die Wellenlänge des Objektlichts aus dem Objektlichtphasendifferenzsignal berechnet wird, und der ermittelte Wert wird ausgegeben.
Wie beschrieben hält gemäß der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die vom sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird, die Rückkopplung das Produkt des Brechungsindexes n und der Lichtwegdifferenz x auf einem konstanten Wert, und deshalb wird es möglich, eine hochgenaues Messung der Wellenlänge durchzuführen.
Es wäre hier anzumerken, dass nach der vorstehenden Ausführungsform das Referenzlichtphasendifferenzsignal Δθr zum piezoelektrischen Element rückgekoppelt wird. Alternativ kann jedoch das Objektlichtphasendifferenzsignal Δθs, das aus dem aus dem Objektlicht bestehenden kombinierten Licht erhalten wird, zum piezoelektrischen Element rückgekoppelt werden (nicht gezeigt).
In diesem Fall verwendet der elektrische Schaltkreis 3 den Ausdruck (14), der die Objektlichtphasendifferenz Δθs als bekannte Konstante behandelt, und aus diesem Ausdruck (14) wird die Wellenlänge des Objektlichts berechnet.
Darüber hinaus kann die Energie des kombinierten Lichts (die kohärente Lichtenergie) als Rückkopplungssignal verwendet weiden (nicht gezeigt).
In diesem Fall hält die Rückkopplung die Phase, um der kohärenten Lichtenergie weder einen Höchstwert noch einen Mindestwert zu geben.
Indem die Frequenzantwort bei der Rückkopplung auf einen ausreichend hohen Pegel eingestellt wird, wird es möglich, sicherzustellen, dass weder ein Sprung über den Höchstwert noch den Mindestwert zu einer Synchronisierung auf eine andere Phase stattfindet.
Der andere der kombinierten Lichtanteile, der nicht als Rückkopplungssignal genutzt wird (das aus dem Referenzlicht oder dem Objektlicht bestehende kombinierte Licht), erfährt in der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung eine Phasendifferenzerfassung und wird zur Wellenlängenmessung des Objektlichts verwendet.
Verändert sich die Energie des einfallenden Lichts, das dem kohärenten Licht entspricht (die Referenzlicht- oder Objektlichtenergie), wird ein Verhältnis zwischen der Energie des einfallenden und des kohärenten Strahls als Rückkopplungssignal verwendet.
Nach der vorstehenden Ausführungsform, bei der die Energie des kohärenten Strahls als Rückkopplungssignal verwendet wird, kann die Anzahl an Lichtempfängern im Vergleich zur vorherigen Ausführungsform gesenkt werden, bei der die Polarisierung für beide Strahlen erfasst wird.
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung für eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine der Lichtwellenlängenmessvorrichtungen nach dem fünften oder sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die darüber hinaus eine Lichtquelle umfasst, die das Referenzlicht liefert. Die Lichtquelle wird durch eine Referenzwellenlängenlichtquelle bereitgestellt, die eine Absorptionszelle oder lichtabsorbierende Zelle enthält, die Licht mit einer bestimmten Wellenlänge aus dem eingegebenen Licht aufnimmt, wodurch ein auf diese bestimmte Wellenlänge synchronisiertes Licht als Referenzlicht ausgegeben wird.
12 zeigt einen Aufbau dieser Referenzwellenlängenlichtquelle.
Wie in 12 gezeigt ist, umfasst die Referenzwellenlängenlichtquelle 62 eine Halbleiterlaserdiode 62, eine Absorptionszelle 63, einen Fotodetektor 64 und eine Treiberschaltung 65.
Die Absorptionszelle 63 ist z. B. mit Acetylengas gefüllt, das ein Absorptionsband bei 1,53 μm hat.
Wird ein Strahl von einer der Abgabeflächen der Halbleiterlaserdiode 62 eingeleitet, nimmt die Absorptionszelle 63 eine Lichtkomponente mit der spezifischen Absorptionswellenlänge auf, wobei die übrigen Lichtkomponenten mit den anderen Wellenlängen durchgelassen werden.
Der Fotodetektor 64 empfängt und erfasst das Licht, das die Absorptionszelle 63 durchlaufen hat, wandelt das erfasste Signal in ein elektrisches Signal um, und gibt das elektrische Signal an die Treiberschaltung 65 aus.
Die Treiberschaltung 65 steuert auf Grundlage des elektrischen Signals aus dem Fotodetektor 64 einen Vorstrom zur Halbleiterlaserdiode 62, so dass ein Ausgangsstrahl, dessen Wellenlänge auf das Absorptionsband (die spezifische Wellenlänge) der Absorptionszelle 63 synchronisiert ist, aus der anderen Abgabefläche der Halbleiterlaserdiode 62 austritt.
Nun wirft die Verwendung einer Referenzwellenlängenlichtquelle, die mit einer Absorptionszelle ausgestattet ist, Probleme auf, die nachstehend beschrieben werden sollen.
Beispielsweise hat die mit Acetylengas gefüllte Absorptionszelle ein wie in 13 gezeigtes Absorptionsspektrum.
In der Referenzwellenlängenlichtquelle, die mit der Absorptionszelle, die ein solches Absorptionsspektrum aufweist, ausgestattet ist, erfolgt die Steuerung so, dass die Wellenlänge des ausgegebenen Strahls sich einer Spitze einer spezifischen Absorptionslinie der Absorptionszelle angleicht.
Im Allgemeinen wird die Synchronisierung der Wellenlänge des ausgegebenen Strahls auf eine Spitze einer spezifischen Absorptionslinie der Absorptionszelle durch das folgende Verfahren erzielt.
Es wäre hier anzumerken, dass dieses Verfahren auch bei der in 12 gezeigten Referenzwellenlängenlichtquelle 61 eingesetzt wird.
Im Speziellen wird die Wellenlänge des aus der Quelle ausgegebenen Strahls frequenzmoduliert, die Energie des Lichts, das die Absorptionszelle durchlaufen hat, wird durch einen fotoelektrischen Umsetzer in ein elektrisches Signal (Spannung) umgesetzt, und das sich ergebende Signal durch eine Differentialschaltung geschickt. Aus 14 ist klar ersichtlich, dass die Spannungskurve der Differentialschaltung die 0-Marke (an der das Polarisierungsvorzeichen umgekehrt wird) dann überschreitet, wenn der ausgegebene Strahl die Spitzenwellenlänge annimmt.
In der die Absorptionszelle verwendenden Lichtquelle mit der stabilisierten Wellenlänge wird die der Lichtquelle zugeführte Vorspannung so geregelt, dass die Abgabespannung aus der Differentialschaltung einen Durchschnittswert von 0 annimmt.
Wie beschrieben, wird der Ausgangsstrahl in der die Absorptionszelle verwendenden Lichtquelle mit der stabilisierten Wellenlänge, um die Ausgangsstrahlwellenlänge aus der Halbleiterlaserdiode auf eine spezifische Absorptionslinie zu synchronisieren, frequenzmoduliert, um eine Wellenlänge im Zeitmittel zu stabilisieren.
Aus diesem Grund wird die Lichtweglänge, wenn solch ein Strahl direkt als Referenzlichtquelle für das Zweistrahlinterferometer verwendet wird, als sich verändernd erfasst, obwohl sie sich nicht wirklich verändert. Dies kann die Messgenauigkeit herabsetzen.
Eine Anmerkung wäre zu einem alternativen Verfahren bei dem in 12 gezeigten Aufbau zu machen. Speziell kann ein externer Modulator, der beispielsweise ein optoakustisches Element verwendet, zwischen der Halbleiterlaserdiode und der Absorptionszelle angeordnet sein, und die Frequenzmodulation wird nur an dem in die Absorptionszelle einzugebenden Strahl mit den Lichtanteilen durchgeführt werden, die aus der Halbleiterlaserdiode austreten.
In diesem Fall wird das vorstehende Problem umgangen, weil der aus der Referenzwellenlängenlichtquelle austretende Strahl nicht moduliert wird.
Allerdings ist die Referenzwellenlängenlichtquelle dieser Art im Allgemeinen jedoch teuer.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, wurden die Lichtwellenlängenmessvorrichtungen nach dem achten und neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfunden, die nachstehend beschrieben werden.
Die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet die Referenzwellenlängenlichtquelle, die in der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem sechsten Aspekt verwendet wird, die die vorher beschriebenen Probleme aufweist, und verwendet einen auf eine spezifische Wellenlänge der Absorptionszelle synchronisierten Strahl. Die Probleme werden jedoch durch das folgende Verfahren gelöst.
Speziell wird die Rückkopplungsschleifenfrequenzantwort für die Stellgliedansteuerung der Lichtwellenlängenmessvorrichtungen nach dem sechsten Aspekt auf einen Wert eingestellt, der ausreichend niedriger ist als die Modulationsfrequenz des Referenzlichts mit der Grundlinienwellenlänge (nicht gezeigt).
Bei der vorstehenden Anordnung beeinflusst nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den achten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird, die Frequenzmodulation des Referenzlichts die Lichtweglängensteuerung des Zweistrahlinterferometers nicht mehr. Deshalb kann eine hochgenaue Messung erzielt werden.
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung für eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Das Ausgangssignal aus dem Fotodetektor in der Referenzwellenlängenlichtquelle wird durch einen Auslöseimpulsgeberschaltkreis 10 mit einem bestimmten Referenzpegel verglichen und ein Auslösesignal an den elektrischen Schaltkreis 3 ausgegeben.
Wie in 14 gezeigt ist, entspricht das Ausgangssignal aus dem Fotodetektor der Wellenlänge des aus der Referenzwellenlängenlichtquelle ausgegebenen Strahls. Deshalb wird der Auslöseimpuls zu einem Zeitpunkt gegeben, wenn die Wellenlänge des aus der Referenzwellenlängenlichtquelle kommenden Ausgangsstrahls mit der Grundlinienwellenlänge identisch ist.
Der elektrische Schaltkreis 3 berechnet und gibt die Wellenlänge des Objektlichts aus, indem er das Phasendifferenzsignal des kombinierten Lichts zu dem Zeitpunkt verwendet, an dem der Auslöseimpuls gegeben wird.
Im Ergebnis verwendet die Vorrichtung immer ein Referenzlicht, dessen Wellenlänge mit der Wellenlänge einer bestimmten Grundlinienwellenlänge identisch ist. Dies schafft die vorstehend erwähnten Probleme aus der Welt, wodurch eine hochgenaue Wellenlängenmessung ermöglicht wird.
Es besteht eine Alternative für den Auslöseimpulsgeberschaltkreis 10. Wie aus 14 ersichtlich ist, entspricht das sich aus der Differenzierung des Fotodetektorausgangssignals ergebende Signal auch der Ausgangswellenlänge der Referenzlichtquelle. Deshalb kann ein Schaltkreis genutzt werden, der den Auslöseimpuls erzeugt, wenn das Differentialsignal mit einem Grundpegel identisch ist (nicht gezeigt).
Nun besteht bei allen Lichtwellenlängenmessvorrichtungen nach dem ersten bis neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung noch das folgende Problem.
Speziell nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird, wurde beschrieben, dass im Prozess des Erhaltens der Phasendifferenz Δθ des kombinierten Lichts der ganzzahlige Anteil von Δθ/2π aus Werten ausgewählt wird, die vorab im Steuergerät abgespeichert werden (oder alternativ ein Wert verwendet wird, der aus einem durch den Benutzer eingegebenen anfänglichen Wellenlängenwert erhalten wird).
Deshalb wird, wenn der ganzzahlige Anteil von dem in der Berechnung verwendeten Δθ/2π einen anderen als den tatsächlichen Wert hat, sich auch die gemessene Wellenlänge von der tatsächlichen Wellenlänge unterscheiden.
Solch ein Messfehler wie der vorstehende ist in einer Anwendung nicht problematisch, bei der eine Echtzeitmessung eines Betrags der relativen Wellenlängenveränderung wichtig ist, aber nicht viel Wert auf die Genauigkeit der absoluten Wellenlänge gelegt wird.
Bei einer Anwendung jedoch, bei der sowohl die Echtzeitmessung eines Betrags der Wellenlängenveränderung als auch die Genauigkeit bei der absoluten Wellenlänge von Bedeutung sind, ist der oben beschrieben Fehler problematisch.
Es wurde eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der nachstehend beschrieben wird, erfunden, um das vorstehende Problem zu lösen.
16 zeigt eine erste Ausführungsform der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Das Zweistrahlinterferometer wird durch ein Michelson-Interferometer 1 bereitgestellt, das einen Polarisierungsstrahlenteiler PBS verwendet, dessen Reflexionsspiegel 102 auf einer beweglichen Bühne 161 angebracht ist, die sich in einer optischen Achse linear bewegen kann.
Die bewegliche Bühne 161 wird durch zwei Positionssensoren 171 und 172 erfasst, die auf einer Unterlage vorgesehen sind und die die Bühne durchlaufenden Signale an den elektrischen Schaltkreis 3 ausgeben.
Der Positionssensor 171 befindet sich an einer Stelle, an der die Lichtwegdifferenz des Michelson-Interferometers 1 Null (0) beträgt, wenn sich die bewegliche Bühne an der Stelle befindet, an der der Positionssensor 171 sitzt.
Der Positionssensor 172 befindet sich an einer Stelle, an der die Lichtwegdifferenz des Michelson-Interferometers 1 eine vorbestimmte Lichtwegdifferenz x ist, wenn sich die bewegliche Bühne 161 an der Stelle befindet, an der der Positionssensor 172 sitzt.
Die bewegliche Bühne 161 ist an einen Linearmotor 162 angeschlossen, der von einer Treiberschaltung 31 angetrieben wird, und wird in Übereinstimmung mit einem Ansteuerungssignal aus dem elektrischen Schaltkreis 3 bewegt.
Bei einem Messbeginnbefehl von einem Benutzer bewegt der elektrische Schaltkreis 3 die bewegliche Bühne 161 zum Positionssensor 171.
Der elektrische Schaltkreis 3 hat einen (nicht gezeigten) Zähler eingebaut, der den ganzzahligen Anteil von Δθ/2π zählt. Der Zähler wird beim Empfang des die Bühne durchlaufenden Signals, das durch den Positionssensor 171 abgegeben wird, auf 0 zurückgesetzt.
Der elektrische Schaltkreis 3 bestätigt, dass der Zähler zurückgesetzt wurde, und beginnt dann, die bewegliche Bühne 161 zum Positionssensor 172 zu bewegen.
Während dieser Bewegung führt der elektrische Schaltkreis 3 eine Echtzeitberechnung des Dezimalanteils von Δθ/2π auf Grundlage des Polarisierungszustands des kombinierten Lichts durch, das aus der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 austritt, und addiert oder subtrahiert Eins zum bzw. vom ganzzahligen Zählwert des Ganzzahlzählers in Übereinstimmung mit einem Über- oder Unterschreiten des Dezimalanteils.
Beim Empfang des vom Positionssensor 172 kommenden, die Bühne durchlaufenden Signals hält der elektrische Schaltkreis 3 die Bewegung der beweglichen Bühne 161 an.
Dann wird der Zählwert des ganzzahligen Anteils von Δθ/2π zum Echtzeitwert von dessen Dezimalanteil addiert, um eine Gesamtphasendifferenz darzustellen. Dieser Wert wird in den Ausdruck (11) eingesetzt, um die absolute Wellenlänge des Objektlichts zu erhalten, und dann wird gleichzeitig die erhaltene absolute Wellenlänge ausgegeben.
Wenn die bewegliche Bühne 161 beispielsweise aufgrund eines Spiels im Antriebsmechanismus nicht genau an der Stelle angehalten werden kann, an der sich der Positionssensor 172 befindet, dann wird die Regelung/Steuerung auf eine Weise durchgeführt, dass die Bühnenbewegungsrichtung für jeden Empfang des vom Positionssensor 172 kommenden, die Bühne durchlaufenden Signals umgekehrt wird, so dass sich die bewegliche Bühne immer nahe am Positionssensor 172 befindet.
Bei der vorstehenden Anordnung wird der Zählwert des ganzzahligen Anteils von Δθ/2π, der durch den Auslöseimpuls, der durch das die Bühne durchlaufende Signal bereitgestellt wird, eingerastet wurde, genauso wie vorstehend beschrieben zum Dezimalanteil addiert, um die absolute Wellenlänge des Objektlichts zu berechnen, und die erhaltene absolute Wellenlänge wird dann beim Empfang des Auslöseimpulses gleichzeitig ausgegeben.
Auf diese Weise wird der ganzzahlige Anteil von Δθ/2π genau berechnet. Damit wird es möglich, eine hochgenaue Messung der Wellenlänge zu erzielen.
Es wäre hier anzumerken, dass der Standort des Positionssensors 171 nicht unbedingt an einem Punkt sein muss, an dem die Lichtwegdifferenz zwischen den beiden Strahlen 0 beträgt, solange der Standort nur einen bekannten Wert darstellt.
Die Berechnung der absoluten Wellenlänge verwendet die Lichtwegdifferenz x0, bei der es sich um die Lichtwegdifferenz handelt, wenn sich die bewegliche Bühne an der Stelle des Positionssensors 172 befindet. Die Berechnung erfolgt unter Verwendung des Ausdrucks (11), indem x durch (x – x0) ersetzt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform, die den Positionssensor wie vorstehend beschrieben nutzt, ist es notwendig, dass die Montagestellen der Positionssensoren höchst genau und höchst stabil beibehalten werden. Jedoch wird dieses Problem durch eine zweite Ausführungsform der durch den zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung gebotenen Lichtwellenlängenmessvorrichtung gelöst, die als nächstes beschrieben wird.
17 zeigt die zweite Ausführungsform der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird.
Das Zweistrahlinterferometer wird durch ein Michelson-Interferometer bereitgestellt, das einen Polarisierungsstrahlenteiler PBS als Strahlenteiler/Strahlenkombinator verwendet. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform ist ein Reflexionsspiegel 12 auf der beweglichen Bühne 161 angebracht, die durch den Linearmotor 162 und die Treiberschaltung 31 in Richtung der optischen Achse bewegt wird.
Das Objektlicht, bei dem es sich um das um 45 Grad linear polarisierte Licht handelt, und das Referenzlicht mit der Grundlinienwellenlänge werden aus einer Eintrittsöffnung 132 bzw. einer Eintrittsöffnung 131 in den Polarisierungsstrahlenteiler PBS eingeleitet.
Dieser besondere Polarisierungsstrahlenteiler PBS lässt eine P-Polarisierungskomponente durch, aber reflektiert die S-Polarisierungskomponente.
Die S-Polarisierungskomponente des Objektlichts wird vom Polarisierungsstrahlenteiler PBS reflektiert, und die P-Polarisierungskomponente des Referenzlichts durchläuft den Polarisierungsstrahlenteiler PBS. Dann durchlaufen sie den Lichtweg 1 und treten über den Reflexionsspiegel 11 wieder in den Polarisierungsstrahlenteiler PBS ein.
Genauso durchläuft die P-Polarisierungskomponente des Objektlichts den Polarisierungsstrahlenteiler PBS und die S-Polarisierungskomponente des Referenzlichts wird vom Polarisierungsstrahlenteiler PBS reflektiert. Dann durchlaufen sie den Lichtweg 2 und treten über den Reflexionsspiegel 12 wieder in den Polarisierungsstrahlenteiler PBS ein.
Einfallspunkt und -winkel werden für jeden der Lichtanteile so eingestellt, dass das Objektlicht und das Referenzlicht im Lichtweg 1 bzw. Lichtweg 2 im Allgemeinen vollständig ineinander aufgehen.
Das Objektlicht und das Referenzlicht, die in den Polarisierungsstrahlenteiler PBS eingetreten sind, werden zu einem kombinierten Objektlicht und einem kombinierten Referenzlicht kombiniert, treten dann aus einer Austrittsöffnung 102 bzw. 101 aus, und treten in die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 ein.
Jeder der in die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung eingegebenen kombinierten Lichtanteile erfährt den Polarisierungserfassungsprozess und wird dann jeweils in Form von elektrischen Signalen an den elektrischen Schaltkreis 3 ausgegeben.
Auf einen Messbeginnbefehl von einem Benutzer hin bewegt der elektrische Schaltkreis 3 die bewegliche Bühne 161 zu einer Stelle, an der die Lichtwegdifferenz zu 0 wird, und liest einen von der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung geschickten Energiewert des kombinierten Referenzlichts aus.
Wie in 18 gezeigt ist, umfasst das Referenzlicht mit der Grundlinienwellenlänge zusätzlich zur Signalwellenlängenkomponente eine Rauschkomponente.
Mit dem Vorstehenden erreicht, wenn die Lichtwegdifferenz im Michelson-Interferometer 1 wie in 19 verändert wird, die Energie des kohärenten Lichts (die Energie des kombinierten Referenzlichts) eine Spitze an einer Stelle, an der die Lichtwegdifferenz 0 beträgt.
Der elektrische Schaltkreis 3 hat (nicht gezeigte) Zähler eingebaut, die den ganzzahligen Anteil von Δθ/2π jeweils für das Objekt- und das Referenzlicht zählen. Die Zähler werden dann auf 0 zurückgesetzt, wenn die Energie des kombinierten Referenzlichts die Spitze erreicht hat.
Der elektrische Schaltkreis 3 bestätigt, dass die Energie des kombinierten Referenzlichts die Spitze erreicht hat und beginnt dann, die bewegliche Bühne zu bewegen, bis die Referenzlichtphasendifferenz Δθr einen gewissen vorbestimmten Wert erreicht.
Während dieser Bewegung geht die Zählung der Phasendifferenz des Referenz- und des Objektlichts einschließlich der jeweiligen Dezimalanteile wie in der vorherigen Ausführungsform weiter.
Hat die Referenzlichtphasendifferenz Δθr den vorbestimmten Wert erreicht, hält der elektrische Schaltkreis 3 die Bewegung der beweglichen Bühne an und fährt mit dem Zählen der Phasendifferenzen fort.
Der elektrische Schaltkreis 3 setzt die durch die Zählung erhaltenen Phasendifferenzen in den Ausdruck (14) ein, um die gleichzeitige absolute Wellenlänge des Objektlichts zu berechnen, und die somit erhaltene absolute Wellenlänge wird dann ausgegeben.
Auf diese Weise ermöglicht es die zweite Ausführungsform der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen und eine hochgenaue Echtzeitmessung der absoluten Wellenlänge zu erzielen.
Die vorstehende Beschreibung deckt die beiden speziellen Ausführungsformen der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ab.
Nach diesen Ausführungsformen, bei denen die Lichtwegdifferenz in einem breiten Bereich verändert werden kann, ist es möglich, ein erhaltenes Spektrum des Objektlichts auszugeben. In diesem Fall führt der elektrische Schaltkreis 3 eine umgekehrte Fourier-Transformation an einem erhaltenen Verhältnis zwischen der Lichtwegdifferenz und der Polarisierung des kombinierten Lichts durch.
Nun besteht aber bei allen der Lichtwellenlängenmessvorrichtungen nach dem ersten bis zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung noch das folgende Problem.
Speziell nach den Lichtwellenlängenmessvorrichtungen, die durch den ersten bis zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten werden, verändert sich, wenn die Polarisierung des einfallenden Lichts sich verändert, auch die Polarisierung des kombinierten Lichts, was zu einem Messfehler führt.
Dieses Problem lässt sich lösen, indem ein Polarisator beispielsweise an einem Strahleneintrittsabschnitt des Zweistrahlinterferomerts so vorgesehen wird, dass die Veränderung des Polarisierungszustands des kombinierten Lichts verhindert wird.
Allerdings wirft diese Anordnung ein anderes Problem auf. Speziell wenn der Strahl nur eine polarisierte Komponente hat, die senkrecht zur Transmissionsachse des Polarisators ist, hat das kombinierte Licht 0 Energie, was die Messung unmöglich macht.
Es wurde eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung, der nachstehend beschrieben wird, erfunden, um das vorstehende Problem zu lösen.
20 zeigt eine spezielle Ausführungsform des Zweistrahlinterferometers 1 nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den elften Aspekt der vorliegenden Erfindung geboten wird.
In dieser speziellen Ausführungsform ist eine flache Calcitplatte 100, die als Doppelbild-Polarisierungselement dient, an einem Lichteintrittsabschnitt des Zweistrahlinterferometers 1 vorgesehen.
Der Strahl, der in den durch die flache Calcitplatte 100 bereitgestellten Verdoppelungspolarisator eintritt, wird in zwei polarisierte Komponenten aufgeteilt, die senkrecht zueinander sind, d.h. einen gewöhnlichen Strahl Po und einen außerordentlichen Strahl Pe, und dann werden die getrennten Strahlen in das Michelson- Interferometer eingeleitet, das einen Polarisierungsstrahlenteiler PBS eingebaut hat, der als Strahlenteiler/Strahlenkombinator dient.
Die als Verdoppelungspolarisator dienende flache Calcitplatte 100 ist so angeordnet, dass sie den gewöhnlichen und den außerordentlichen Strahl mit ± 45 Grad im Hinblick auf die horizontale und vertikale Achse polarisiert.
Das Michelson-Interferometer gibt ein aus dem gewöhnlichen und dem außerordentlichen Strahl kombiniertes Licht aus, das dann in die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 eingegeben wird, wie in 21 gezeigt ist.
Das kombinierte Licht des gewöhnlichen und des außerordentlichen Strahls, das in die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 eingegeben wird, hat einen Polarisierungszustand, der sich bei einer 180 Grad-Phasendifferenz auf einer Kreisbahn um den Ursprungspunkt in der UV-Ebene ändert, wenn sich die Phasendifferenz ändert.
21 zeigt ein Aufbaubeispiel der hier verwendeten Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2.
Der kombinierte außerordentliche Strahl, der in die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung 2 eintritt, wird durch eine 45 Grad-Halbwellenlängenplatte 201 geleitet, wodurch er in dieselbe Polarisierung versetzt wird wie der kombinierte gewöhnliche Strahl.
Der somit in dieselbe Polarisierung wie der kombinierte gewöhnliche Strahl versetzte kombinierte außerordentliche Strahl wird zusammen mit dem kombinierten gewöhnlichen Strahl durch eine 45 Grad-Viertelwellenlängenplatte 202 in einen Polarisierungszustand versetzt, der sich auf einer Kreisbahn um den Ursprungspunkt in der QU-Ebene ändert, wenn sich die Phasendifferenz ändert.
Das kombinierte Licht wird, so wie es nach der Polarisierungstransformation ist, durch einen nicht polarisierenden Strahlenteiler NPBS aufgeteilt.
Die Strahlen werden, so wie sie nach dem Aufteilen durch den nicht polarisierenden Strahlenteiler NPBS sind, von einem Analysator 203a bzw. 203b mit jeweiligen Transmissionsachsen bei 0 Grad und 45 Grad erfasst und dann in elektrische Signale umgesetzt.
Wie in 21 gezeigt ist, laufen der kombinierte außerordentliche Strahl und der kombinierte gewöhnliche Strahl, so wie sie nach der Erfassung durch die Analysatoren 203a und 203b sind, weiter und werden dabei voneinander ferngehalten, um zu verhindern, dass sie ineinander aufgehen, und werden dann in Fotodetektoren 204a und 204b eingegeben. Deshalb wird eine Energieveränderung aufgrund von Interferenz vermieden und eine Summe der Lichtenergien ausgegeben.
In diesem Fall ist, auch wenn es eine Veränderung beim Polarisierungszustand des einfallenden Lichts gibt, die Energieveränderung im gewöhnlichen und außerordentlichen Strahl komplementär, und deshalb ändern sich die in die Fotodetektoren 204a und 204b eingehenden Strahlenenergien nicht.
Die durch die Fotodetektoren umgesetzten elektrischen Signale werden beispielsweise wie in 1 gezeigt an den elektrischen Schaltkreis 3 ausgegeben.
Der elektrische Schaltkreis 3 setzt dasselbe Verfahren ein wie für die Ausführungsform der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem ersten Aspekt beschrieben wurde, wodurch die Wellenlänge des Objektlichts berechnet wird, und gibt das Ergebnis aus.
Es wäre hier anzumerken, dass der gewöhnliche und der außerordentliche Strahl, so wie sie nach der Erfassung sind, durch separate Fotodetektoren in elektrische Signale umgesetzt werden können, und dann eine Summe dieser Signale verwendet werden kann (nicht gezeigt).
Natürlich können der kombinierte außerordentliche und der kombinierte gewöhnliche Strahl separat durch einzelne Polarisierungszustandserfassungseinrichtungen geschickt werden, um ihre jeweiligen Phasendifferenzen zu ermitteln, und die Phasendifferenz, die eine größere Energie hat, kann für die Wellenlängenberechnung des eingegebenen Strahls verwendet werden (nicht gezeigt).
Darüber hinaus lässt sich das vorstehende Verfahren auf die Lichtwellenlängenmessvorrichtung anwenden, die eine Referenzwellenlängenlichtquelle enthält. Dann wird es möglich, eine hochgenaue Wellenlängenmessung durchzuführen, auch wenn das Referenzlicht keinen stabilen Polarisierungszustand hat (nicht gezeigt).
Wie beschrieben wurde, wird es nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die durch den elften Aspekt geboten wird, möglich, einen von einer Veränderung beim Polarisierungszustand des einfallenden Lichts herrührenden Wellenlängenmessfehler zu verhindern, und deshalb eine genaue Messung der Wellenlänge zu erzielen.
Somit wird es, wie aus der vorstehenden Beschreibung klar wurde, nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ohne wie bei der herkömmlichen Lichtwellenlängenmessvorrichtung den beweglichen Spiegel zu bewegen, möglich, eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine schnelle Messung der Wellenlänge des Objektlichts durchzuführen, indem ein Zweistrahlinterferometer verwendet wird, das im Gegensatz zum Stand der Technik beim Messen eines Wellenlängenveränderungsbetrags des einfallenden Lichts die Bewegung des beweglichen Spiegels nicht erforderlich macht, und in der Lage ist, den Wellenlängenänderungsbetrag des einfallenden Lichts über eine Echtzeitmessung, um wie viel und in welcher der Zu- oder Abnahmerichtungen die Wellenlänge sich verändert hat, richtig zu messen.
Nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird es möglich, eine Lichtwellenlängenmessvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine hochgenaue Messung eines Objektlichts durchzuführen, welche Wellenlänge das Objektlicht auch immer haben mag.
Darüber hinaus ermöglicht es die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine hochgenaue Messung der Wellenlänge über einen breiten Wellenlängenbereich durchzuführen.
Darüber hinaus ermöglicht es die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine unnötige Lichtreflexion an Flächen von Bauteilen zu verhindern, die eng zusammengebaut sind. Darüber hinaus wird es möglich, Messfehler zu reduzieren, die von einer Veränderung beim Brechungsindex von Luft herrühren, der durch Luftdruckveränderung hervorgerufen wird.
Noch weiter darüber hinaus wird es, da jedes Bauteil auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, möglich, eine negative Auswirkung aus der Wärmeausdehnung der optischen Bauteile zu verhindern.
Die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, eine negative Auswirkung aus der Lichtweg- und Brechungsindexveränderung im Zweistrahlinterferometer zu verhindern.
Die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, eine konstante Lichtwegdifferenz des Zweistrahlinterferometers aufrechtzuerhalten und eine hochgenaue Messung der Wellenlänge eines Objektlichts durchzuführen.
Die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet eine Referenzwellenlängenlichtquelle, die als Referenzlicht einen Strahl ausgibt, dessen Wellenlänge auf eine spezifische Wellenlänge synchronisiert ist, die von einer Lichtabsorptionszelle aufgenommen wird. Deshalb wird es möglich, eine hochgenaue Messung der Wellenlänge eines Objektlichts durchzuführen.
Die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, eine konstante Lichtwegdifferenz ohne Einfluss aus der Frequenzmodulation des Ausgangsstrahls aus der Referenzwellenlängenlichtquelle aufrechtzuerhalten. Deshalb wird es möglich, eine hochgenaue Messung der Wellenlänge eines Objektlichts durchzuführen.
Nach der Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wellenlänge des Objektlichts aus einem Polarisierungszustand des kombinierten Lichts berechnet, das kombiniert wird, wenn das frequenzmodulierte Referenzlicht aus der Referenzwellenlängenlichtquelle eine bestimmte Wellenlänge erreicht hat. Deshalb wird es möglich, eine hochgenaue Messung der Wellenlänge eines Objektlichts durchzuführen.
Die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, eine hochgenaue Echtzeitmessung der absoluten Wellenlänge des Objektlichts durchzuführen.
Die Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, eine negative Auswirkung auf das Messergebnis zu verhindern, die durch eine Veränderung beim Polarisierungszustand eines Objektlichts hervorgerufen wird.
Nach dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird es möglich, ein Lichtwellenlängenmessverfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, eine hochgenaue Echtzeitmessung der absoluten Wellenlänge eines Objektlichts durchzuführen.

Claims

Lichtwellenlängenmessvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: ein Zweistrahlinterferometer (1), das ein einfallendes Licht in zwei Lichtwege aufteilt, aufgeteilte Lichtanteile wieder kombiniert und zusammen ausgibt, wobei das Zweistrahlinterferometer dazu ausgelegt ist, mindestens ein Licht oder mehrere kombinierte Lichtanteile, das/die aus zwei Strahlen besteht/bestehen, mit voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen zu erzeugen, eine Polarisierungszustandserfassungseinrichtung (2), die eine Schwankung im Polarisierungszustand des kombinierten Lichts erfasst, das durch das Zweistrahlinterferometer (1) erzeugt wird, wobei die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung (2) optische Einrichtungen (BS, 221, 222, 211, PBS), um mindestens zwei Polarisierungskomponenten mit voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen aus dem kombinierten Licht herauszunehmen, und mindestens zwei Lichtempfänger (212, 213) umfasst, die jeweils die mindestens zwei Polarisierungskomponenten, die voneinander unterschiedliche Polarisierungszustände haben und durch die optischen Einrichtungen (BS, 221, 222, 211, PBS) herausgenommen wurden, zu elektrischen Signalen umsetzen, und wobei Phasen sinusförmiger Veränderungen in der Leistung der jeweiligen elektrischen Signale, die aus den beiden Lichtempfängern (212, 213) austreten, bezüglich einer Lichtfrequenz (c/λ, wobei c: die Lichtgeschwindigkeit ist) des einfallenden Lichts weder gleich noch entgegengesetzt sind, und einen elektrischen Schaltkreis (3), der eine Wellenlänge des einfallenden Lichts basierend auf der Veränderung beim Polarisierungszustand des durch die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung (2) erfassten kombinierten Lichts berechnet, indem eine Phasendifferenz Δθ zwischen zwei im kombinierten Licht enthaltenen Strahlen basierend auf den elektrischen Signalen erhalten werden, die eine Veränderung im Polarisierungszustand des kombinierten Lichts darstellen, das durch die mindestens zwei Lichtempfänger (212, 213) der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung (2) erfasst wurde, und indem eine Wellenlänge λ des einfallenden Lichts basierend auf einem Brechungsindex n und einer Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen des Zweistrahlinterferometers (1) aus dem Ausdruck λ = 2π(n·x/Δθ) berechnet wird (wobei der Brechungsindex n und die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen bekannte Werte sind), wobei die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen des Zweistrahlinterferometers (1) eines Punkts zum Aufteilen des einfallenden Lichts und eines Punkts zum Kombinieren der aufgeteilten Lichtanteile für eine Erfassung der Polarisierungsveränderung im kombinierten Licht entsprechend einer Wellenlängenveränderung des einfallenden Lichts durch die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung (2), auf eine vorbestimmte Länge eingestellt ist.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Lichtwege im Zweistrahlinterferometer (1) vom Punkt zum Aufteilen des einfallenden Lichts bis zum Punkt zum Kombinieren der aufgeteilten Lichtanteile mit einem optischen Element (13, 14, 15) versehen ist, welches das einfallende Licht in einen anderen Polarisierungszustand versetzt.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweistrahlinterferometer (1) einen Polarisierungsstrahlenteiler (PBS) als Strahlenteiler/Strahlenkombinator verwendet, der das einfallende Licht zweiteilt, die aufgeteilten Lichtanteile wieder kombiniert und zusammen ausgibt.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Optikteile (4, 5, 6, 28), die im Zweistrahlinterferometer (1) verwendet werden, vom Punkt zum Aufteilen des einfallenden Lichts bis zum Punkt zum Kombinieren der aufgeteilten Lichtanteile in enger Anlage aneinander in den Lichtwegen im Zweistrahlinterferometer (1) angeordnet sind, wobei eine Temperaturregelungseinrichtung (30) vorgesehen ist, um die Optikteile (4, 5, 6, 28) auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zweistrahlinterferometer (1) ein Referenzlicht, das eine stabilisierte Wellenlänge hat, auf im Allgemeinen demselben Lichtweg wie für das Objektlicht wie auch das einfallende Licht, im Allgemeinen gleichzeitig mit dem Objektlicht als dem einfallenden Licht zugeführt wird; die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung (2) einen Polarisierungszustand jeweils für das kombinierte Licht des Objektlichts als dem aus dem Zweistrahlinterferometer kommenden Licht und dem kombinierten Licht des Referenzlichts erfasst; eine Korrektur an einem Veränderungsbetrag bei der Lichtweglänge, die im Polarisierungszustand des Objektlichts als dem einfallenden Licht aufgenommen wird, basierend auf dem Polarisierungszustand des kombinierten Lichts des Objektlichts als dem einfallenden Licht und dem kombinierten Licht des Referenzlichts vorgenommen wird, das von der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung (2) erfasst wurde.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweistrahlinterferometer (1) ein Stellglied (151) umfasst, das die Länge von mindestens einem der Lichtwege etwas verändert, das Stellglied (151) basierend auf dem Polarisierungszustand des kombinierten Lichts des aus dem Zweistrahlinterferometer (1) kommenden Referenzlichts oder einer Interferenzlichtstärke einer Rückführregelung unterzogen wird, um ein Produkt des Brechungsindexes n und der Lichtweglängendifferenz x auf einem konstanten Wert zu halten, so dass die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen im Wesentlichen auf der vorbestimmten Länge gehalten wird.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie darüber hinaus eine lichtabsorbierende Zelle (63), die Licht mit einer bestimmten Wellenlänge absorbiert, und eine Referenzwellenlängenlichtquelle (61) umfasst, die als Referenzlicht einen Strahl abgibt, dessen Wellenlänge auf die spezielle Wellenlänge festgelegt wird, die von der lichtabsorbierenden Zelle (63) absorbiert wird.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht aus der Referenzwellenlängenlichtquelle (61) auf eine vorbestimmte Modulationsfrequenz frequenzmoduliert wird, während es auf die spezielle Wellenlänge festgelegt wird, und die Frequenzantwort eines Schaltkreises zum Ansteuern des Stellglieds (151), welches das Produkt des Brechungsindexes n und der Lichtweglängendifferenz x auf einem konstanten Wert hält, auf eine Frequenz eingestellt wird, die ausreichend niedriger ist als die vorbestimmte Modulationsfrequenz.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht aus der Referenzwellenlängenlichtquelle (61) auf eine vorbestimmte Modulationsfrequenz frequenzmoduliert wird, während es auf die spezielle Wellenlänge festgelegt wird, die Referenzwellenlängenlichtquelle (61) einen Fotodetektor (64), der ein aus der lichtabsorbierenden Zelle (63) kommendes Licht erfasst, und einen Auslöseimpulsgeberschaltkreis (10) umfasst, der einen Auslöseimpuls erzeugt, wenn ein Ausgangssignal aus dem Fotodetektor (64) oder ein Differentialsignal des Ausgangssignals mit einem speziellen Pegel identisch ist, und der elektrische Schaltkreis (3) eine Wellenlänge des Objektlichts als dem einfallenden Licht synchron mit dem Auslöseimpuls berechnet, der vom Auslöseimpulsgeberschaltkreis (10) erzeugt wird.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweistrahlinterferometer (1) eine Lichtwegveränderungseinrichtung (161, 162) umfasst, welche die Länge von mindestens einem der beiden Lichtwege verändert, die Polarisierungszustandserfassungseinrichtung (2) einen ersten Veränderungsbetrag beim Polarisierungszustand des kombinierten Lichts erfasst, der bewirkt wird, wenn die Lichtweglängenveränderungseinrichtung (161, 162) die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden auf die vorbestimmte Länge eingestellten Lichtwegen um einen vorbestimmten Abstand verändert, und einen zweiten Veränderungsbetrag beim Polarisierungszustand des kombinierten Lichts erfasst, der durch eine Wellenlängenveränderung beim Objektlicht als dem einfallenden Licht bewirkt wird, wenn die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen auf die vorbestimmte Länge eingestellt wird, und der elektrische Schaltkreis (3) eine Echtzeitmessung einer absoluten Wellenlänge des Objektlichts als dem einfallenden Licht basierend auf dem ersten und dem zweiten von der Polarisierungszustandserfassungseinrichtung (2) erfassten Veränderungsbetrag durchführt.
Lichtwellenlängenmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweistrahlinterferometer (1) einen Lichteintrittsabschnitt aufweist, der mit einem Verdoppelungspolarisierungselement (100) versehen ist, der das einfallende Licht in Lichtanteile mit ersten und zweiten Polarisierungskomponenten trennt, die senkrecht zueinander sind.
Lichtwellenlängenmessverfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: Bereitstellen eines Zweistrahlinterferometers (1), das ein einfallendes Licht in zwei Lichtwege aufteilt, aufgeteilte Lichtanteile wieder kombiniert und zusammen ausgibt, wobei das Zweistrahlinterferometer dazu ausgelegt ist, mindestens ein Licht oder mehrere kombinierte Lichtanteile, das/die aus zwei Strahlen besteht/bestehen, mit voneinander unterschiedlichen Polarisierungszuständen zu erzeugen, Ändern der Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden auf die vorbestimmte Länge eingestellten Lichtwegen im Zweistrahlinterferometer um einen vorbestimmten Abstand; Erfassen eines ersten Veränderungsbetrags beim Polarisierungszustand des kombinierten Lichts, der bewirkt wird, wenn die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen um den vorbestimmten Abstand geändert wird; Erfassen eines zweiten Veränderungsbetrags beim Polarisierungszustand des kombinierten Lichts, der durch eine Wellenlängenveränderung beim Objektlicht als dem einfallenden Licht bewirkt wird, wenn die Lichtweglängendifferenz x zwischen den beiden Lichtwegen auf die vorbestimmte Länge eingestellt wird; und Durchführen einer Echtzeitberechnung einer Wellenlänge des einfallenden Lichts basierend auf dem ersten und dem zweiten Veränderungsbetrag.