(57)【要約】本発明は、干渉計装置及びその作動方法に関するものである。干渉計装置は干渉計を備え、該干渉計は、干渉計光源から放出された光線が測定アーム及び基準アームに分割可能である。測定体は測定アーム内に配置され且つ干渉計は測定体の位置の関数である干渉計信号を提供する。測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の空気の屈折率の変動を測定するための測定手段が設けられている。測定手段は、分光計ユニットを含む。分光計ユニットは少なくとも１つの分光計光源並びに少なくとも１つの分光計検出ユニットを有する。分光計光源から放出された光線束が干渉計光源の光線束に重ね合わされ、分光計光源は、少なくとも１つの特定の空気成分の吸収線の範囲内に存在する波長を有する光線を放出する。分光計検出ユニットは、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内における分光計光源波長に関する空気成分の吸収を表わす分光計信号を発生するように機能する。
2011504234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉計装置において、
干渉計光源（１１；１１１；３５１）を有する干渉計（１０；１００；１００′；１０００）であって、干渉計光源（１１；１１１；３５１）から放出された光線が測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）に分割可能であり、測定体が測定アーム（Ｍ）内に配置され、干渉計（１０；１００；１００′；１０００）が測定体の位置の関数である干渉計信号（Ｓ１１−Ｓ１４）を提供する、干渉計（１０；１００；１００′；１０００）と、
測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の空気の屈折率の変動を測定するための測定手段と
からなり、
測定手段が分光計ユニット（５０；１５０；２５０；２５０′；４５０）を含み、該分光計ユニット（５０；１５０；２５０；２５０′；４５０）が、
分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）であって、該分光計光源から放出された光線束が干渉計光源（１１；１１１；３５１）の光線束に重ね合わされ、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）が、少なくとも１つの特定の空気成分（ε）の吸収線の範囲内に存在する波長（λＳ）を有する光線を放出する、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）と、
測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内における分光計光源波長（λＳ）に関する空気成分（ε）の吸収を表わす分光計信号（ＳＳ１、ＳＳ２）を発生するための少なくとも１つの分光計検出ユニット（５２；５００）と
を備えていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項２】
請求項１記載の干渉計装置において、測定手段がさらに、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれかの範囲内の空気の公称屈折率ｎ（Ｔ０，ｐ０，ＲＨ０）を決定する屈折率決定手段（６４）を含むことを特徴とする干渉計装置。
【請求項３】
請求項１記載の干渉計装置において、該装置は第１のプロセッサ・ユニット（６３）を備え、該第１のプロセッサ・ユニットは、分光計ユニット（５０；１５０；２５０；２５０′；４５０）の分光計信号（ＳＳ１、ＳＳ２）が入力され、これら分光計信号（ＳＳ１、ＳＳ２）から、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の空気の屈折率の変動を決定し、且つ前記第１のプロセッサ・ユニット（６３）の対応する出力信号（ｎＭ、ｎＲ）を後続処理のために提供するように、プロセッサ・ユニット（ＰＳ）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の干渉計装置。
【請求項４】
請求項２又は３記載の干渉計装置において、第１のプロセッサ・ユニット（６３）はさらに、屈折率決定手段（６４）の出力信号（ＲＨ０、Ｔ０、ｐ０）が入力され、入力される信号（ＳＳ１、ＳＳ２、ＲＨ０、Ｔ０、ｐ０）から、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれかの範囲内の平均的な屈折率（ｎＭ、ｎＲ）を決定し、且つ前記第１のプロセッサ・ユニット（６３）の対応する出力信号（ｎＭ、ｎＲ）を後続処理のために提供するように、第１のプロセッサ・ユニット（６３）が形成されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の干渉計装置において、該装置は補正ユニット（６６）と第２のプロセッサ・ユニットとを備え、補正ユニットは、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の屈折率に関する第１のプロセッサ・ユニット（６３）の出力信号（ｎＭ、ｎＲ）と、存在する干渉計信号（Ｓ１１−Ｓ１４）から第２のプロセッサ・ユニット（６５）により決定される光学路程差（ＯＰＤ）に関する第２のプロセッサ・ユニット（６５）の信号とが入力され、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の屈折率に関する第１のプロセッサ・ユニット（６３）の出力信号（ｎＭ、ｎＲ）から有効屈折率（ｎｅｆｆ）を決定し且つこれを光学路程差（ＯＰＤ）と結合させて処理し、及び出力側に測定アーム（Ｍ）内の測定体の位置に関する補正された位置信号（ＧＰＤ）を提供するように形成されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項６】
請求項３又は４記載の干渉計装置において、前記第１のプロセッサ・ユニット（６３）は、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）の波長（λＳ）を、その吸収特性が決定される少なくとも１つの空気成分（ε）の少なくとも１つの吸収線の範囲内に同調させるように形成されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項７】
請求項３又は４記載の干渉計装置において、第１のプロセッサ・ユニット（６３）は、ファブリー・ペロ干渉計の波長（λＳ）を、その吸収特性が決定される少なくとも１つの空気成分（ε）の少なくとも１つの吸収線の範囲内に同調させるように形成され、ファブリー・ペロ干渉計は分光計検出ユニット（５２；５００）の側に配置されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項８】
請求項６又は７記載の干渉計装置において、第１のプロセッサ・ユニット（６３）は、その吸収特性が決定される空気成分（ε）の吸収最大に対して固定間隔にあるように、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）の同調範囲の中央波長を制御するか、又はファブリー・ペロ干渉計を同調させるように形成されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項９】
請求項１〜８いずれかに記載の干渉計装置において、干渉計（１０；１００；１００′；１０００）及び分光計ユニット（５０；１５０；２５０；２５０；４５０）が共通の光源を有することを特徴とする干渉計装置。
【請求項１０】
請求項１記載の干渉計装置において、分光計ユニット（５０；１５０；２５０；２５０′；４５０）の光路内に、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）の光線束を、干渉計（１０；１００、１００′；１０００）の測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれかに沿って複数回転向させる光学要素が配置されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項１１】
請求項８記載の干渉計装置において、第１のプロセッサ・ユニット（６３）は、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）の波長（λＳ）を同調範囲内において周期的に同調させるように形成され、同調周期は、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の屈折率の典型的な変動よりも時間的に短いことを特徴とする干渉計装置。
【請求項１２】
請求項１記載の干渉計装置において、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）の波長（λＳ）が、次の空気成分（ε）、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの少なくともいずれかの少なくとも１つの吸収線の範囲内にあることを特徴とする干渉計装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の干渉計装置において、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）の波長（λＳ）は、少なくとも、水（Ｈ２Ｏ）及び他の１つの空気成分（ε）の吸収線の範囲内にあることを特徴とする干渉計装置。
【請求項１４】
請求項１記載の干渉計装置において、複数の吸収線の測定が、著しく異なる吸収の温度係数を用いて行われることを特徴とする干渉計装置。
【請求項１５】
請求項１記載の干渉計装置において、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）のスペクトル幅が吸収線のスペクトル幅より小さいか又はほぼ等しいことを特徴とする干渉計装置。
【請求項１６】
請求項３又は４記載の干渉計装置において、第１のプロセッサ・ユニット（６３）は、屈折率の計算のために、入力される分光計信号（ＳＳ１、ＳＳ２）を用いて、吸収線の中心内の吸収からと、吸収線の外側範囲内の吸収からとの吸収差の値を演算するよう構成されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項１７】
請求項３又は４記載の干渉計装置において、第１のプロセッサ・ユニット（６３）は、入力される分光計信号（ＳＳ１、ＳＳ２）から吸収線のスペクトル幅を決定することを特徴とする干渉計装置。
【請求項１８】
請求項１記載の干渉計装置において、干渉計（１０；１００；１００′；１０００）は、少なくとも１つの測定体の種々の測定点に対する複数の位置信号を発生させるための複数の干渉計検出要素（２５、２６、２８、２９；１２５、１２６、１２８、１２９；２５００、２６００、２８００、２９００）を備えた干渉計検出ユニット（２０、１２０、２０００）を有し、分光計検出ユニット（５２、５００）は、付属の測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の空気成分（ε）の吸収を測定するための複数の分光計検出要素（５４、５５；１５４；２５４、２５４′；４５４、４５５、５４０、５５０）を備えていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の干渉計装置において、干渉計検出要素（２５、２６、２８、２９；１２５、１２６、１２８、１２９；２５００、２６００、２８００、２９００）及び分光計検出要素（５４、５５；１５４；２５４、２５４′；４５４、４５５、５４０、５５０）はそれぞれ、検出器アレイとして形成されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項２０】
請求項１記載の干渉計装置において、干渉計（１０；１００；１００′；１０００）が、マイケルソン干渉計として、又はファブリー・ペロ干渉計として、又はフィゾー干渉計として、又はトゥワイマン・グリーン干渉計として、又はスペックル干渉計として形成されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項２１】
請求項１記載の干渉計装置において、分光計検出ユニット（５２；５００）は同調可能なファブリー・ペロ干渉計を含むことを特徴とする干渉計装置。
【請求項２２】
請求項１記載の干渉計装置において、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）が、ＤＦＢレーザとして、又は外部空洞レーザとして形成されていることを特徴とする干渉計装置。
【請求項２３】
請求項２記載の干渉計装置において、屈折率決定手段（６４）は、空気パラメータを決定するための１つ又は複数のセンサ（６４．１、６４．２、６４．３）と、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の空気の平均的な屈折率を決定するための、既知の測定区間を有する基準干渉計と、の少なくともいずれかを含むことを特徴とする干渉計装置。
【請求項２４】
干渉計装置の動作方法であって、
干渉計装置は、干渉計光源（１１；１１１；３５１）から放出された光線を測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）に分割可能であり、干渉計光源（１１；１１１；３５１）を有する干渉計（１０；１００；１００′；１０００）であって、測定体が測定アーム（Ｍ）内に配置され、該測定体の位置の関数である干渉計信号（Ｓ１１−Ｓ１４）を提供する干渉計（１０；１００；１００′；１０００）と、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の空気の屈折率の変動がそれを介して測定される測定手段とを備えており、
測定手段が分光計ユニット（５０；１５０；２５０；２５０′；４５０）を含み、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）から、少なくとも１つの空気成分（ε）の吸収線の範囲内に存在する波長（λＳ）を有する光線が放出され、及び分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）から放出された光線束が干渉計光源（１１；１１１；３５１）の光線束に重ね合わされ、
少なくとも１つの分光計検出ユニット（５２；５００）を介して、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内における分光計光源波長（λＳ）に関する空気成分（ε）の吸収を表わす分光計信号（ＳＳ１、ＳＳ２）が発生される
ことを特徴とする干渉計装置の動作方法。
【請求項２５】
請求項２４記載の動作方法において、測定手段がさらに、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれかの範囲内の空気の公称屈折率ｎ（Ｔ０，ｐ０，ＲＨ０）がそれを介して決定される屈折率決定手段（６４）を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２４記載の動作方法において、分光計信号（ＳＳ１、ＳＳ２）から、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の空気の屈折率の変動が決定され、且つ対応する信号が後続処理のために提供されることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６又は２７記載の動作方法において、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれかの範囲内の平均的な屈折率（ｎＭ、ｎＲ）が決定され、且つ対応する信号が後続処理のために提供されることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２６又は２７記載の動作方法において、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の屈折率に関する信号（ｎＭ、ｎＲ）から有効屈折率（ｎｅｆｆ）が決定され且つこれが干渉計信号（Ｓ１１−Ｓ１４）から決定された光学路程差（ＯＰＤ）と結合されて処理され、測定アーム（Ｍ）内の測定体の位置に関する補正された位置信号（ＧＰＤ）が後続処理のために提供されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２５又は２６記載の動作方法において、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）の波長（λＳ）が、その吸収特性及び分散特性が決定される少なくとも１つの空気成分（ε）の少なくとも１つの吸収線の範囲内に同調されることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２５又は２６記載の動作方法において、ファブリー・ペロ干渉計が、その吸収特性及び分散特性が決定される少なくとも１つの空気成分（ε）の少なくとも１つの吸収線の範囲内に同調され、ファブリー・ペロ干渉計は分光計検出ユニット（５２；５００）の側に配置されていることを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２９又は３０記載の動作方法において、吸収特性又は分散特性が決定される空気成分（ε）の吸収最大に対して固定間隔にあるように、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）の同調範囲の中央波長が制御されることを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項３１記載の動作方法において、分光計光源（５１；１５１；２５１；３５１；４５１）の波長（λＳ）が同調範囲内において周期的に同調され、同調周期は、測定アーム及び基準アーム（Ｍ、Ｒ）の少なくともいずれか内の屈折率の典型的な変動よりも時間的に短いことを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項２６又は２７記載の動作方法において、屈折率の計算に使用するために、分光計信号（ＳＳ１、ＳＳ２）を用いて、吸収線の中心内の吸収からと、吸収線の外側範囲内の吸収からとの吸収差の値が形成されることを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項２６又は２７記載の動作方法において、分光計信号（ＳＳ１、ＳＳ２）から吸収線のスペクトル幅が決定されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計装置及びその作動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
干渉計による長さ測定において、測定基準すなわち測定尺度として、空気中で使用されるレーザ・ビームの波長が使用される。この波長は以下において光波長と称する。光波長は、例えば温度、圧力、湿度及び当該ガス組成のような特定の周囲パラメータの関数である。したがって、正確な長さ測定のために、測定過程の間に、正確な光波長を知ること、又は周囲影響を補償することが必要である。
【０００３】
したがって、その測定区間及び基準区間の少なくともいずれかが空気中に伸長するレーザ干渉計は、空気の局部的な屈折率変動が原因である著しい測定変動の影響を受ける。したがって、このようなレーザ干渉計の安定性、再現性及び精度は、測定区間に対して相対的に、１×１０−６（工場条件）〜１×１０−７（良好な実験室条件）に制限されている。最も強い変動は０〜１０Ｈｚの周波数範囲内にあるので、この変動は、比較的短い時間内に実行される測定にも悪影響を与える。したがって、電子工業及び半導体工業における長さ測定の安定性及び再現性に対する今日の要求は、もはや満たすことができない。これらの要求は、典型的には、数分の時間間隔にわたり、１×１０−８〜１×１０−９（即ち、２０ｃｍの平均的な測定区間において０．２ｎｍ〜２ｎｍ）の範囲内にある。
空気中のこのような屈折率の変動を測定し且つ補償するために、従来、一連の解決方法が既知となっている。
【０００４】
第１の従来例においては、空気温度、空気圧及び空気湿度のような種々の周囲パラメータが適切なセンサにより測定され、且ついわゆるエドレンの公式を用いて、補正光波長又は有効光波長が決定される。このような方法は、例えば、Ｊｅｎｓ  Ｆｌｕｅｇｇｅの学位論文である「レーザ干渉計及び増分尺度測定装置の測定技術的能力に対する比較研究」、ＲＷＴＨ  Ａａｃｈｅｎ（Ｄ８２），Ｆｅｂｒｕａｒ  １９９６，ＩＳＢＮ ３−８９４２９−６８３−６，ｐ．１３−１４に記載されている。この方法においては、離散点のみにおける周囲条件、並びに光学測定軸付近のみにおける周囲条件に関する種々のパラメータが決定されることが欠点である。したがって、測定軸に沿ったこれらのパラメータの正確な経過は近似的に測定されるにすぎず、その結果、有効光波長の決定が不正確となり、したがって、固有の長さ測定が不正確となる。さらに、種々のセンサは一般に応答時間を有するので、場合により発生する測定軸に沿ったパラメータの変動は、同様に正確には測定可能ではない。この不完全さのために、干渉計による空気中の長さ測定において、屈折率変動を測定し且つ補償するためのこの方法の精度は、比較的低いものとなる。
【０００５】
第２の従来例は、屈折計により光波長を決定するように設計されている。このような方法もまた、上記の、Ｊｅｎｓ  Ｆｌｕｅｇｇｅの学位論文「レーザ干渉計及び増分尺度測定装置の測定技術的能力に対する比較研究」、ＲＷＴＨ  Ａａｃｈｅｎ（Ｄ８２），Ｆｅｂｒｕａｒ  １９９６，ＩＳＢＮ ３−８９４２９−６８３−６，ｐ．１５−１６に記載されている。この場合も、第１の従来例と同様な問題が発生する。さらに、この方法は、比較的複雑であり、したがって高価である。
【０００６】
干渉計による測定方法において光波長を補正するための第３の従来例が、音響光学式干渉計装置を備えた米国特許第６５０１５５０号に記載されている。音響センサ及び音響受信機により、測定軸に沿った音響伝搬時間が決定され、該測定された音響伝搬時間が光学式干渉計の測定により検出された位置と組み合わされることにより、音速が決定される。一方、音速は、既知のように、そのときの周囲条件の関数であるので、対応する補正関数により、測定軸に沿った実際の平均的な空気温度が決定される。このように決定された空気温度は、次に、同様に、冒頭記載の、エドレンの公式等による平均的な光波長の決定方法に対する入力変数として使用される。補正に使用される測定変数として、測定軸に沿って決定された音速が使用されることが、この方法の利点として挙げられる。したがって、測定軸に沿った温度の変動は、同様に補償可能である。しかしながら、この場合、音波の波長が本質的に大きいこと（２〜５ｎｍ）、及びこれに関連して回折効果が強いことのために、音波の横方向広がりは、光波のそれよりも２０〜１００倍大きいことが欠点である。この結果、これらの方法の決定的な２つの欠点が生じる。一方で、ほとんど回避不可能な隣接機械部分における音の反射及び変向が、超音波測定の測定結果に誤差を与える妨害信号を発生させる。他方で、超音波は測定軸の周りのきわめて大きな空気容積を測定するので、干渉計の光波の外側の空気温度変動は、同様に測定誤差を与えることになる。
【０００７】
最後に、以下において多重波長干渉計による測定方法と呼ばれる第４の従来例において、複数の波長を使用することにより真空波長の補正が行われる。このために、補正のために空気の分散法が使用される。このような方法に対して、対応する方法を詳細に開示している米国特許第５４０４２２２号又は米国特許第５７６４３６２号が参照される。周囲環境変動が補償された、干渉計による測定方法の第４の従来例における欠点として、精度の高いレーザ光源の必要とされる光学的周波数の多重化のための比較的高額の費用が必要であることが挙げられる。さらに、必要となる空気の分散特性の決定において、利用される分散効果がきわめて小さいので、測定が著しく不確実であることを考慮に入れる必要がある。したがって、この方法によっては、測定変動の低減はほとんど不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６５０１５５０号
【特許文献２】米国特許第５４０４２２２号
【特許文献３】米国特許第５７６４３６２号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＲＷＴＨ  Ａａｃｈｅｎ（Ｄ８２），Ｆｅｂｒｕａｒ  １９９６，ＩＳＢＮ ３−８９４２９−６８３−６，ｐ．１３−１４，ｐ．１５−１６
【非特許文献２】Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ  Ｐａｐｅｒ  ２０００−０７７５
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ  ３７，Ｎｒ．１８，３９４２−３９４７，１９９８
【非特許文献４】Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２６  Ｎｏ．１９（１９８７），４０５８−４０９７
【非特許文献５】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７５，２２９−２３６，（２００２）
【非特許文献６】Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ  ３８，Ｎｏ．２１，２０．７．１９９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、改善された測定精度が保証される、干渉計装置並びにその作動方法を提供することである。特に、この場合、発生する可能性がある空気中の屈折率変動が、高額な費用を必要とせずに、できるだけ正確に測定されるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、本発明による、請求項１の特徴を有する干渉計装置により解決される。
本発明による干渉計装置の有利な形態は、請求項１に従属する請求項に記載の手段から得られる。
上記課題は、本発明による、請求項２４の特徴を有する干渉計装置の作動方法により解決される。
本発明による干渉計装置の作動方法の有利な形態は、請求項２４に従属する請求項に記載された事項から得られる。
【００１２】
ここでは、本発明により、分光学的方法を介して、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれかの空気の平均的な屈折率の変動を決定するように設計されている。この場合、干渉計装置の測定区間及び基準区間の少なくともいずれかに沿った１つの空気成分の吸収が、均質な空気組成に基づいてそれぞれの空気柱の密度又は平均的な温度に対する間接的な尺度を与える適切な測定手段により決定される。この場合、測定される空気柱は、干渉計装置の空気柱と一致する。他の測定手段を介して測定された平均的な屈折率は、短い時間区間内の吸収に関する測定値により適切に補正される。したがって、このようにして、主として局部的な温度変動が原因となる空気柱の平均的な屈折率の変動が調整可能である。本発明による干渉計装置の測定精度は、従来技術である既知の方法に比較して著しく向上する。
【００１３】
本発明による干渉計装置は、干渉計光源から放出された光線が測定アーム及び基準アームに分割可能である、干渉計光源を有する干渉計を含み、測定体は測定アーム内に配置され且つ干渉計が測定体の位置の関数である干渉計信号を提供する。さらに、干渉計装置は、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の空気の屈折率の変動を測定するための測定手段を含む。測定手段は分光計ユニットを含み、該分光計ユニットは、少なくとも１つの分光計光源及び分光計検出ユニットを有している。分光計光源から放出された光線束に干渉計光源の光線束が重ね合わされ、分光計光源は、少なくとも１つの特定の空気成分の吸収線の範囲内に存在する波長を有する光線を放出する。分光計検出ユニットを介して、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれかにおける分光計光源波長に関する空気成分の吸収を表わす分光計信号が発生される。
測定手段は、さらに、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれかの範囲内の空気の公称屈折率ｎ（Ｔ０，ｐ０，ＲＨ０）を決定するように機能する屈折率決定手段を含む。
【００１４】
一変更態様において、第１のプロセッサ・ユニットの入力側に分光計ユニットの分光計信号が存在する第１のプロセッサ・ユニットが設けられ、分光計信号から、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれかの空気の屈折率の変動を決定し、且つ第１のプロセッサ・ユニットの対応する出力信号を後続処理のために提供するように、プロセッサ・ユニットが形成されている。
第１のプロセッサ・ユニットはさらに、屈折率決定手段の出力信号から、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれかの範囲内の平均的な屈折率を決定し、且つ第１のプロセッサ・ユニットの対応する出力信号を後続処理のために提供するように、構成することが可能である。
【００１５】
さらに、補正ユニットの入力側に、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の屈折率に関する第１のプロセッサ・ユニットの出力信号と、干渉計信号から第２のプロセッサ・ユニットにより決定される光学路程差に関する第２のプロセッサ・ユニットの信号とが入力される補正ユニットを設けることが可能であり、この場合、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の屈折率に関する第１のプロセッサ・ユニットの出力信号から有効屈折率を決定し且つこれを光学路程差と結合させて処理し、及び出力側に測定アーム内の測定体の位置に関する補正された位置信号を提供するように、補正ユニットが形成される。
【００１６】
例えば、第１のプロセッサ・ユニットは、分光計光源の波長がその吸収特性が決定される少なくとも１つの空気成分の少なくとも１つの吸収線の範囲内となるように形成されていてもよい。
しかしながら、代替態様として、第１のプロセッサ・ユニットは、ファブリー・ペロ干渉計の波長を、その吸収特性が決定される少なくとも１つの空気成分の少なくとも１つの吸収線の範囲内となるように形成されていもよく、この場合、ファブリー・ペロ干渉計は分光計検出ユニットの側に配置されている。
【００１７】
この場合、第１のプロセッサ・ユニットは、その吸収特性が決定される少なくとも１つの空気成分の吸収最大に対して固定間隔にあるように、分光計光源の同調範囲の中央波長を制御するか、又はファブリー・ペロ干渉計を同調させるか、するように形成されていてもよい。
例えば、干渉計及び分光計ユニットが共通の光源を有することもまた可能である。
【００１８】
分光計ユニットの光路内に、分光計光源の光線束を、干渉計の測定アーム及び基準アームの少なくともいずれかに沿って複数回転向させる光学要素が配置されていてもよい。
第１のプロセッサ・ユニットは、分光計光源の波長を同調範囲内において周期的に同調させるように形成されていてもよく、この場合、同調周期は、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれかの屈折率の典型的な変動よりも時間的に短い。
【００１９】
分光計光源の波長は、次の空気成分、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの少なくともいずれかの少なくとも１つの吸収線の範囲内にあることが好ましい。
この場合、分光計光源の波長は、少なくとも、水及び他の１つの空気成分の吸収線の範囲内にあることが有利である。
さらに、複数の吸収線の測定が、著しく異なる吸収の温度係数を用いて行われることが可能である。
【００２０】
可能な一変更態様において、分光計光源のスペクトル幅は吸収線のスペクトル幅より小さいか又はほぼ等しい。
第１のプロセッサ・ユニットは、入力側に存在する分光計信号を用いて、吸収線の中心の吸収からと、吸収線の外側範囲の吸収からとの吸収差の値を形成することが有利であり、これらの値は、次に、屈折率の計算のために使用可能である。
さらに、第１のプロセッサ・ユニットは、入力側に存在する分光計信号から吸収線のスペクトル幅を決定することが可能である。
【００２１】
干渉計は、例えば、少なくとも１つの測定体の種々の測定点に対する複数の位置信号を発生させるための複数の干渉計検出要素を備えた干渉計検出ユニットを有し、及び分光計検出ユニットもまた、付属の測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の空気成分の吸収を測定するための複数の分光計検出要素を含む。
この場合、干渉計検出要素及び分光計検出要素がそれぞれ、検出器アレイとして形成されていてもよい。
さらに、干渉計が、マイケルソン干渉計として、又はファブリー・ペロ干渉計として、又はフィゾー干渉計として、又はトゥワイマン・グリーン干渉計として、又はスペックル干渉計として形成されていることが可能である。
分光計検出ユニットが、さらに、同調可能なファブリー・ペロ干渉計を含んでいてもよい。
【００２２】
分光計光源が、ＤＦＢレーザとして、又は外部空洞レーザとして形成されていてもよい。
屈折率決定手段が、空気パラメータを決定するための１つ又は複数のセンサと、及び測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の空気の平均的な屈折率を決定するための、既知の測定区間を有する基準干渉計と、の少なくともいずれかを含んでいてもよい。
【００２３】
本発明による干渉計装置の作動方法の範囲内において、干渉計装置は、干渉計光源から放出された光線が測定アーム及び基準アームに分割可能である、干渉計光源を有する干渉計を含み、この場合、測定体は測定アーム内に配置され且つ干渉計は測定体の位置の関数である干渉計信号を提供する。さらに、測定手段を介して、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の空気の屈折率の変動が測定される。ここで、測定手段は分光計ユニットを含み、この場合、分光計光源から、少なくとも１つの空気成分の吸収線の範囲に存在する波長を有する光線が放出され、及び分光計光源から放出された光線束が干渉計光源の光線束に重ね合わされる。少なくとも１つの分光計検出ユニットを介して、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内における分光計光源波長に関する空気成分の吸収を表わす分光計信号が発生される。
【００２４】
さらに、測定手段が、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれかの範囲内の空気の公称屈折率ｎ（Ｔ０，ｐ０，ＲＨ０）を決定する屈折率決定手段を含んでいてもよい。
この場合、分光計信号から、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の空気の屈折率の変動が決定され、且つ対応する信号が後続処理のために提供されてもよい。
例えば、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれかの範囲内の平均的な屈折率が決定され、且つ対応する信号が後続処理のために提供されてもよい。
【００２５】
測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の屈折率に関する信号から有効屈折率を決定し、且つこれを干渉計信号から決定された光学路程差と結合して処理し、及び測定アーム内の測定体の位置に関する補正された位置信号を後続処理のために提供することが可能である。
この場合、分光計光源の波長が、その吸収特性及び分散特性が決定される少なくとも１つの空気成分の少なくとも１つの吸収線の範囲内となるようにしてもよい。
さらに、ファブリー・ペロ干渉計が、その吸収特性及び分散特性が決定される少なくとも１つの空気成分の少なくとも１つの吸収線の範囲に同調されてもよく、この場合、ファブリー・ペロ干渉計は分光計検出ユニットの側に配置されている。
【００２６】
その吸収特性又は分散特性が決定される少なくとも１つの空気成分の吸収最大に対して固定間隔にあるように、分光計光源の同調範囲の中央波長が制御されるようにすることもまた可能である。
さらに、分光計光源の波長が同調範囲において周期的に同調されることが可能であり、この場合、同調周期は、測定アーム及び基準アームの少なくともいずれか内の屈折率の典型的な変動よりも時間的に短い。
例えば、分光計信号を用いて、吸収線の中心内の吸収からと、吸収線の外側範囲内の吸収からとの吸収差の値が形成され、これらの値が次に、屈折率の計算のために使用されてもよい。
さらに、分光計信号から吸収線のスペクトル幅が決定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】吸収線の領域内の吸収特性及び分散特性を示す図である。
【図２ａ】本発明による干渉計装置の第１の実施形態を示す概略図である。
【図２ｂ】図２ａに示した本発明による干渉計装置の信号処理を説明するための概略図である。
【図３ａ】本発明による干渉計装置の第２の実施形態を示す概略図である。
【図３ｂ】図３ａに示した本発明による干渉計装置の信号処理を説明するための概略図である。
【図４】本発明による干渉計装置の第３の実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明による干渉計装置の第４の実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明による干渉計装置の第５の実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明による干渉計装置の第６の実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明による干渉計装置の具体的な実施形態の説明を図面を参照して行うが、以下に、はじめに、本発明の重要な理論的基礎を説明する。
理論的基礎
既知の干渉計は、測定区間ＭＳと基準区間ＲＳとの間の光学路程差ＯＰＤを測定する。この場合、レーザ光源の光線は、測定光路ＭＳＷに沿った測定区間ＭＳ及び基準光路ＲＳＷに沿った基準区間ＲＳを通過する。この場合、通常、例えば測定光路及び基準光路内のビーム・スプリッタ及びトリプル・プリズムのような光学構造部品内の追加の路程は同じ長さであり、したがって補償されているので、空気路のみが考慮される。したがって、次式が成立する。
【数１】
2011504234.tif 000003
【００２９】
干渉計は、出力端に、測定変数、すなわち測定光路ＭＳＷの長さＬＭＳＷと基準光路ＲＳＷの長さＬＲＳＷとの間の幾何路程差ＧＰＤ＝ＬＭＳＷ−ＬＲＳＷに対する尺度を出力する。したがって、光学路程差ＯＰＤから幾何路程差ＧＰＤを推測可能にするために、次式により補正係数１／ｎｅｆｆが決定されなければならない。
ＧＰＤ＝ＯＰＤ／ｎｅｆｆ                                （２）
（式２）
有効屈折率ｎｅｆｆは、光路ＭＳＷないしはＲＳＷに沿った平均的な屈折率ｎＭ及びｎＲから決定可能である。
【数２】
2011504234.tif 000004
【００３０】
式３及び式４において、ＬＭＳＷ及びＬＲＳＷに対する評価値を使用することで十分であり、例えば、補正されない長さ値又は最後に測定された長さ値が使用されてもよい。
空気の局部的な屈折率ｎ（ｘ）は、局部的なパラメータ、即ち空気温度Ｔ（ｘ）、空気圧ｐ（ｘ）及び相対空気湿度ＲＨ（ｘ）の関数である。作業点Ｔ０、ｐ０、ＲＨ０の周りにおいて、この関数関係が線形化されてもよい。
【数３】
2011504234.tif 000005
この場合、係数ηＴ、ηｐ及びηＲＨは、一般に、空気組成とはほとんど関係しない。
【００３１】
作業点Ｔ０、ｐ０、ＲＨ０における公称屈折率ｎ（Ｔ０，ｐ０，ＲＨ０）は、作業点が設置周囲センサの対応測定値により定義されるとき、既知のエドレンの公式により決定可能である。光路ＭＳＷ及びＲＳＷに沿った局部的な空気パラメータの偏差ΔＴ（ｘ）、Δｐ（ｘ）及びΔＲＨ（ｘ）は、公称値ｎ（Ｔ０，ｐ０，ＲＨ０）の周りに、平均的な屈折率ｎＭ及びｎＲの変動を形成させる。この場合、実際には、主として局部的な温度変動ΔＴ（ｘ）が関係する。空気内の急速な均一化により、圧力変動は測定容積にわたり均等に分布される。光路ＭＳＷ及びＲＳＷから離れた位置で測定された空気圧ｐ０は、したがって、光路に沿った空気圧ｐ（ｘ）と十分に一致する。同様のことが相対空気温度ＲＨに対しても適用される。高い精度で次式が設定可能である。
【数４】
2011504234.tif 000006
【００３２】
したがって、屈折率の唯一の場所的関数関係は、局部的な温度の影響によって発生する。このことは、空気によって影響される他のパラメータに対しても適用される。したがって、式５は式８のように短くなり、また、式４を用いて式９が得られる。
【数５】
2011504234.tif 000007
【００３３】
平均的な温度偏差ΔＴＭＳＷ及びΔＴＲＳＷは両方の光路ＭＳＷないしはＲＳＷにわたる平均値を示す。係数ηＴはエドレンの公式を微分することにより決定可能であり且つ例えば１・１０−６Ｋ−１の値である。
この関係が使用可能であるための重要な前提は、空気の組成が一定なことである。したがって、例えば、干渉計の付近に、例えば窒素洗浄、保護ガスの導入又は燃焼過程のようなガス源があってはならない。これらはガス組成を局部的に変化させ、したがって、式８に関する重要な前提を乱すことになるであろう。このようなガス源が回避されない場合、レーザ干渉計の光路は良好に遮蔽されなければならない。このための他の代替態様はのちに説明する。
【００３４】
ここで、本発明により、光路ＭＳＷ及びＲＳＷに沿った平均的な空気パラメータ変動ΔＴＭＳＷ及びΔＴＲＳＷは、分光計ユニットにより、個々の空気成分（分子）における光学的吸収分光測定によって間接的に決定される。この場合、分光測定のために、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２又はＨ２Ｏのような空気の主成分を選択することが好ましい。選択された空気成分は以下において指数εにより表わされる。選択は、空気成分εの吸収分子共鳴に近い、分光計ユニットの光源の波長λＳの適切な選択によって行われる。光路ＭＳＷ及びＲＳＷの空気柱内の透過ＴＲε，Ｍ（λＳ）及びＴＲε，Ｒ（λＳ）は次式によって与えられる。
【数６】
2011504234.tif 000008
ここで、αε（λＳ，ｘ）は位置ｘにおける波長λＳの吸収係数を表わす。
【００３５】
この吸収係数αε（λＳ，ｘ）は、圧力ｐ、温度Ｔ、相対空気温度ＲＨ及び公称スペクトル線分布Ψε（λＳ，Ｔ，ｐ，ＲＨ）の関数である。公称スペクトル線分布Ψε（λＳ，Ｔ，ｐ，ＲＨ）は、同様に空気パラメータＴ、ｐ及びＲＨの関数であり、以下のように表される。
【数７】
2011504234.tif 000009
吸収線Ａεにわたる正規化から次式が得られる。
【数８】
2011504234.tif 000010
【００３６】
関数ｇεは、本質的に、空気成分εの密度ρεの比例影響と、及び吸収線Ａεの出力状態の、温度の関数としての占有密度σε（Ｔ）とを含む（Ｍ．Ｅ．Ｗｅｂｂｅｒほか、「２．０μｍ付近のダイオード・レーザ・センサを用いたＣＯ２の現場燃焼測定」、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ  Ｐａｐｅｒ  ２０００−０７７５参照）。
空気全体の密度ρ及び空気全体における空気成分εの相対割合γεを有する理想気体においては、次の式１３が成立する。
ρε＝γε・ρ＝γε・ρ／（Ｒ・Ｔ）              （１３）
ここで、Ｒはリュードベリ定数を表わす。詳細な考察において、相対割合γεは、相対空気湿度ＲＨの関数であり、温度Ｔの関数でもある。
【００３７】
占有密度σε（Ｔ）に対しては、熱平衡において次式が成立する。
【数９】
2011504234.tif 000011
ここで、Ｅｎは選択された分子の状態ｎのエネルギーを表わし、Ｅεは選択された吸収線Ａεの出力状態のエネルギーを表わし、及びｋはボルツマン定数を表わす。
上記から、関数ｇεの複合温度関数関係が得られる。
【数１０】
2011504234.tif 000012
【００３８】
スペクトル線分布Ψε（λＳ，Ｔ，ｐ，ＲＨ）は同じく種々の寄与を含む。一方で、分子の熱運動は、温度の関数としての、吸収線のドップラー広がりを形成させる。他方で、空気圧ｐは分子間の衝突の回数に影響を与えるので、いわゆる圧力広がりが形成される。
所定の波長λＳにおける吸収係数αε（λＳ，ｘ）が決定されるか（以下において「スペクトル選択ケース」という）又はスペクトルが吸収線Ａεにわたり積分されるか（以下において「スペクトル積分ケース」という）に応じてそれぞれ、位置の関数としての温度Ｔ（ｘ）に関する種々の線形化が実行可能である。
【数１１】
2011504234.tif 000013
ここで、αε０、γε及びα’ε０、γ’εは一般にλＳ、Ｔ０、ｐ０及びＲＨ０の関数である。スペクトル選択ケースにおいては、吸収線の中央における波長λＳを選択することが有利である。
【００３９】
式１０及び式１６は、スペクトル選択ケースに対する光路ＭＳＷ及びＲＳＷに沿った平均的な空気温度偏差ΔＴＭＳＷ及びΔＴＲＳＷの本発明による決定を可能にするか（式１７ａ）、又は、スペクトル積分ケースに対する光路ＭＳＷ及びＲＳＷに沿った平均的な空気温度偏差ΔＴＭＳＷ及びΔＴＲＳＷの本発明による決定を可能にする（式１７ｂ）。
【数１２】
2011504234.tif 000014
【００４０】
式９及び式１７は、スペクトル選択ケースに対して式１８ａのようにまとめることが可能であり、スペクトル積分ケースに対しては式１８ｂのようにまとめることが可能である。
【数１３】
2011504234.tif 000015
ここで、βε＝ηγ／γε及びβ′ε＝ηγ／γ’εである。係数αε０、βεないしはα’ε０、β’εは一般に公称空気パラメータＴ０、ｐ０、ＲＨ０の関数である。したがって、高い精度要求においては、これらの関数関係が少なくとも１回決定されなければならない。この場合、公称空気パラメータは、常に周囲センサにより測定される。代替態様として、係数αε０、βεないしはα’ε０、β’εは、分光学的吸収測定を有する追加の校正干渉計によっても決定可能である。校正干渉計内の空気区間の長さは既知であるので、式２、３及び１８による調整計算によって係数αε０、βεないしはα’ε０、β’εを導くことが可能である。
【００４１】
以下において、式１８ａないしは式１８ｂからの第１項ｎ（Ｔ０，ｐ０，ＲＨ０）は公称屈折率と呼ばれ、第２項は屈折率変動と呼ばれる。両方の項は和として平均的な屈折率ｎＭないしはｎＲを与える。
式２、式３及び式１８は、吸収線の範囲内における透過Ｔε，Ｍ及びＴε，Ｒの測定による空気屈折率変動の本発明による補償に対する基礎を形成する。
スペクトル選択ケース及びスペクトル積分ケースのほかに、透過値から導かれた他のパラメータが使用されてもよい。即ち、例えば、上記のように、同様に空気パラメータの関数である、吸収線のスペクトル幅が決定されてもよい。このとき、屈折率の決定は、式１８ａ及び式１８ｂに類似の方法で行われる。
【００４２】
上記の式は、分光学的に決定された平均的な空気温度偏差ΔＴＭＳＷ及びΔＴＲＳＷが、干渉計により透過される空気柱と同じ空気柱を測定することを意味する。したがって、測定光路ＭＳＷに対してのみならず基準光路ＲＳＷに対してもまた、分光計ユニットのレーザ光線は、干渉計の光線束に対して、好ましくはできるだけコリニアに又は反コリニアに走行しなければならない。さらに、空気温度分布の同じ横方向重みづけを可能にするために、干渉計及び分光計ユニットの光源の光線断面ないしは光線プロフィルは同じであるべきである。
【００４３】
しばしば使用される、その基準光路ＲＳＷが完全に又はほぼ完全にガラス内を走行する干渉計においては、屈折率ｎＲの決定は必要ではなく、式３の代わりに次の式１９が成立する。
ｎｅｆｆ＝ｎＭ                              （１９）
分子共鳴として、基本的に、分子が光学的に十分に吸収するように働くかぎり、電子状態遷移、振動状態遷移又は回転状態遷移が適している。電子状態遷移は、一般に、λＳ＜４００ｎｍの紫外線の範囲内にあり、且つ今日利用可能な紫外線レーザ・ダイオードにより（場合により周波数倍加又は周波数３倍加を用いて）測定可能である。出力状態（＝基本状態）の占有密度と温度との関数関係が小さいことにより、上記の式はある程度簡略化される。紫外線範囲内における好ましい分子共鳴として、一般に吸収線はむしろ著しく強いので、むしろ弱い吸収線が適している。代替態様として、紫外線の範囲内における強い分子共鳴においては、なお十分な透過において、線の隣接範囲内の波長λＳが選択されてもよい。
【００４４】
しかしながら、振動状態遷移は、使いやすい、赤又は近赤外線のスペクトル範囲内にあり且つ分光計光源として適切な、狭帯域でコスト的に有利な光源を提供するので、振動状態遷移は特に有利である。振動状態遷移は、例えば、ＤＦＢレーザ・ダイオード、ＶＣＳＥＬのレーザ・ダイオード又はλＳ＝０．５μｍ ．．． １０μｍのスペクトル範囲内の外部空洞を有するレーザ・ダイオードである。ＤＦＢレーザの典型的な線幅は１０ＭＨｚ以下にあり、一方、正常な空気条件における代表的な振動状態分子遷移の線幅は３ＧＨｚの範囲内にあり、したがって、レーザの線幅よりも明らかに大きい。これは、このことにより、検出される吸収効果は特に顕著となるので,有利である。
回転状態遷移は、基本的に、λＳ＞１０μｍの波長範囲内の量子カスケード・レーザ・ダイオードにより測定可能である。
【００４５】
本発明による装置及び方法のさらなる改善は、複数の吸収線の測定により提供可能である。これらの測定は別々に行われるべきであり、また、例えば分光計光源の拡大された同調により時間的に相前後して行われてもよい。測定された他の吸収線は、同じ空気成分εに関係しても、又は異なる空気成分ε１、ε２、ε３、．．．に関係してもよい。追加の情報により、例えば空気組成の変動が補正されてもよい。この場合、水蒸気（Ｈ２Ｏ）は空気組成内において最大の変動を与えるので、第２の空気成分のほかに、水蒸気（Ｈ２Ｏ）を直接測定することが特に有利である。その中にガスが導かれなければならない適用においては、このガス濃度が同様に付属の吸収線によって直接測定されてもよい。このときには、このガス源を干渉計光路から遮蔽することは、もはや必要ではない。
【００４６】
クラマース・クローニッヒの関係式により、分散過程、即ち、λ＝λＲにおける分子共鳴の範囲内の屈折率ｎ（λ）の変化もまた分子遷移の各吸収線と結合され、これに関しては、例えば図１が参照される。この分散過程は吸収線のスペクトル幅Δλの範囲内において負の勾配（異常分散）を有している。吸収測定及び分散測定は、クラマース・クローニッヒの関係式により相互に変換可能な等価の情報を提供する（Ｃｒａｉｇ  Ｒ．Ｓｃｈｗａｒｚｅほか、「位相ベース度量衡システムを用いてガス濃度を求める方法」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ  ３７，Ｎｒ．１８，３９４２−３９４７，１９９８参照）。しかしながら、分散効果は実際には吸収効果より本質的に弱いので、検出するのがむずかしい。即ち、簡単な原子の振動モデルから、共鳴の内部における最大屈折率変化ΔｎＭＡＸ及び最大吸収変化ΔαＭＡＸは次の関係にあることが得られる。
ΔｎＭＡＸ≒λ／２π・ΔαＭＡＸ                  （２０）
【００４７】
λ≒６００ｎｍにおいてΔαＭＡＸ≒０．０１ｍ−２を有する典型的な振動状態遷移に対して、ΔｎＭＡＸ≒１０−９が得られる。これは、測定区間１ｍ当たり僅か１ｎｍの干渉計内の見かけの長さ変化に対応し、このことは、実際にほとんど検出不可能である。他方で、測定区間１ｍ当たり１％の付属の吸収は、簡単且つより高い精度で表示可能である。このことから、吸収測定が分散測定に比較して特に有利であることがわかる。
【００４８】
続いて、この理論的説明ののちに、ここで、本発明による干渉計装置の具体的な実施例並びにその作動方法を説明する。
第１の実施例
本発明による干渉計装置の第１の実施例の概略が、図２ａ及び図２ｂに示されている。図２ａは干渉計装置の光路を示し、図２ｂは付属の信号処理装置を表わす。
本発明による干渉計装置は、例えば、１つ又は複数の測定方向に移動可能な測定体の高精度位置決定に使用可能である。これに対応する用途として、いわゆる半導体製造において、例えばウェーハ・ステッパのテーブルの位置を決定する際に使用可能である。しかしながら、このほかに、本発明による干渉計装置は、測定体のトポグラフィーの高精度測定のためにも使用可能である。この場合には、測定アーム内に配置されている測定体の表面に関する位置決定が行われる。
【００４９】
図２ａの例においては、本発明による干渉計装置の干渉計１０並びに分光計ユニット５０が示されている。信号を処理する種々の構成要素が図２ｂに示されている。
この実施形態においては、干渉計１０は、干渉計光源１１、例えば、直線偏光された、波長λＩを有する光線束を放出する適切なレーザを含む。波長λＩは例えばλＩ＝５００ｎｍ ．．．．． １５００ｎｍに選択可能である。特に好ましい波長は、例えばλＩ＝６３３ｎｍ又はλＩ＝５３２ｎｍである。図２ａにおいては、以下に説明される図においても同様に、説明されるべき干渉計１０の光路は実線で示されている。干渉計光源１１から放出された光線束は、第１のビーム・スプリッタ要素１２を通過した後に第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３に当たり、ここで、光線束の２つの部分光線束へ分割され、部分光線束は、干渉計１０の測定アームＭ及び基準アームＲに供給される。第１のビーム・スプリッタ要素１２は、この場合、２色ビーム・スプリッタとして形成され、第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３は、既知の偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成されている。
【００５０】
測定アーム及び基準アームＭ、Ｒ内において、部分光線束は、それぞれλ／４波長板１４、１５を通過したのちに、再帰反射要素１６、１７に衝突し、再帰反射要素１６、１７から、部分光線束は再び干渉計ビーム・スプリッタ要素１３の方向に反射して戻される。再帰反射要素１６、１７は、この例においては、既知のトリプル・プリズムとして形成されている。
干渉計１０の基準アームＲ内の再帰反射要素１７は固定配置され、これに対して、この実施例においては、干渉計１０の測定アームＭ内の再帰反射要素１６は、その位置が決定されるべき、図示されていない測定体と共に、示されているＸ方向（測定方向）に移動可能に配置されている。
【００５１】
再帰反射要素１６、１７から反射して戻された部分光線束が新たに通過したのちに、部分光線束は、再びそれぞれのλ／４波長板１４、１５を通過し、且つ最終的に第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３によって重ね合わされる。重ね合された部分光線束は、それに続いて、第２の２色ビーム・スプリッタ要素１８を通過したのちに、干渉計検出ユニット２０の方向に伝搬する。
干渉計検出ユニット２０内に、ニュートラル・ビーム・スプリッタ立方体として形成された第２の干渉計ビーム・スプリッタ要素２１が設けられ、第２の干渉計ビーム・スプリッタ要素２１を介して、一対の部分光線束の、２つの検出装置２２．１、２２．２の方向への分割が行われる。
【００５２】
第１の検出装置２２．１は、他のλ／４波長板２３、偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成された第３の干渉計ビーム・スプリッタ要素２４及び後続配置された２つの干渉計検出要素２５、２６を含む。両方の干渉計検出要素２５、２６の出力端に干渉計信号Ｓ１１、Ｓ１２が発生する。
第２の検出装置２２．２は、同様に偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成された第４の干渉計ビーム・スプリッタ要素２７並びに後続配置された２つの干渉計検出要素２８、２９を含む。両方の干渉計検出要素２８、２９の出力端に他の干渉計信号Ｓ１３、Ｓ１４が発生する。干渉計検出要素２５、２６、２８、２９は検出器アレイとして形成されていることが好ましい。
【００５３】
図示されてはいないが、両方の偏光させる干渉計ビーム・スプリッタ要素２４及び２７の偏光軸は、ビーム方向に見て、偏光させる干渉計ビーム・スプリッタ要素１３の偏光軸に対して４５°だけ傾けられている。これにより、測定アームＭ及び基準アームＲの両方の部分光線束は干渉させられる。
干渉計検出要素２５、２６、２８、２９から発生された干渉計信号Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４は、それに続いて、測定体の位置に対する尺度を示す、干渉計１０の当該光学路程差ＯＰＤに関する測定変数を発生させるために、既知のように評価される。
【００５４】
ここで使用される信号処理を含む、図２ａに示されている干渉計１０の変更態様は、従来技術から既知の干渉計に対応する。この場合、作動及び評価するためにホモダイン法のみならずヘテロダイン法もまた使用可能である。
干渉計１０の測定アーム及び基準アームＭ、Ｒの少なくともいずれか内の空気の屈折率の変動を測定するために測定手段を使用することが好適である。即ち、本発明は、このために、干渉計１０内へのその組込みが以下に説明される対応測定手段として、分光計ユニット５０を使用するように設計されている。分光計ユニット５０の機能に関して光線束の光路は、図２ａにおいて破線で示されている。
【００５５】
分光計ユニット５０は、直線偏光された波長λＳを有する光線束を放出するレーザとして形成されている分光計光源５１を含む。この場合、分光計光源５１から放出された光線の波長λＳは、上記の理論的重ね合わせに対応して、波長λＳが少なくとも１つの空気成分εの吸収線の範囲内にあるように選択されている。例えば、この吸収線は、７２３．５ｎｍの水の吸収線又は７６１ｎｍにおける酸素の吸収線である。この場合、このとき同様に、分光計光源５１は７２３．５ｎｍ〜７６１ｎｍの光線を放出する。基本的に、空気成分Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２等の少なくとも１つの吸収線の範囲内における分光計光源の波長を選択することもまた考えられる。空気成分の吸収線の包括的な構成は、Ｌ．Ｓ．Ｒｏｔｈｍａｎ等による「ＨＩＴＲＡＮ  ｄａｔａｂａｓｅ：１９８６年版」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２６  Ｎｏ．１９（１９８７），Ｐ．４０５８−４０９７に記載されている。
【００５６】
さらに、著しく異なる吸収の温度係数を有する複数の吸収線の測定が有利であることがわかっている。同様に、それぞれの分光計光源のスペクトル幅がそれぞれの吸収線のスペクトル幅に等しいか又はそれより小さいとき、それは十分である。
分光計光源５１の波長設定及び波長変調のために、レーザ・ダイオードの波長と温度及び電流との関数関係を利用することが有利である。温度は、例えば、レーザ・ダイオードがそれに装着されているペルチエ要素により制御可能である。レーザ・ダイオードの作動温度を適切に選択することにより、波長の概略設定が行われる。微調整及び場合により急速変調もまた、場合により変調された対応する作動電流によって達成される。外部空洞レーザ・ダイオード又は後方に配置された光学変調を有するレーザ・ダイオードは、その代わりとなる波長調整及び波長変調が可能となる。
【００５７】
分光計光源５１から放出された光線束は、第１のビーム・スプリッタ要素１２を介して９０°だけ転向され、且つこれにより干渉計光源１１の光線束にコリニアに重ね合わされる。それに続いて、干渉計光路内においてと同様に、第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３を介して分光計光源５１からの光線束の分割が行われる。測定アーム及び基準アームＭ、Ｒ内において、分光計光源５１の部分光線束は、同様にλ／４波長板１４、１５を通過したのちに、部分光線束は再帰反射要素１６、１７に衝突し、再帰反射要素１６、１７から光線束は再び干渉計ビーム・スプリッタ要素１３の方向に反射して戻される。再度λ／４波長板１４、１５を通過した後に、分光計光源５１の部分光線束は、最終的に、再び第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３に到達し、ここで、部分光線束は重ね合わされて部分光線束の重ね合わせ対となり、重ね合わ対は、干渉計光源１１の部分光線束と同様に、第２のビーム・スプリッタ１８の方向にさらに伝搬する。第２のビーム・スプリッタ要素１８を介して、分光計光源５１の部分光線束は干渉計光源１１の部分光線束から分離され、且つそれに続いて、分光計検出ユニット５２の方向に伝搬する。分光計検出ユニット５２内において、部分光線束は、はじめに、偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成されている分光計ビーム・スプリッタ要素５３に到達する。そこで、入射光線束は２つの部分光線束に分割され、部分光線束は、それに続いて、後方配置された２つの分光計検出要素５４、５５の方向に伝搬する。第１の分光計検出要素５４を介して、予め干渉計１０の測定アームＭを通過した部分光線束が測定される。第２の分光計検出要素５５を介して、予め干渉計１０の基準アームＲを通過した部分光線束が測定される。この場合、分光計ビーム・スプリッタ要素５３は、第３及び第４の干渉計ビーム・スプリッタ要素２４、２７とは異なり、測定アーム及び基準アームＭ、Ｒからの部分光線束の干渉が行われないように形成ないしは配向されている。したがって、分光計検出要素５４、５５を介して、それぞれ測定アーム及び基準アームＭ、Ｒ内の通過路に関する吸収信号を示す分光計信号ＳＳ１、ＳＳ２が測定される。有利な一形態においては、分光計検出要素５４、５５は検出器アレイとして形成されている。具体的には、この例において、本発明により、測定アーム及び基準アームＭ、Ｒの少なくともいずれかにおける分光計光源波長λＳに関する空気成分εの吸収を表わす分光計信号ＳＳ１、ＳＳ２が発生される。
【００５８】
第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３並びに干渉計の測定アーム及び基準アーム内の両方のλ／４波長板１４、１５は、干渉計光源１１の部分光線束が通過するのみならず、分光計光源５１の部分光線束も通過する。したがって、これらの構成要素は、両方の波長λＩ及びλＳにおけるそれらのそれぞれの偏光光学特性を満たさなければならない。したがって、これらの要素の偏光光学的に作用する対応層の特定の最適化が必要である。この場合、この最適化に対して、両方の波長λＩ及びλＳが相互にきわめて接近して選択されたとき、それは有利であることがわかった。
【００５９】
ここで、以下に、図２ｂを参照して、本発明による干渉計装置内の干渉計１０及び分光計ユニット５０の種々の信号Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、ＳＳ１、ＳＳ２を処理するための例を説明する。
図２ｂに示されるように、分光計信号ＳＳ１、ＳＳ２は、増幅器要素６１．１、６１．２を介して増幅され且つＡ／Ｄ変換器要素６２．１、６２．２を介してディジタル化された後に、第１のプロセッサ・ユニット６３に供給される。
【００６０】
第１のプロセッサ・ユニット６３はさらに、分光計光源５１の波長λＳを制御し、且つ波長λＳを、その吸収特性が決定される少なくとも１つの空気成分εの少なくとも１つの吸収線の範囲内に同調させる。この場合、同調範囲の中央波長は、それが対応する空気成分εの吸収最大と一致するか又はそれに対して固定間隔にあるように選択される。ここで、このような同調過程に対するサイクル時間はできるだけ短く選択されるべきである。１０ｍｓ〜１μｓの範囲内の値が有利であることがわかった。同時に、このために、測定アーム及び基準アームＭ、Ｒ内における透過Ｔε，Ｍ（λＳ）及びＴε，Ｒ（λＳ）の測定が行われる。
【００６１】
分光計信号ＳＳ１、ＳＳ２の信号レベルは、空気内の吸収の関数であるのみならず、反射特性又は透過特性並びに干渉計の全ての構成部品の位置公差及び形状公差の関数でもあるので、不所望のこれらの信号部分はできるだけ補正されるべきである。このために、波長λＳの同調過程の間に、空気成分εの吸収最大内及び吸収線の外側の分光計信号ＳＳ１、ＳＳ２が決定され且つ差が形成される。この差は、空気成分εの吸収及び分光計光源５１の光出力の関数であるにすぎない。後者は図示されていない形で安定化されるか、又は同様に測定され且つそれに対応して換算される。
【００６２】
この実施例においては、分光計信号ＳＳ１、ＳＳ２のほかに、第１のプロセッサ・ユニット６３に、さらに、略図で示されている屈折率決定手段６４からの出力信号ＲＨ０、Ｔ０、ｐ０が存在する。この実施例においては、屈折率決定手段６４は、同様に、屈折率の変動を測定するための上記の測定手段に付属し、及び具体的には、測定アーム及び基準アームＭ、Ｒの少なくともいずれかの範囲内の空気の平均的な屈折率を決定するために使用される。通常、屈折率決定手段６４は複数のセンサ６４．１、６４．２、６４．３を含み、これらのセンサは、測定アーム及び基準アームＭ、Ｒの少なくともいずれかの範囲内の相対空気湿度ＲＨ、空気温度Ｔ及び空気圧ｐに対する公称測定値を、第１のプロセッサ・ユニット６３に提供する。
【００６３】
この例においては、第１のプロセッサ・ユニット６３は、屈折率決定手段６４の信号及び分光計信号ＳＳ１、ＳＳ２から、理論の部分において上で説明された式１８ａ、１８ｂを介して、測定アーム及び基準アームＭ、Ｒ内の局部的な屈折率ｎＭ及びｎＲに対する値を決定する。このように決定されたｎＭ及びｎＲに対する値は、第１のプロセッサ・ユニット６３の出力信号として、後続処理のために後続配置された補正ユニットに供給される。
【００６４】
このように構成する代わりに、第１のプロセッサ・ユニット６３は、この場合もまた、入力側に存在する分光計信号ＳＳ１、ＳＳ２から、測定アーム及び基準アームＭ、Ｒの少なくともいずれか内の空気の屈折率ｎＭ、ｎＲの変動が決定可能であり、且つそれに対応する出力信号が後続処理のために提供されるように、設計されていてもよい。このような変更態様においては、屈折率決定手段の出力信号の評価は、基本的には必要ではない。
図２ｂから同様にわかるように、この例においては、干渉計信号Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４は第２のプロセッサ・ユニット６５に供給され、第２のプロセッサ・ユニット６５は、既知のように、光学路程差ＯＰＤを決定し、且つこれを出力信号として後続処理のために補正ユニット６６に供給する。
【００６５】
補正ユニット６６は、入力側に存在する式（３）による屈折率ｎＭ及びｎＲに関する信号を介して、はじめに、測定アーム及び基準アームＭ、Ｒの少なくともいずれかに対する有効屈折率ｎｅｆｆが決定されるように形成され、次に、この有効屈折率ｎｅｆｆを、干渉計信号、即ち光学路程差ＯＰＤのために提供された対応する干渉計信号Ｓ１３、Ｓ１４、ＳＳ１、ＳＳ２と組み合わせて、式（２）により、出力側に、測定変数として該当する幾何路程差ＧＰＤないしは測定アームＭ内の測定体の位置に関する補正位置信号を発生するように処理可能である。
【００６６】
狭帯域分光計光源５１の波長λＳの直接同調の代わりに、そのスペクトル範囲が少なくとも１つの空気成分εの少なくとも１つの吸収線をカバーする広帯域分光計光源５１が設けられるように設計されてもよい。この場合、図２ａ内のビーム・スプリッタ要素５３の直前に、ファブリー・ペロ干渉計が配置される。これは、第１のプロセッサ・ユニット６３を介して、その吸収特性が決定される少なくとも１つの空気成分εの少なくとも１つの吸収線の範囲内において同調される。
分光計光源の同調範囲の制御又はファブリー・ペロ干渉計の同調は、この場合、それぞれの中央波長がその吸収特性が決定される空気成分εの吸収最大に対して固定間隔となるように行われてもよい。
【００６７】
図２ｂに示されているプロセッサ・ユニット６３、６５並びに補正ユニット６６は、ソフトウェア及びハードウェアの少なくともいずれかにより任意の方法で形成されてもよいことは当然であり、即ち図２ｂに示されている種々の構成要素の分割は、本発明による干渉計装置内の信号処理を簡単に説明するためにのみ使用されたものである。例えば、屈折率ｎＭ及びｎＲの代わりに、屈折率の変動を表わす他のパラメータが、第１のプロセッサ・ユニット６３から補正ユニット６６に伝送されてもよい。
【００６８】
第２の実施例
本発明による干渉計装置の第２の実施例を、以下に図３ａ及び３ｂを参照して説明する。図３ａは同じく光路を示し、図３ｂによりこの変更態様における信号処理を説明する。その他の点においては、図３ａ及び３ｂの例は、上記の理論の部分において「スペクトル積分ケース」として表わされた変更態様である。
干渉計１０の光学的構成は、この変更態様においてもまた、上述した図２ａの実施例の光学的構成に対応している。したがって、それに関してさらに詳細に説明することは省略する。
使用される干渉計１０に関する僅かな相違として、ここでは基準アームＲがきわめて短く選択されているので、基準アームＲにおける屈折率ｎＲの測定及び補正は必要ではない。
【００６９】
干渉計１０の測定アームＭ内の空気の屈折率ｎＭの変動を測定するための測定手段として、同様に、分光計ユニット１５０が設けられている。分光計ユニット１５０は新たに分光計光源１５１を含み、分光計光源１５１は波長λＳを有する光線束を放出する。放出された光線束は、干渉計１０の測定アームＭ内において、２色ビーム・スプリッタとして形成されたビーム・スプリッタ要素１５３を介して、干渉計１０の測定アーム部分光線束に重ね合わされる。したがって、この例においては、分光計光源１５１からの光線束と、干渉計光源１１の測定アーム部分光線束との重ね合わせは、第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３の後方においてはじめて行われる。再帰反射要素１６を介しての分光計光源１５１の光線束の再帰反射ののちに、ビーム・スプリッタ要素１５３は、この光線束を再び干渉計光源１１の部分光線束から分離し、且つこの光線束を分光計検出要素１５４の方向に導く。分光計検出要素１５４は、再び、それぞれの空気成分ε内の波長λＳの吸収に関する分光計信号ＳＳ１を提供する。
【００７０】
したがって、この実施例においては、干渉計１０と分光計ユニット１５０との光線方向は相互に逆方向に、即ち反コリニアに伸長している。この変更態様の利点として、両方の波長λＳ及びλＩに対して特定の偏光光学的構成要素は必要ではないことが挙げられる。さらに、分光計ユニット１５０の全ての光学装置は、ビーム・スプリッタ要素１５３を含めて、略図で示されているように、別のユニット内に収納されてもよい。しかしながら、このユニットは、基本的に、できるだけ完全な測定アームＭ内における屈折率ｎＭの本発明による測定を確実に行い且つ補償されない空気路を回避するために、できるだけ第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３の近くに配置されるべきである。
基本的に、屈折率測定の精度を向上させるために、特に基準アームＲを例えばより長くすべき場合には、対応する分光計ユニットを、干渉計１０の基準アームＲ内に配置することもまた可能である。
【００７１】
本発明による干渉計装置の第２の実施形態の信号処理を、図３ｂの略図を参照して説明する。この場合、図２ｂの例においてと同じ機能を有する構成要素には同じ符号が付けられている。
干渉計信号Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４の処理は、第１の例においてと同様に、第２のプロセッサ・ユニット６５を介して行われ、第２のプロセッサ・ユニット６５の出力端に、干渉計内の光学路程差に関する信号ＯＰＤが提供される。
第１のプロセッサ・ユニット６３には、前の例においてと同様に、再び、略図で示された屈折率決定手段６４ないしは対応するセンサ６４．１、６４．２、６４．３の出力信号ＲＨ０、Ｔ０、ｐ０が供給される。
【００７２】
さらに、第１のプロセッサ・ユニット６３を介して、分光計光源１５１の波長λＳが周波数ｆにより急速に変調される。周波数ｆは、可能な一実施形態においては、例えばｆ＝２００ｋＨｚであり、周波数ｆは通常、１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの間の範囲にある。この結果、この変調に基づいて、急速に変調された対応する分光計信号ＳＳ１が発生される。分光計信号ＳＳ１は増幅器要素１６１を介して増幅され、且つ２つの帯域フィルタ１６７．１、１６７．２に供給される。両方の帯域フィルタは、通過周波数がｆ又は２ｆである。帯域フィルタ１６７．１、１６７．２の後方に第１のプロセッサ・ユニット６３が配置され、第１のプロセッサ・ユニット６３は、増幅され且つ帯域フィルタリングされた分光計信号ＳＳ１から、ロック・イン増幅器を用いてこの信号の振幅及び位相位置を決定する。第２高調波２ｆにおける信号振幅は、吸収線にわたりスペクトル的に平均化されたそれぞれの空気成分ε内の透過を含み、その理由は、各変調周期内に、吸収最大は２回通過されるからである。第１の実施例において説明されたように、好ましくない信号の影響を補償するために、吸収最大内の信号レベルと及びスペクトル線の外側の信号レベルとからの差の形成はここでは自動的に行われ、その理由は、分光計信号ＳＳ１の振幅のみが検出されるのではなく、そのオフセットが検出されるからである。この実施形態においては、アナログ平均により、例えば第１の実施例において必要であったような通常ならば必要な計算量の多い数値積分は必要ではない。したがって、第２の実施例においては、分光計光源１５１の作動は、明らかにより高い変調周波数又は同調周波数ｆにより可能であり、これにより、特に、高い精度が達成可能である。基本波ｆにおける振幅及び位相位置は、波長λＳに対するオフセット制御ユニットに供給される。吸収線が波長変調に対して中央に存在するときにのみ、この振幅は最小となる。波長変調のオフセットが吸収線を超えてシフトした場合、分光計信号ＳＳ１の基本波ｆの位相は１８０°だけ変化し、このことがオフセット制御のために使用可能である。この実施形態の評価方法に関しては、例えば、文献、Ｔ．Ｆｅｒｎｈｏｌｚ等による「急速に変化する透過条件のもとでの現場におけるダイオード・レーザ分光計のためのディジタル位相の敏感な検出」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ７５，Ｐ．２２９−２３６，（２００２）に開示されている。
【００７３】
第３の実施例
本発明による干渉計装置の第３の実施例を、以下に図４により説明する。この場合、基本的に、最初の２つの例においてと同じ信号処理が実行可能であるので、信号処理の個別の説明は省略される。第３の実施例の場合、ここでも同様に、第２の例とはスペクトルの選択方法において異なっている。
既に説明された２つの例との他の相違として、本発明による干渉計装置のこの実施形態においては、ここでは、干渉計１０が、基本的に従来技術から既知のような、いわゆる平面鏡干渉計として形成されている。
【００７４】
この場合、干渉計光源１１１から放出された光線束は第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１１３に供給され、第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１１３は、偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成されている。干渉計ビーム・スプリッタ要素１１３を介して、入射光線束は、測定光線及び基準光線に分割される。測定光線の部分光線束は測定アームＭ内においてλ／４波長板１１４を通過し、第１の平面鏡反射要素１１６．１において反射され、次に新たにλ／４波長板１１４を通過する。同様に、基準光線の部分光線束は、λ／４波長板１１５を通過して第２の平面鏡反射要素１１６．２の方向に、それに続いて、再びλ／４波長板１１５内を通るように転向される。両方の部分光線束は干渉計ビーム・スプリッタ要素１１３内において重ね合わされ、この場合、両方の部分光線束は相互に直交して偏光されている。両方の部分光線束は、トリプル・プリズムとして形成されている再帰反射要素１１７に到達し、そこで再帰反射され、且つそれらの異なる偏光に基づいて干渉計ビーム・スプリッタ要素１１３内において再び分割される。λ／４波長板１１４を新たに通過し、第１の平面鏡反射要素１１６．１及びλ／４波長板１１４を通過した後に、ないしはλ／４波長板１１５、第２の平面鏡波長板１１６．２及びλ／４波長板１１５を通過した後に、部分光線束は、干渉計ビーム・スプリッタ要素１１３内において最終的に再び重ね合わされ、且つ検出ユニット１２０に供給されて、既知のように４つの位相シフトされた干渉計信号Ｓ１１、．．．．、Ｓ１４を発生する。第１の平面鏡反射要素１１６．１は、この例においては、測定方向Ｘに沿ってその位置が測定されるべき測定反射体を示す。
【００７５】
この実施形態の分光計ユニット２５０は分光計光源２５１を含み、分光計光源２５１は、直線偏光された光線束を、偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成された分光計ビーム・スプリッタ要素２５３に、この光線束のみが透過されるように供給する。この光線束はλ／４波長板２５５を通過し、及び干渉計１００の測定アームＭ内のビーム・スプリッタ要素２５７を介して、干渉計光線束に対してコリニアに転向される。ビーム・スプリッタ要素２５７は、例えば２色ビーム・スプリッタとして形成されている。
【００７６】
平面鏡反射要素１１６．１及びビーム・スプリッタ要素２５７において反射したのち、分光計光線束は再びλ／４波長板２５５に到達し、したがって、偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成されている分光計ビーム・スプリッタ要素２５３から反射される。再帰反射要素２５６は分光計光線束をオフセットして再帰反射するので、分光計光線束は分光計ビーム・スプリッタ要素２５３において再び反射される。分光計光線束は、改めて構成要素２５５、２５７、１１６．１、２５７及び２５５を介して分光計ビーム・スプリッタ要素２５３に到達し、分光計ビーム・スプリッタ要素２５３は、このとき、分光計光線束を、回転偏光に基づいて透過させる。分光計光線束は、最後に、分光計検出要素２５４により測定され、分光計検出要素２５４は対応する分光計信号ＳＳ１を提供する。再帰反射要素２５６の光線オフセットは、重ね合わされた干渉計１００及び分光計ユニット２５０の光線束が平面鏡反射要素１１６．１とビーム・スプリッタ要素２５７との間でコリニアに走行するように選択される。
【００７７】
この実施例においては、全ての偏光光学的構成要素がそれぞれ、波長λＩ又はλＳに対してのみ設計され、このことは、製造を著しく簡単にする。同様に、分光計ユニット２５０は、別の構造ユニットとして設計されてもよい。
信号評価は、本発明による干渉計装置の第１又は第２の実施形態においてと同様に行うことが可能である。代替態様として、分光計ユニットの波長が、それぞれの吸収線の吸収最大に制御されてもよい。対応する制御方法は文献から既知である。
【００７８】
第４の実施例
本発明による干渉計装置の第４の実施例を、以下に、同様に種々の光路の略図を示す図５により説明する。
原理的に、第４の実施例は、前に説明された本発明による干渉計装置の第３の実施例に基づいている。即ち、この変更態様においては、図５の下部部分内に示されている図４に示した干渉計装置１００のほかに、上部部分に、さらに、第３の実施例に示したのと同じような干渉計装置１００′が設けられている。したがって、第４の実施例は、第３の実施例による２つの干渉計装置１００、１００′を含む。
【００７９】
同様に、この変更態様においては、干渉計１００、１００′に付属の２つの分光計ユニット２５０、２５０′が設けられており、分光計ユニット２５０、２５０′は、上記の第３の実施例の場合と同様に形成されている。
したがって、図５の下部部分においては、第３の実施例においてと同じ機能を有する干渉計１００ないしは分光計ユニット２５０の種々の構成要素に対して同じ符号が使用され、上部部分においては、対応する構成要素にマーク「 ′」が付けられている。
【００８０】
干渉計１００、１００′のみならずそれに付属の両方の分光計ユニット２５０、２５０′もまた、両方とも、同じ干渉計光源１１１ないしは分光計光源２５１から光線が供給される。干渉計光源１１１ないしは分光計光源２５１の光線束から、追加の干渉計１００′ないしは追加の分光計ユニット２５０′に光線を供給するために、追加のビーム・スプリッタ要素１９．１、２５９．１を介して、それぞれの光線束は分離され、且つ他の転向要素１９．２ないしは２５９．２、２５９．３、２５９．４を介して追加のユニット１００′、２５０′に供給される。
【００８１】
干渉計１００及び分光計ユニット２５０を有する図５の下部部分内の干渉計装置は、この例においては、本来の測定装置として機能し、干渉計１００′及び分光計ユニット２５０′を有する図５の上部部分内の干渉計装置は、校正装置として機能する。校正装置の干渉計１００′はおそらく既知となっている固定の測定区間を有し、即ち、平面鏡反射要素１１６．１′は測定区間に沿って可動ではない。このとき、校正装置を介して、式（１８ａ）又は（１８ｂ）からの係数αε０、βε、又はα′ε０、β′εが校正可能であり、したがって、空気組成の変化もまた補償可能である。このために、式２、３及び１８ａ又は１８ｂに基づき、線形均等化計算により、係数αε０、βε又はα′ε０、β′εは、測定された幾何路程差ＧＰＤが、校正干渉計の既知の実際幾何路程差に対して最小二乗偏差を有するように決定される。
【００８２】
第５の実施例
図６に、本発明による干渉計装置の第５の実施例における光路が概略図で示されている。以下に、前の変更態様に対する本質的な相違のみを説明する。
本発明による干渉計装置は、ここでは、組み合わせ干渉計／分光計ユニット装置を含み、組み合わせ干渉計／分光計ユニット装置には、同じないしは共通の光源３５１から光線が供給される。これは、この例において、光源３５１は、干渉計光源としてのみならず分光計光源としてもまた機能することを意味する。光源３５１の波長λＩ＝λＳは、同様に、空気成分εの吸収線の範囲内に選択されている。
この光源３５１を介して、一方で、干渉計１０００に光線が供給され、干渉計１０００は差動平面鏡干渉計として形成され、且つ第４の実施例の干渉計と類似に形成されている。第４の実施例とは異なり、平面鏡基準反射体１６００．２も同様に測定方向Ｘに移動可能に設計されている。
【００８３】
偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成された第１の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３００から第２の干渉計ビーム・スプリッタ要素１８００の方向に放出された光線束は、相互に直交する偏光を有する、測定区間及び基準区間の両方の部分光線束を含む。偏光させないビーム・スプリッタとして形成された第２の干渉計ビーム・スプリッタ要素１８００を介して、この光線束の一部は、分光計検出ユニット５００内において吸収を検出するために分岐され、且つ偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成された分光計ビーム・スプリッタ要素５２０に供給される。この結果、両方の部分光線束は分割されて分光計検出要素５４０、５５０に転向され、且つ相互に干渉可能ではない。したがって、分光計検出要素５５０を介して、干渉計１０００の測定アームＭ内の吸収が測定され、分光計検出要素５４０を介して、干渉計１０００の基準アームＲ内の吸収が測定される。
【００８４】
干渉計検出要素２５００、２６００、２８００、２９００を介して、第１の実施形態においてと同様に、はじめに、干渉計１０００の位相シフトが決定される。光源３５１の波長λＩ＝λＳは吸収線の範囲内において同調可能である。同調は高い変調周波数ｆで行われることが好ましい。干渉計位相は、同様に、この波長変調により変調される。変調周期にわたる干渉計位相の平均化＜ΦＳ（λＳ）＞により、又は変調周期内の常に同じ走査時点における同期走査により、もはや波長変調により影響されない、位置測定に対する安定な位相値が得られる。
【００８５】
吸収測定に基づく共通光源３５１の中央波長の制御により、光源波長λＩ＝λＳの吸収線への安定化が自動的に行われる。これは特に、光源３５１として半導体レーザを使用したときに有利である。この場合、周波数基準ないしは波長基準として例えばルビジウムが満たされている高価なガス・セルは必要ではなく、その理由は、測定アームないしは基準アームＭ、Ｒ内の空気成分εが使用されるからである。長さ測定及び吸収測定のために光源３５１及び大部分の干渉計構成要素を共通して使用することにより、この実施例は、さらに簡単に、したがって、コスト的に有利に形成可能である。
【００８６】
第６の実施例
最後に、本発明による干渉計装置の第６の実施例を、図７を参照して説明する。以下の説明においては、同様に、前の変更態様に対する本質的な相違のみを説明する。
この例に使用されている干渉計１０の構造は、この場合、図２ａ又は３ａからの構造と同じであるので、これらの詳細説明は省略する。この実施例の分光計ユニット４５０は前の変更態様とは異なっており、以下にこれを説明する。
【００８７】
分光計光源４５１の光線束は光アイソレータ要素４５９を通過し、光アイソレータ要素４５９は、分光計光源４５１の共振子内の迷光の再帰反射を阻止する。このようにして、分光計光源４５１は安定に作動可能である。分光計光源４５１の光線束は、次に、ビーム・スプリッタ要素４５７において分割される。反射された部分光線束は、分光計検出要素４５５により検出され、且つ基準信号として、分光計光源４５１の出力に対する尺度を示す分光計信号ＳＳ２を提供する。分光計光源４５１の透過された部分光線束は、偏光させるビーム・スプリッタ立方体として形成された分光計ビーム・スプリッタ要素４５３に当たる。入射する部分光線束の直線偏光は、この場合、部分光線束が偏光させる分光計ビーム・スプリッタ要素４５３において反射されるように選択されている。それに続いて、この部分光線束は、この部分光線束の直線偏光を９０°だけ回転させるλ／２反射板４５５を通過し、次に、２色ビーム・スプリッタとして形成されたビーム・スプリッタ要素４５８により反射され、且つ干渉計光源１１の部分光線束と反コリニアに重ね合わされる。再帰反射要素１６において再帰反射され且つビーム・スプリッタ要素４５８において新たに反射されたのちに、部分光線束は再帰反射要素４５６に到達し、そこで同様に再帰反射される。偏光方向の回転により、分光計部分光線束は偏光させる分光計ビーム・スプリッタ要素４５３を回折なしに通過し、且つ構成要素４５５、４５８、１６、４５８及び４５６を介して、再び偏光させる分光計ビーム・スプリッタ要素４５３に到達する。λ／２反射板４５５による偏光方向の新たな回転により、部分光線束は、分光計ビーム・スプリッタ要素４５３においてこのとき反射され、且つ鏡ないしは再帰反射要素４６０に到達し、ここで、分光計ビーム・スプリッタ要素４５３の方向への再帰反射が行われる。その後に、偏光させる分光計ビーム・スプリッタ要素４５３は、部分光線束を再び反射し、これにより、光線方向が反転され、且つ部分光線束は、構成要素４５６、４５８、１６、４５８、４５５、４５３、４５６、４５８、１６、４５８、４５５を通過する。偏光させる分光計ビーム・スプリッタ要素４５３により、部分光線束は次に反射され、且つビーム・スプリッタ要素４５７を介して分光計検出要素４５４に到達し、分光計検出要素４５４は分光計信号ＳＳ１を発生する。
【００８８】
ビーム・スプリッタ要素４５８と測定反射体として機能する再帰反射要素１６との間の測定区間は、分光計ユニット４５０の光路内の種々の光学要素に基づき、この装置内において合計４回往復して光線が通過される。したがって、分光計信号ＳＳ１は、第１の実施例においてよりもかなりより高い吸収効果を測定し、このことは、測定精度を著しく向上させる。この実施形態においては、評価側において、分光計信号ＳＳ１が、基準信号として機能する分光計信号ＳＳ２により除算される。これにより、分光計光源４５１の出力の変動は、分光計波長λＳの変調の間に補償されるので、得られた信号Ｓ＝ＳＳ１／ＳＳ２は、空気の吸収のみによって決定される。
【００８９】
本発明の範囲内において、具体的に記載された実施例のほかに、さらに代替形態の可能性が存在することは当然である。
上記の実施形態の修正として、特に、記載されたホモダイン干渉計の代わりに、ヘテロダイン干渉計を使用することが可能である。これを、以下に、図３ａの例により簡単に説明する。この場合、干渉計光源１１は、相互に直交して偏光されている、例えば異なる波長を有するコリニアな２つの光線束を放出する。使用された干渉計光源１１の偏光軸は、第１の波長を有する光線束が測定アームＭ内に導かれ且つ他の光線束が基準アームＲ内に導かれるように、干渉計の干渉計ビーム・スプリッタ要素１３の偏光軸に合わせられる。この場合、干渉計検出ユニット２０は、その前に配置された偏光子を有する１つの検出器のみを含み、検出器は、干渉計ビーム・スプリッタ要素１３から供給された光線束を検出する。検出器により提供された信号は、干渉計光源１１の両方の波長成分の干渉に基づいて変調される。この変調の段階は、対応して適合された第２のプロセッサ・ユニット６５内において既知のように評価され、且つ光学路程差ＯＰＤを提供する。分光計ユニットの構造はこれにより影響されることはない。
【００９０】
また、本発明による干渉計装置内において説明された干渉計タイプのほかに、他の干渉計タイプ、例えばマッハ-ツェンダー干渉計、格子干渉計、角度干渉計及びスペックル干渉計を利用することが可能である。特に、大きな走査間隔を有する格子エンコーダが使用されてもよい。
さらに、本発明による手段、即ち特に分光計ユニットを設けることは、１つ又は複数のカメラ・センサがその場で解像された長さ情報を提供する、画像式干渉計（例えば、フィゾー干渉計、トゥワイマン・グリーン干渉計、等）と組み合わせて使用されてもよい。干渉計のみならず分光計ユニットもまた、このようなその場で解像するカメラ・センサを備えているとき、それは有利である。これにより、干渉計の各画素値は、個々に、分光計ユニットの付属の画素値の評価により、本発明によって補正可能である。説明された第５の実施形態は、この場合、干渉計及び分光計ユニットに対して同じ光源が使用されるので、特に有利である。
【００９１】
干渉に基づく光学装置の少なくとも２つの光路内の少なくとも１つの空気成分の吸収測定による、空気の屈折率変動の本発明による補償は、基本的に、このような各装置に適用される。
さらに、使用される吸収線のスペクトル幅よりも多少大きいスペクトル幅を有する分光計光源を使用することが可能である。この場合、スペクトル幅に関する平均化が自動的に行われる。
第４の実施形態による比較的費用のかかる校正装置の代わりに、基準点を測定区間に沿って動かすことによる基準測定が実行されてもよい。基準点は、付属の基準センサ（例えば容量式又は光学式０点センサ）の信号により指示される。この情報を用いて、再び係数αε０、βε又はα′ε０、β′εが決定される。
【００９２】
さらに、熱の発生を低く抑え且つ簡単な設置を可能にするために、干渉計及び分光計ユニットの少なくともいずれかの光源に対してファイバ伝送を行うことが可能である。
例えば、さらに、必要な費用を最小にするために、干渉計光源及び分光計光源の少なくともいずれかの光線束を複数の干渉軸ないしは付属の分光計ユニットに分配するように設計されてもよい。
さらにまた、例えば、文献、Ｃｈｒ．Ｓ．Ｅｄｗａｒｄｓほか、「大気圧における微少湿度に対するＩＲ同調可能ダイオード・レーザ吸収分光計の開発」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ    ３８，Ｎｏ．２１，２０．７．１９９９に記載されているような、中央波長を制御するための他の変調法が使用されてもよい。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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