NL8005258A

NL8005258A - INTERFEROMETER.

Info

Publication number: NL8005258A
Application number: NL8005258A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1980-09-22
Filing date: 1980-09-22
Publication date: 1982-04-16
Also published as: FR2490808A1; GB2084315A; JPS5786007A; DE3137211C2; JPS63100626A; IT1139451B; AU551571B2; GB2084315B; AU7546681A; SE8105526L; DE3137211A1; FR2490808B1; CA1163094A; IT8124043A0

Abstract

Interferometers are known for measuring the displacement of an object 6 with an accuracy of a fraction of 1 mu m, having digital display, and forward/reverse motion discrimination. To avoid the use of a special frequency stabilised laser source producing oppositely polarised beams of different frequencies, an interferometer is provided having a simple laser source 1, in which an interference line pattern is formed on a detection system 20 having a moving grating-like structure whose grating period corresponds to the period of the interference pattern. The effect of a moving grating is provided by a detection system comprising a linear array of photodiodes in which sequential activation of interjacent groups of photodiodes by a ring counter moves an effective grating pattern along the array. By counting the number of periods in the output signal of the detection system, changes in the measuring arm b of the interferometer can be measured with high accuracy. The interferometer may assist in measuring and controlling the movement of an optical recording head (Figure 7). <IMAGE>

Description

i i it. · .% PHN 9846 1 N.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.i i it. ·.% PHN 9846 1 N.V. Philips' Incandescent lamp factories in Eindhoven.

Interferometer.Interferometer.

De uitvinding heeft betrekking op een interferometer bevattende een, een stralingsbundel leverende, stralingshron, een bundel-deler voor het vormen van een eerste en tweede deelbundel uit de stralingsbundel en voor het samenbrengen van de twee deelbundels, 5 nadat de eerste deelbundel. in kontakt geweest is met een vlak van een te onderzoeken voorwerp, qp een stralingsgevoelig detektiestelsel.The invention relates to an interferometer comprising a radiation beam supplying a radiation beam, a beam divider for forming a first and second sub-beam from the radiation beam and for joining the two sub-beams after the first sub-beam. has been in contact with a surface of an object to be examined, qp a radiation-sensitive detection system.

Een dergelijke interferometer, gebruikt als verplaatsings-meter is bekend, bijvoorbeeld uit "Philips' Technical Review 30 No. 6/7 pag. 160-165. In de weg van elk der deelbundels is een refléktor 10 opgenomen. Van deze reflektoren is er een stationair opgesteld, terwijl de tweede vast met het voorwerp, waarvan de verplaatsing gemeten moet worden, verbonden is. Nadat de twee deelbundels gereflek-teerd zijn worden zij door de bundeldeler weer samengebracht waarbij dan deze bundels, die ongeveer dezelfde weglengtes hebben af gelegd, 15 met elkaar interfereren. De resulterende intensiteit hangt af van de relatieve fase der deelbundels en zal dus periodiek variëren als de optische weglengte van de tweede deelbundel, door een verplaatsing van het voorwerp, continue toe- of af neemt. Een periode van het interferentiepatroon kont overeen met een weglengtever ander ing ter 20 grootte van een halve golflengte van het gebruikte licht.Such an interferometer, used as a displacement meter, is known, for example from "Philips' Technical Review 30 No. 6/7 pp. 160-165. A reflector 10 is included in the path of each of the sub-beams. Of these reflectors, one stationary, while the second is rigidly connected to the object whose displacement is to be measured After the two sub-beams have been reflected, they are reassembled by the beam splitter, these beams having traveled approximately the same path lengths, Interfere with each other The resulting intensity depends on the relative phase of the subbeams and will therefore vary periodically as the optical path length of the second subbeam continuously increases or decreases due to a displacement of the object. with a path length change of half the wavelength of the light used.

Met behulp van een stralingsgevoelige detektor kan een periodiek elektrisch signaal verkregen worden, waarbij het aantal periodes, dat dus een maat voor de verplaatsing van het voorwerp is, geteld kan worden .A periodic electrical signal can be obtained with the aid of a radiation-sensitive detector, whereby the number of periods, which is thus a measure of the displacement of the object, can be counted.

25 Het artikel in "Philips' Technical Review" 30 No. 6/7 pagina 160-165 beschrijft een speciale interferometer met bijzonder goede eigenschappen, zoals een nauwkeurigheid tot een fraktie van 1^um., eenvoudige digitale indikatie en onderscheiding van verplaatsingen voor- en achteruit. De genoemde eigenschappen kunnen echter 30 slechts verkregen worden als gebruik gemaakt wordt van een speciale, in frequentie gestabiliseerde laserbron, die een laserbundel met twee tegengesteld circulair gepolariseerde kcmponenten van gelijke intensiteit maar van verschillende frequenties, levert.25 The article in "Philips' Technical Review" 30 No. 6/7 pages 160-165 describes a special interferometer with particularly good properties, such as an accuracy up to a fraction of 1 µm, simple digital indication and distinction of forward and reverse movements. However, the said properties can only be obtained if a special frequency-stabilized laser source is used, which provides a laser beam with two oppositely circularly polarized components of equal intensity but of different frequencies.

8005258 t < f EHN 9846 28005258 t <f EHN 9846 2

Het doel van de onderhavige uitvinding is een interferometer te verschaffen die wazenlijk eenvoudiger van opbouw is, maar nagenoeg dezelfde goede eigenschappen vertoont. De interferometer volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, dat het stralingsgevoelige 5 detektiestelsel een rastervormig element bevat, waarvan de raster-periode overeenstemt met de periode van het lijnvormige interferentiepatroon van de twee gesuperponeerde deelbundels.The object of the present invention is to provide an interferometer which is considerably simpler in construction, but which exhibits substantially the same good properties. The interferometer according to the invention is characterized in that the radiation-sensitive detection system comprises a grating-shaped element, the grating period of which corresponds to the period of the linear interference pattern of the two superimposed sub-beams.

De uitvinding berust qp het inzicht dat het interferentiepatroon de vorm van een lijnenpatroon gegeven kan worden en dat de, 10 tengevolge van een verandering in de weglengte van een deelbundel optredende, intensiteitsverandering in het interferentiepatroon beschouwd kan worden als een zich verplaatsen van dit interferentiepatroon. De verplaatsing van een dergelijk patroon van lichte en donkere lijnen, dat qp haar beurt beschouwd kan worden als een 15 raster, kan bepaald worden met behulp van een referentieraster met afwisselend stralingsdoorlatende, of stralingsreflekterende, en stralingsabsorberende stroken. Indien de lichte lijnen van het interferentiepatroon zich tegenover de stralingsdoorlatende, of stralingsref lekterende, stroken van het referentieraster bevinden, is 20 de hoeveelheid naar een stralingsgevoelige detektor doorgelaten straling maximaal. Wordt het interferentiepatroon over een afstand gelijk aan zijn halve rasterperiode verschoven, dan is de hoeveelheid doorgelaten straling minimaal. Door tellen van het aantal periodes in het uitgangssignaal van het detektiestelsel kan de verplaatsing 25 van het voorwerp gemeten werden.The invention is based on the insight that the interference pattern can be given the form of a line pattern and that the intensity change in the interference pattern occurring as a result of a change in the path length of a sub-beam can be regarded as a displacement of this interference pattern. The displacement of such a pattern of light and dark lines, which in turn can be regarded as a grating, can be determined by means of a reference grating with alternately radiation-transmitting, or radiation-reflecting, and radiation-absorbing strips. If the light lines of the interference pattern are opposite the radiation-transmitting, or radiation-reflecting, strips of the reference grating, the amount of radiation transmitted to a radiation-sensitive detector is maximum. If the interference pattern is shifted by a distance equal to its half-grating period, the amount of transmitted radiation is minimal. The displacement of the object can be measured by counting the number of periods in the output signal of the detection system.

Er wordt een optimaal gébruik van de uitvinding gemaakt indien het referentieraster een beweging met kanstante snelheid uitvoert. Dan is namelijk een dynamische detektie, vrijwel onafhankelijk van omgevingsinvloeden, mogelijk, terwijl tevens de richting van 30 de verplaatsing bepaald kan worden.Optimal use is made of the invention if the reference grating performs a motion at constant speed. Namely, a dynamic detection, virtually independent of environmental influences, is then possible, while the direction of displacement can also be determined.

Het stralingsgevoelige detektiestelsel kan gevormd worden door een raster van afwisselend stralingsdoorlatende en stralings-absorberende stroken, en een stralingsgevoelige detektor.The radiation-sensitive detection system may be formed by a grid of alternately radiation-transmitting and radiation-absorbing strips, and a radiation-sensitive detector.

Bij voorkeur wordt het stralingsgevoelige detektiestelsel 35 gevormd door een multipele fotocel, bestaande uit een rij lijnvormige fotodiodes die na elkaar door een elektronische schakelaar verbonden warden met een elektronische schakeling voor het verwerken van het in de fotodiodes opgewekte signaal.Preferably, the radiation-sensitive detection system 35 is constituted by a multiple photocell consisting of a row of linear photodiodes connected in succession by an electronic switch to an electronic circuit for processing the signal generated in the photodiodes.

8005258 V t PHN 9846 3 * \8005258 V t PHN 9846 3 * \

Met behulp van de elektronische schakelaar wordt bereikt dat over het oppervlak van de multipele fotocel als het ware een referentieraster "loopt". De stralingsgevoelige elementen van de multipele fotocel, de elektronische schakelaar en de elek-5 tronische verwerkingsschakeling kunnen op een plak halfgeleider-materiaal geïntegreerd zijn.With the aid of the electronic switch it is achieved that, as it were, a reference frame "runs" over the surface of the multiple photocell. The radiation sensitive elements of the multiple photocell, the electronic switch and the electronic processing circuit may be integrated on a wafer of semiconductor material.

De hierboven genoemde multipele fotocel is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift No. 3.973.119. Volgens dit octrooi-schrift kan de verplaatsing van een voorwerp gemeten worden door 10 projéktie van een eerste, met het voorwerp verbonden, raster op een referentieraster gevormd door de multipele fotocel. De nauwkeurigheid van deze verplaats ingsmeting wordt bepaald door de raster-periode van het eerste raster. Deze rasterperiode is bijvoorbeeld 635^um. Via een geschikte signaalverwerking en interpolatie binnen 15 de signaalperiode is een verplaats ingsmeting tot op in principe 0,5^um nauwkeurig mogelijk.The above-mentioned multiple photocell is described in U.S. Pat. 3,973,119. According to this patent, the displacement of an object can be measured by projecting a first frame connected to the object onto a reference frame formed by the multiple photocell. The accuracy of this displacement measurement is determined by the grid period of the first grid. This grid period is, for example, 635 µm. A displacement measurement to an accuracy of 0.5 µm in principle is possible via suitable signal processing and interpolation within the signal period.

In de interferometer volgens de uitvinding wordt de periodiciteit in het elektrische signaal in plaats van door een periodieke struktuur met een periode van 635^um bepaald door een 20 periodiciteit ter grootte van de helft van de golflengte van de gebruikte straling. Daardoor kan, bij gebruik van dezelfde multipele fotocel, een veel grotere nauwkeurigheid behaald worden dan met de verplaatsingsmeter volgens het Amerikaanse octrooischrift No. 3 973 119.In the interferometer according to the invention, the periodicity in the electric signal is determined by a periodicity of half the wavelength of the radiation used, instead of a periodic structure with a period of 635 µm. Therefore, when using the same multiple photocell, much greater accuracy can be achieved than with the displacement meter of U.S. Pat. 3 973 119.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de 25 tekening. Daarin tonen:The invention will now be elucidated with reference to the drawing. In it show:

Figuur 1 een eerste uitvoeringsvorm van een interferometer volgens de uitvinding, figuur 2 het in deze interferometer opgewekte interferentiepatroon, alsmede het gebruikte raster, 30 de figuren 3 en 4 twee uitvoeringsvormen van de interfero meter waarin een multipele fotocel als detektiestelsel gebruikt wordt, figuur 5 een blokschema van de in deze interferometers gebruikte schakeling, 35 figuur 6 een inrichting voor het bepalen van de recht lijnigheid van de beweging van een voorwerp, voorzien van een interferometer volgens de uitvinding, en figuur 7 een optische inschrijfinrichting voorzien van 8005258 * * s HJN 9846 4 een interferometer volgens de uitvinding.Figure 1 shows a first embodiment of an interferometer according to the invention, Figure 2 shows the interference pattern generated in this interferometer, as well as the grating used, Figures 3 and 4 two embodiments of the interferometer in which a multiple photocell is used as a detection system, Figure 5 a block diagram of the circuit used in these interferometers, figure 6 a device for determining the linearity of the movement of an object, provided with an interferometer according to the invention, and figure 7 an optical writing device provided with 8005258 * * s HJN 9846 4 an interferometer according to the invention.

In de interferaneter volgens figuur 1 zendt de stralings-bron 1 een bundel 2 uit. Afhankelijk van de toepassing van de interferometer heeft deze bundel een kleinere of grotere koherentielengte.In the interferaneter according to figure 1, the radiation source 1 emits a beam 2. Depending on the application of the interferometer, this beam has a smaller or greater coherence length.

5 Voor het meten van verplaatsingen over langere afstanden moet de bundel een grote koherentielengte hebben. Dan is de bron 1 een laser, bijvoorbeeld een Helium-Neon laser. Een gedeelte van de bundel 2 wordt, door de bundeldeler 3, als deelbundel a gereflekteerd naar een stilstaande referentiespiegel 4. De door de bundeldeler doorgelaten 10 deelbundel b valt in op een tweede spiegel 5 die aangébracht is op of bevestigd aan een voorwerp 6, of een onderdeel van dat voorwerp, waarvan de verplaatsing bepaald moet warden.5 For measuring displacements over longer distances, the beam must have a large coherence length. Then the source 1 is a laser, for example a Helium-Neon laser. A part of the beam 2 is reflected, by the beam splitter 3, as a sub-beam a to a stationary reference mirror 4. The sub-beam b transmitted through the beam splitter is incident on a second mirror 5 which is arranged on or attached to an object 6, or a part of that object, the displacement of which must be determined.

Van de door de spiegel 4 geref lekteerde bundel a wordt een gedeelte (a') door de bundeldeler 3 doorgelaten, terwijl van de 15 door de spiegel 5 gereflékteerde bundel b een gedeelte (b‘) door de bundeldeler wordt gereflekteerd. De bundels a' en b' vormen dan een interferentiepatroon I. De intensiteit van het inteferentiepatroon hangt af van de relatieve fase van de deelbundels a' en b'. Deze intensiteit zal dus periodiek variëren als de optische weglengte van 20 de deelbundel b, door verplaatsing van het voorwerp 6, toe- of af neemt.A part (a ') of the beam a reflected by the mirror 4 is transmitted through the beam splitter 3, while a part (b') of the beam b reflected by the mirror 5 is reflected by the beam splitter. The beams a 'and b' then form an interference pattern I. The intensity of the interference pattern depends on the relative phase of the sub-beams a 'and b'. This intensity will therefore vary periodically as the optical path length of the sub-beam b increases or decreases due to displacement of the object 6.

In bekende interferometers wordt lokaal de intensiteit van het interferentiepatroon gemeten met een stralingsgevoelige detektor die bijvoorbeeld cp de optische as van het systeem geplaatst is.In known interferometers, the intensity of the interference pattern is measured locally with a radiation-sensitive detector which is placed, for example, on the optical axis of the system.

Bij beweging van het voorwerp 6 ontstaat aan de uitgang van deze 25 detektor een periodiek of iirpulsvormig signaal. Door tellen van het aantal impulsen kan de grootte van de verplaatsing bepaald worden.When the object 6 moves, a periodic or pulse-shaped signal is produced at the output of this detector. The magnitude of the displacement can be determined by counting the number of pulses.

In de interferometer volgens de uitvinding is er voor gezorgd dat de deelbundels a' en b' een kleine hoek met elkaar maken. Dat kan, zoals in figuur 1 aangegeven is, door de spiegel 5 een, 30 weinig van 90° afwijkende, hoek met de bundel b te laten maken.In the interferometer according to the invention it is ensured that the sub-beams a 'and b' make a small angle with each other. As indicated in figure 1, this is possible by having the mirror 5 make an angle with the beam b, which deviates slightly from 90 °.

Daardoor ontstaat een interferentiepatroon I met een ruimtelijke intens iteitsverdeling, welk patroon in figuur 1 schematisch is aangegeven. De interferentielijnen zijn loodrecht op het vlak van tekening in figuur 1. In figuur 2 is het interferentiepatroon nogmaals, nu in 35 bovenaanzicht, weergegeven.This creates an interference pattern I with a spatial intensity distribution, which pattern is shown schematically in Figure 1. The interference lines are perpendicular to the plane of the drawing in figure 1. In figure 2 the interference pattern is again shown, now in top view.

Indien de bundel a en b eenzelfde optische weglengte doorlopen is dè intensiteit in een punt c^, bijvoorbeeld een punt op de optische as van het systeem, maximaal, evenals de iitensiteit in de 8005258If the beams a and b go through the same optical path length, the intensity in a point c ^, for example a point on the optical axis of the system, is maximum, as is the intensity in the 8005258

( I(I

£ EHN 9846 5£ EHN 9846 5

* I* I

punten c2 en terwijl de intensiteit in de punten d^ en <L, minimaal is. Het interferentiepatroon heeft dan een verloop als met de krentte 11 is aangegeven. Verplaatst het voorwerp 6 zich, dan zal de intensiteit in de punten c^, c2 en c^ afnemen en die in de punten d^ 5 en d2 toenemen. Is bijvoorbeeld het voorwerp over een afstand gelijk aan een kwart van de golflengte van de bundel 2 verschoven, dan zal de intensiteit in de punten , c2 en minimaal zijn, en die in de punten d^ en d2 maximaal. Het interferentiepatroon heeft dan een verloop als met de kromte 12 is aangegeven.points c2 and while the intensity in points d ^ and <L is minimal. The interference pattern then has a course as indicated by the interest 11. If the object 6 moves, the intensity in points c ^, c2 and c ^ will decrease and that in points d ^ 5 and d2 will increase. If, for example, the object has shifted by a quarter of the wavelength of the beam 2, then the intensity in the points, c2 and d2, will be minimal, and that in the points d1 and d2, maximum. The interference pattern then has a course as indicated by the curvature 12.

10 In de interferometer volgens de uitvinding wordt gebruik gemaakt van het feit dat het veranderen van de intensiteitsverdeling opgevat kan worden als een "lopen" van het interferentiepatroon ten opzichte van de punten , c2, cy d^, d2· Verder kan het interferentiepatroon zelf opgevat worden als een raster met geleidelijke 15 overgangen van de lichte naar de donkere rasterstroken. In de thans voorgestelde interferometer wordt de verplaatsing van het interferentiepatroon, en daarmee de verplaatsing van het voorwerp 6, bepaald met behulp van een referentieraster 8 dat aangebracht is in het vlak van het interferentiepatroon. Daarbij kan gebruik gemaakt 20 worden van de technieken die toegepast worden in bekende raster- meetsystemen, waarin twee lichamelijke rasters ten opzichte van elkaar bewegen. Cmdat thans de periode van een lichamelijk raster, welke periode bijvoorbeeld enkele honderd ^um is, vervangen is door een periode ter grootte van een halve golflengte van de gebruikte 25 straling, bijvoorbeeld 0,3164^um voor een HeliunHSIeon laser, kunnen veel kleinere verplaatsingen gemeten worden als met een rastermeet-systeem mogelijk is.In the interferometer according to the invention use is made of the fact that changing the intensity distribution can be understood as a "walking" of the interference pattern with respect to the points, c2, cy d ^, d2 · Furthermore, the interference pattern itself can be understood like a grid with gradual transitions from the light to the dark grid strips. In the currently proposed interferometer, the displacement of the interference pattern, and thus the displacement of the object 6, is determined by means of a reference grating 8 arranged in the plane of the interference pattern. In doing so, use can be made of the techniques which are applied in known grid measuring systems, in which two bodily grids move relative to each other. Since the period of a physical grid, which period is, for example, several hundred µm, has now been replaced by a period the size of half a wavelength of the radiation used, for example 0.3164 µm for a HeliunHSIeon laser, much smaller displacements can be made. be measured if it is possible with a grid measuring system.

Zoals in figuur 1 aangegeven is kan het stralingsgevoelige detektiestelsel 7 van de interferometer bestaan uit een raster 8 30 van afwisselend stralingsdoorlatende en stralingsabsorberende stroken, en een stralingsgevoelige detektor 10, die de door het raster doorgelaten straling omzet in een elektrisch signaal. Eventueel is er tussen het raster 8 en de detektor 10 een lens 9 aangebracht die de straling op de detektor concentreert.As shown in Figure 1, the radiation-sensitive detection system 7 of the interferometer may consist of a grating 8 of alternately radiation-transmitting and radiation-absorbing strips, and a radiation-sensitive detector 10, which converts the radiation transmitted through the grating into an electrical signal. Optionally, a lens 9 is arranged between the grating 8 and the detector 10, which concentrates the radiation on the detector.

35 Om ook de richting van de verplaatsing te bepalen, kan het raster 8 samengesteld worden uit twee deelrasters met dezelfde rasterperiode waarbij de rasterlijnen van het ene raster ten opzichte 8005258 7 PHN 9846 ‘ 6 1 t . van de raster lijnen van het andere deelraster verschoven zijn over een afstand gelijk aan de halve rasterperiode. Voor elk deelraster is dan een aparte detektor aawezig.35 To also determine the direction of displacement, the grid 8 can be composed of two sub-grids with the same grid period, with the grid lines of one grid relative to 8005258 7 PHN 9846 "6 1 t. of the grid lines of the other sub-grid are offset by a distance equal to the half-grid period. A separate detector is then present for each sub-grid.

In de interferometer volgens de uitvinding is het uitgangs-5 signaal van de detektor een sinusvormig signaal, welk signaal elektronisch gemakkelijker verwerkt kan worden dan een rechthoekvormig signaal.In the interferometer according to the invention, the output signal of the detector is a sinusoidal signal, which signal can be processed electronically more easily than a rectangular signal.

Zoals bekend, bijvoorbeeld uit het Amerikaanse octrooischrift No. 3.552.861, kunnen met rastermeetsystemen op zich zowel nauwkeurig 10 de grootte als de richting van kleine verplaatsingen bepaald warden, wanneer het ref erentieraster, of een afbeelding daarvan, met kanstante snelheid bewogen wordt. Door toepassing van een bewegend ref erentieraster 8 kan ook in de interferometer volgens de uitvinding de nauwkeurigheid nog verder opgevoerd warden.As is known, for example, from U.S. Pat. 3,552,861, with grid measurement systems per se, both the magnitude and the direction of small displacements can be accurately determined when the reference grid, or an image thereof, is moved at constant speed. By using a moving reference frame 8, the accuracy can also be increased even further in the interferometer according to the invention.

15 In figuur 3 is een uitvoeringsvorm van een interferometer volgens de uitvinding weergegeven, waarin een bewegend ref erentieraster wordt gerealiseerd met behulp van een multipele fotocel bestaande uit een rij lijnvormige, nagenoeg identieke, fotodiodes, die na elkaar door een elektronische schakelaar met een elektronische verwerkings-20 schakeling verbonden warden. In deze uitvoeringsvorm ontbreekt zowel een referentieraster als bewegende delen cm dit raster een eenparige beweging te geven, zodat deze interferometer eenvoudig van opbouw is en goed bestand tegen trillingen.Figure 3 shows an embodiment of an interferometer according to the invention, in which a moving reference grid is realized with the aid of a multiple photocell consisting of a row of linear, substantially identical, photodiodes, which are successively connected by an electronic switch with an electronic processing -20 circuit connected. In this embodiment, both a reference grid and moving parts are lacking in order to give this grid a uniform movement, so that this interferometer has a simple construction and good resistance to vibrations.

Waar in de uitvoeringsvorm volgens figuur 1 een halfdoor-25 latende spiegel 3 als tundeldeler gebruikt wordt, wordt in de uitvoeringsvorm volgens figuur 3 een prisma van bijzondere vorm als bundel-deler gebruikt. Dit prisma kan men zich ontstaan denken uit een normaal half doorlatend prisma, aangegeven net streeplijnen in figuur 3, met een halfreflékterend vlak 15 waaraan nu echter een 30 tweede, volledig, reflekterend vlak 16 en een derde, halfreflékterend vlak 17 aangeslepen zijn. Door een geschikte keuze van de hoek tussen de vlakken 16 en 17 kan bereikt worden dat de gereflékteerde deelbundels a' en b' een kleine hoek met elkaar maken.Where in the embodiment according to figure 1 a semipermeable mirror 3 is used as the tundra divider, in the embodiment according to figure 3 a prism of special shape is used as the beam divider. This prism can be conceived as a normal semi-transmissive prism, indicated with dashed lines in Figure 3, with a semi-reflecting surface 15, to which, however, a second, full, reflecting surface 16 and a third, semi-reflecting surface 17 are now ground. By a suitable choice of the angle between the surfaces 16 and 17 it can be achieved that the reflected sub-beams a 'and b' make a small angle with each other.

In deze uitvoeringsvorm zijn de reflekterende elementen 35 zogenaamde retro-reflektors 20 en 21. Dergelijke elementen kunnen gevormd warden door een prisma met drie reflekterende vlakken die onderling loodrecht zijn, een zogenaamd "comer cube "-prisma. Een achtereenvolgens aan deze drie vlakken gereflekteerde bundel heeft 8005258 PHN 9846 7 ‘i *In this embodiment, the reflecting elements 35 are so-called retro-reflectors 20 and 21. Such elements can be formed by a prism with three reflecting surfaces mutually perpendicular, a so-called "comer cube" prism. A beam reflected successively to these three planes has 8005258 PHN 9846 7 "i *

t It I

dezelfde richting als de het prisma binnentredende bundel, onafhankelijk van de hoeks tand van het prisma. Een jus tering van deze hoekstand is dus niet nodig. Een zelfde effekt kan bereikt worden met een zogenaamd katteoog- ("cats' eye")-spiegelsysteem, bestaande uit 5 een lens en een in het brandvlak daarvan opgestelde spiegel.the same direction as the beam entering the prism, independent of the angular tooth of the prism. It is therefore not necessary to adjust this angle. The same effect can be achieved with a so-called cat-eye ("cats' eye") mirror system, consisting of a lens and a mirror arranged in its focal plane.

In figuur 4 is een uitvoeringsvorm van de interferometer weergegeven waarin een Wollastonprisma 26 gebruikt wordt cm een kleine hoek tussen de met elkaar interfererende deelbundels a' en b’ te introduceren. In deze uitvoeringsvorm is de bundeldeler een polari-10 satiegevoelig deelprisma 22 met een polarisatiegevoelig scbeidingsvlak 23. De bundel 2 bevat nu twee onderling loodrecht gepolariseerde komponenten waarvan er een, a, door het vlak 23 gereflekteerd wordt, terwijl de andere kcmponent door het vlak 23 doorgelaten wordt. Eventueel is er een polarisator 28 aanwezig cm de polarisatierichting 15 van de door de stralingsbron 1 geleverde bundel aan te passen. De deel-bundel a doorloopt een A/4-plaat 24, wordt door het element 20 gereflekteerd en doorloopt vervolgens weer de A /4-plaat 24. De polari-satierichting is dan in totaal over 90° gedraaid zodat de deelbundel a' door het vlak 23 wordt doorgelaten. De kamponent van de bundel 2 20 die door het vlak 23 wordt doorgelaten doorloopt tweemaal een X /4-plaat 25 en wordt dan door het vlak 23 gereflekteerd. De samenvallende deelbundels a' en b' met onderling loodrechte polarisatierichtingen doorlopen door een Wollaston-prisma, dat de bundels, afhankelijk van hun polarisatierichting, afbuigt. De 25 uit het prisma tredende deelbundels maken dan een kleine hoek met elkaar. Nadat de deelbundels nog een analysator doorlopen hebben kunnen zij ter plaatse van de detektor, bijvoorbeeld de multipele fotocel 20, een interferentiepatroon met ruimtelijke intensiteitsverdeling vormen.Figure 4 shows an embodiment of the interferometer in which a Wollaston prism 26 is used to introduce a small angle between the mutually interfering sub-beams a 'and b'. In this embodiment, the beam splitter is a polarization-sensitive sub-prism 22 with a polarization-sensitive scanning surface 23. The beam 2 now contains two mutually perpendicularly polarized components, one of which, a, is reflected by the plane 23, while the other component is reflected by the plane 23 is let through. Optionally, a polarizer 28 is provided to adjust the polarization direction 15 of the beam supplied by the radiation source 1. The sub-beam a passes through an A / 4 plate 24, is reflected by the element 20 and then passes through the A / 4 plate 24. The polarization direction is then rotated a total of 90 ° so that the sub-beam a 'passes through plane 23 is transmitted. The component of the beam 2 20 transmitted through the face 23 passes twice an X / 4 plate 25 and is then reflected through the face 23. The coincident sub-beams a 'and b' with mutually perpendicular polarization are traversed by a Wollaston prism, which deflects the beams depending on their polarization direction. The 25 sub-beams emerging from the prism then make a small angle with each other. After the sub-beams have passed through an analyzer, they can form an interference pattern with spatial intensity distribution at the location of the detector, for example the multiple photocell 20.

Een polarisatiegevoelige bundeldeler heeft ten cpzichte 30 van een halfdoorlatende deelspiegel het voerdeel dat er bij de bundelsplitsing en bij het samenbrengen van de deelbundels in principe geen straling verloren gaat. Ook in de interferometer volgens figuur 3 kunnen de vlakken 15 en 17 polarisatiegevoelige scheidings-vlakken zijn. Dan moeten in de wegen van de deelbundels a en b 35 A/4-platen 18 en 19 en tussen het prisma 14 en de detektor 20 en analysator 17 aangebracht zijn.With respect to a semipermeable partial mirror, a polarization-sensitive beam splitter has the feed part that in principle no radiation is lost during the beam splitting and when the partial beams are brought together. Also in the interferometer according to figure 3, the surfaces 15 and 17 can be polarization-sensitive interfaces. Then 35 A / 4 plates 18 and 19 and between the prism 14 and the detector 20 and analyzer 17 must be arranged in the paths of the sub-beams a and b.

Bij gebruik van een polarisatiegevoelige bundeldeler moet er voor gezorgd worden dat bij de reflekties aan de vlakken van de 8005258 BHN 9846 8 t ) .¾ spiegelpr isma1 s geen extra polarisatiedraaiïngen optreden. Daartoe kunnen cp de reflekterende vlakken van deze prisma laagjes zilver aangebracht worden.When using a polarization sensitive beam splitter, care must be taken to avoid additional polarization rotations during reflections on the surfaces of the 8005258 BHN 9846 8 t). To this end, the reflective surfaces of this prism can be coated with silver.

Zoals reeds vermeld wordt in de interferometer volgens 5 de uitvinding bij voorkeur een multipele fotocel als detektiestelsel gebruikt.As already mentioned, in the interferometer according to the invention a multiple photocell is preferably used as a detection system.

Figuur 5 toont,, in vooraanzicht, de multipele fotocel 20, alsmede een blokschema van de schakeling. De fotocel is opgebouwd uit een betrekkelijk groot aantal fotogevoelige elementen, zoals 10 fotodiodes 30, die in een betrékkelijk klein aantal groepen verdeeld zijn. Elke groep bevat dus een betrekkelijk groot aantal fotodiodes.Figure 5 shows, in front view, the multiple photocell 20, as well as a block diagram of the circuit. The photocell is composed of a relatively large number of photosensitive elements, such as 10 photodiodes 30, which are divided into a relatively small number of groups. Thus, each group contains a relatively large number of photodiodes.

Met iedere fotodiode uit een groep korrespondeert een periode, een lichte en een donkere lijn, van het interferentiepatroon I. Dientengevolge worden er een even groot aantal periodes van het interferentie-15 patroon als er fotodiodes in een groep zijn afgetast. Het aantal fotodiodes per periode van het interferentiepatroon moet enerzijds - zo groot mogelijk zijn voor een zo getrouw mogelijke elektrische weergave van het optische signaal. Anderzijds moet een zo groot mogelijk deel van het inteferentiepatroon afgetast worden.With each photodiode from a group, a period, a light and a dark line, of the interference pattern I corresponds. Consequently, an equal number of periods of the interference pattern correspond when photodiodes in a group are scanned. The number of photodiodes per period of the interference pattern must, on the one hand, be as large as possible for the most accurate electrical representation of the optical signal. On the other hand, the largest possible part of the interference pattern must be scanned.

20 In een uitvoeringsvorm van de multipele fotocel bedroeg het aantal fotodiodes 200 en was de lengte van elke fotodiode 1,8 mm.In one embodiment of the multiple photocell, the number of photodiodes was 200 and the length of each photodiode was 1.8 mm.

De breedte van elke fotodiode bedroep 10^um en de onderlinge afstand van de fotodioden eveneens 10^um. Het aantal fotodiodes per periode van het interferentiepatroon bedroeg 10 zodat het gezichtsveld 20 25 periodes van het interferentiepatroon omvatte. Overeenkomstige fotodiodes van elk stel van 10 op elkaar volgende fotodiodes waren met elkaar verbonden hetgeen betekent dat er 10 groepen van ieder 20 fotodiodes waren.The width of each photodiode is 10 µm and the spacing of the photodiodes is also 10 µm. The number of photodiodes per period of the interference pattern was 10, so that the field of view 20 included periods of the interference pattern. Corresponding photodiodes of each set of 10 consecutive photodiodes were interconnected, meaning that there were 10 groups of 20 photodiodes each.

Een stilstaand raster met een zwart-wit verhouding 1:1 in 30 het oppervlak van de multipele fotocel 20 wordt gesimuleerd doem: vijf opeenvolgende groepen van fotodiodes (vijf groepen van 20 fotodiodes in het uitvoer ings'voorbeeld) te aktiveren. Een lopend raster ontstaat wanneer de verzameling van vijf groepen steeds een groep verspringt.A still grid with a black and white ratio 1: 1 in the surface of the multiple photocell 20 is simulated by: activating five consecutive groups of photodiodes (five groups of 20 photodiodes in the embodiment). A running grid is created when the collection of five groups always jumps one group.

In de in Figuur 5 blokschematisch weergegeven verwerkings-35 schakeling worden de in de klokimpulsgenerator 31 opgewekte klokimpulsen 32 toegevoerd aan een deler 33 en een deler 34. De deler 33 levert impulsen 35 die in een ringteller 36 besturen. De multipele fotocel „ 20 wordt geaktiveerd door de ringteller 36 en produceert het meetsignaal 8005258 Η3Ν 9846 9 < ε ... 37. De deler 34 levert impulsen 38 (meestal van een andere her- halingsfrequentie dan de stuurimpulsen 35 uit de deler 33) die het referentiesignaal vormen. In de bufferteller 39 worden het meetsignaal 37 en de referentieimpulsen 38 met elkaar vergeleken. De uitgangs-5 impulsen van de bufferteller 39 worden bijvoorbeeld aan een indikator toegevoerd.In the processing circuit shown schematically in Figure 5, the clock pulses 32 generated in the clock pulse generator 31 are supplied to a divider 33 and a divider 34. The divider 33 supplies pulses 35 which control in a ring counter 36. The multiple photocell „20 is activated by the ring counter 36 and produces the measuring signal 8005258 Η3Ν 9846 9 <ε ... 37. The divider 34 supplies pulses 38 (usually of a different repetition frequency than the control pulses 35 from the divider 33). form the reference signal. In the buffer counter 39, the measuring signal 37 and the reference pulses 38 are compared with each other. For example, the output pulses from the buffer counter 39 are applied to an indicator.

De ringteller 36 aktiveert de opeenvolgende groepen foto-diodes van de multipele fotocel 20, zodat als het ware een raster met konstante snelheid over het oppervlak van de fotocel 20 loopt. De 10 periode van dat raster is gelijk aan de periode van het inteferentie-patroon I. Bij stilstand van het interferentiepatroon ten opzichte van de fotocel 20 heeft het meetsignaal een kons tante frequentie. Bewaegt het interferentiepatroon zich in dezelfde richting als het schijnbare raster geaktiveerd door de ringteller 36, dan daalt de 15 frequentie van het meetsignaal 37, terwijl bij beweging in tegengestelde richting de frequentie van het meetsignaal 37 stijgt. Richting en grootte van de verplaatsing van het interferentiepatroon, en daarmee van de verplaatsing van het voorwerp 6, zijn zo te bepalen.The ring counter 36 activates the successive groups of photo-diodes of the multiple photo-cell 20, so that a frame, as it were, runs over the surface of the photo-cell 20 at a constant speed. The period of that frame is equal to the period of the interference pattern I. When the interference pattern is stationary with respect to the photocell 20, the measuring signal has a constant frequency. If the interference pattern moves in the same direction as the apparent grid activated by the ring counter 36, the frequency of the measuring signal 37 decreases, while when moving in the opposite direction the frequency of the measuring signal 37 increases. The direction and magnitude of the displacement of the interference pattern, and thus of the displacement of the object 6, can thus be determined.

Binnen een gebied van een periode van het interferentie-20 patroon I kan de positie van de multipele fotocel 20 ten opzichte van het interferentiepatroon op absolute wijze bepaald worden door het faseverschil tussen het meetsignaal 37 en het terugstelsignaal van de ringteller 36 te meten. De ringteller 36 moet namelijk bij iedere start van de metingen teruggesteld warden om te garanderen dat de 25 teller 39 vanuit een gedefinieerde begintoestand begint te tellen.Within a period of a period of the interference pattern I, the position of the multiple photocell 20 relative to the interference pattern can be determined in absolute manner by measuring the phase difference between the measurement signal 37 and the reset signal of the ring counter 36. Namely, the ring counter 36 must be reset at each start of the measurements to ensure that the counter 39 starts counting from a defined initial state.

De schakeling wordt evenwel eenvoudiger en betrouwbaarder als de ringteller 36 na elke periode teruggesteld wordt. Het terugstelsignaal wordt door deling van de impulsen 35 in de deler 40 geproduceerd. De frequentie van de terugstelimpulsen wordt gelijk 30 gekozen aan de nominale frequentie van het meetsignaal 37.However, the circuit becomes simpler and more reliable if the ring counter 36 is reset after each period. The reset signal is produced by dividing the pulses 35 in the divider 40. The frequency of the reset pulses is chosen equal to the nominal frequency of the measuring signal 37.

Bij gebruik van de in Figuur 5 weergegeven multipele fotocel en verwerkingsschakeling in een rastermsetsysteem waarin het meetras ter een periode van 635^um heeft, kunnen in principe verplaatsingen van het meetraster tot 0,5^um nog gedetekteerd worden.When using the multiple photocell and processing circuit shown in Figure 5 in a raster term set system in which the measuring variety has a period of 635 um, displacements of the measuring grid of up to 0.5 um can in principle still be detected.

35 Door nu volgens de uitvinding de multipele fotocel en de schakeling toe te passen in een interferometer, waarin een HeliumrNeon laserbundel - met een golflengte van 0,6328^um gebruikt wordt, kunnen in principe verplaatsingen tot 0,3164 x 0,5 nmci0,25 mm gedetekteerd worden 633 7 8005258 ΪΉΝ 9846 10By applying the multiple photocell and the circuit according to the invention in an interferometer, in which a HeliumrNeon laser beam - with a wavelength of 0.6328 µm is used, in principle displacements of up to 0.3164 x 0.5 nmci0, 25 mm detected 633 7 8005258 ΪΉΝ 9846 10

De hierboven beschreven verplaats ingsireter kan gebruikt worden overal daar waar kleine verplaatsingen nauwkeurig gemeten moeten worden, zoals in gereedschapswerktuigen bijvoorbeeld draaibanken voor het meten van slede- en asbewegingen. Daarbij kan gedacht 5 worden aan de in "Optics Letters" Vol. 14 no. 2 pag. 70-72 genoemde numeriek bestuurde draaibank waarmee bi-asferische objectief lenzen, dat wil zeggen lenzen met twee asferische oppervlakken, vervaardigd kunnen warden.The displacement ireter described above can be used wherever small displacements need to be accurately measured, such as in machine tools, for example, lathes for measuring slide and shaft movements. In this connection, one can think of the in "Optics Letters" Vol. 14 no. 2 p. 70-72 said numerically controlled lathe with which bi-aspherical objective lenses, i.e. lenses with two aspherical surfaces, can be manufactured.

De interferometer volgens de uitvinding kan ook gebruikt 10 worden om de rechtlijnigheid van de beweging van een voorwerp te meten. Voor deze toepassing zijn, zoals Figuur 6 laat zien, de stralings-bron 1, de bundeldeler 3, de referentiespiegel 4 en het stralingsgevoelige detektiestelsel 7 allen aangebracht in één huis 41.The interferometer according to the invention can also be used to measure the linearity of the movement of an object. For this application, as shown in Figure 6, the radiation source 1, the beam splitter 3, the reference mirror 4 and the radiation-sensitive detection system 7 are all arranged in one housing 41.

Dit huis, waarvan de afmetingen klein kunnen zijn, wordt met dezelfde 15 snelheid als het voorwerp b bewogen in de richting van de pijl 46.This housing, the dimensions of which may be small, is moved in the direction of the arrow 46 at the same speed as the object b.

De beweging in deze richting van het voorwerp zal geen verandering in het interferentiepatroon tot gevolg hebben. Beweegt het voorwerp echter scheef ten opzichte van de pijl 46, dan beweegt de gereflekteerde deelbundel b' ten opzichte van de deelbundel a', zodat de verdeling 20 binnen het interferentiepatroon verandert. Het interferentiepatroon gaat dan "lopen" ten opzichte van het stralingsgevoelige detektiestelsel. Deze beweging kan gemeten worden door tellen van het aantal periodes in het uitgangssignaal van het detektiestelsel 7.The movement in this direction of the object will not change the interference pattern. However, if the object moves obliquely relative to the arrow 46, the reflected sub-beam b 'moves relative to the sub-beam a', so that the distribution 20 changes within the interference pattern. The interference pattern then "runs" with respect to the radiation sensitive detection system. This movement can be measured by counting the number of periods in the output signal of the detection system 7.

Voor een gelijktijdige beweging van het huis 41 met 25 het voorwerp b zou dit huis op de slede 43 waarmee het voorwerp voortbewogen wordt, gemonteerd kunnen worden. Het is ook mogelijk, om, zoals in figuur 3 aangegeven is, het huis 41 van eigen aandrijfmiddelen 42 te voorzien die, via de verbinding 45,worden bekrachtigd door de motor 44 die de voorwerpslede aandrijft.For a simultaneous movement of the housing 41 with the object b, this housing could be mounted on the slide 43 with which the object is moved. It is also possible, as shown in Figure 3, to provide the housing 41 with its own propulsion means 42 which, via the connection 45, are powered by the motor 44 driving the object slide.

30 De laatste jaren hebben er grote ontwikkelingen plaats gehad op het gebied van optisch uitleesbare registratiedragers. Cp deze registratiedragers wordt een grote hoeveelheid informatie, zoals video- en/of audio-informatie of digitale informatie, aangetracht, waarbij de informatiedetails afmetingen in de orde van 1^um of 35 kleiner hebben. In inrichtingen voor het inschrijven van deze registratiedragers kan een interferometer volgens de uitvinding toegepast warden voor het controleren van de beweging van de inschrijfkop dwars op de sporen, welke beweging vooral bij het in- 8005258 PHN 9846 11 '<0 ' t schrijven van audio-informatie erg langzaam kan zijn.30 In recent years, major developments have taken place in the field of optically readable record carriers. A large amount of information, such as video and / or audio information or digital information, is provided on these record carriers, the information details having dimensions of the order of 1 µm or 35 µm. In devices for writing these record carriers, an interferometer according to the invention can be used for checking the movement of the writing head transverse to the tracks, which movement is especially important when recording audio 8005258 PHN 9846 11 '<0'. information can be very slow.

In figuur 7 is schematisch een dergelijke inrichting weergegeven. De in te schrijven registratiedrager 50 rust op een tafel 51 die met behulp van een motor 52 geroteerd kan worden. De 5 inschrijfkcp 53 bevat een laser 54, waarvan de bundel 61 via de spiegels 55, 56 en 57 naar de registratiedrager wordt gericht, waarbij deze bundel door een objéktief 58 tot een kleine inschrijf-spot wordt gefokusseerd. De in te schrijven informatie wordt aan de kleumen 60 van een modulator 59 toegevoerd waardoor de intensiteit 10 van de tundel gemoduleerd wordt overeenkomstig de in te schrijven informatie. Op de wand van de inschrijfkop 53 is een spiegelprisma 64 aangebracht, welk prisma opgenomen is in de meetarm van een interferometer. Deze interferometer bevat verder een deelprisma 62 en een tweede spiegelprisma 63. De door de spiegelprisma’s gereflek-15 teerde bundels a’ en b’ hebben dezelfde richting als, en zijn iets verschoven ten opzichte van, de pp deze prisma's invallende bundels a en b. Een wig 65 geeft de bundel b' een kleine afbuiging, waardoor de uit het prisma 62 tredende bundels een kleine hoek met elkaar maken.Figure 7 schematically shows such a device. The record carrier 50 to be written rests on a table 51 which can be rotated by means of a motor 52. The write-in terminal 53 contains a laser 54, the beam 61 of which is directed via the mirrors 55, 56 and 57 to the record carrier, this beam being focused by an objective 58 into a small write-in spot. The information to be written is supplied to the columns 60 of a modulator 59 whereby the intensity of the tundle is modulated according to the information to be written. A mirror prism 64 is mounted on the wall of the write-in head 53, which prism is incorporated in the measuring arm of an interferometer. This interferometer further comprises a sub-prism 62 and a second mirror prism 63. The beams a-and b reflected by the mirror prisms have the same direction as, and are slightly offset from, the beams incident a-b and these prisms. A wedge 65 gives the beam b 'a small deflection, whereby the beams emerging from the prism 62 make a small angle with each other.

20 Behalve in verplaatsingsmeters, en vanzelfsprekend ook in snelheidsmeters waarin dan het aantal periodes per tijdseenheid van het gemeten signaal bepaald wordt, kan de uitvinding toegepast worden overal daar waar interferometers gebruikt kunnen worden.In addition to displacement meters, and of course also in speedometers in which the number of periods per unit time of the measured signal is then determined, the invention can be applied wherever interferometers can be used.

Te denken valt daarbij aan cppervlakteruwheidmeters, inrichtingen 25 voor het meten van, uiterst kleine, magnetostrictieve of elektro-strictieve effekten, enz.Examples are surface roughness meters, devices for measuring, very small, magnetostrictive or electro-strictive effects, etc.

30 0 35 800525830 0 35 8005258

Claims

Interferometer according to claim 1, characterized in that the raster-shaped element moves at a constant speed.

Interferaneter according to claim 1 or 2, characterized in that it. detection system consists of a grid of alternately radiation-transmitting and radiation-absorbing strips, and a radiation-sensitive detector.

Interferaneter according to claim 1 or 2, characterized in that the radiation-sensitive detection system is a multiple photocell, consisting of a row of line-shaped photodiodes which are successively connected by an electronic switch to an electronic circuit for processing it in the photodiodes. generated signal.

Device according to claim 4, characterized in that the photodiodes are divided into a number of groups and corresponding photocells in each group are electrically connected.

6. Device as claimed in claim 4, characterized in that the groups of photocells are activated successively by a ring counter, which is controlled by clock pulses derived from an impulse generator, while on a counting device both the signal generated in the photocells and the pulse generator derived pulse signals 30 are applied in which counting device these signals are compared with each other.

7. Device as claimed in claim 6, characterized in that reset pulses are supplied to the ring counter which are generated after division from the clock pulses, which pulses which are generated after division are also supplied to the counting device.

Device for determining the rectilinearity of the movement of an object, comprising an interferaneter according to any one of the preceding claims, characterized in that the radiation source, 8005258 * 3 ✓ ft EHN 9846 13, the beam splitter, a reference reflector and the radiation sensitive detection systems are assembled in a housing provided with means for moving said housing at the same speed as the object.

9. Device for writing information with the aid of optical radiation in a track-shaped information structure in a record carrier, the device comprising a write-in head, in which a radiation source and a modulator are included, a carrier system for the record carrier, wherein the write-in head and the carrier system 10 are movable disposed relative to each other, and an interferometer according to any one of claims 1 to 8, for determining the displacement of the writing head in a direction transverse to the direction of the information tracks to be written. 15 20 25 30 35 8005 258