ES2205867T3 - Interferometro de alta precision con conductores de luz. - Google Patents

Abstract

Interferómetro para la medición de una diferencia de fases entre un haz de referencia y un haz objeto transformado por un elemento óptico (10) compuesto por un medio de fuente luminosa (2) para generar el haz objeto y el haz de referencia; un dispositivo óptico (3) para permitir la interferencia entre el haz objeto transformado y el haz de referencia en un plano de detección (34); y un medio de detección, para detectar la diferencia de fase entre los frentes de onda del haz objeto transformado y el haz de referencia en el plano de detección (34), caracterizado porque el dispositivo óptico (3) consta de: un primer conductor luminoso (30) con una superficie de entrada que acopla el haz objeto generado por el medio de fuente luminoso (2) en el primer conductor luminoso (30) y con una primera superficie de salida (31) que genera un haz objeto (36) con un frente de onda esférico; un segundo conductor luminoso (32) con una superficie de entrada que acopla el haz de referencia generado por el medio de fuente luminoso (2) en el segundo conductor luminoso (32) y con una segunda superficie de salida (33) que genera un haz de referencia (37) con un frente de onda esférico, siendo dirigido el haz de referencia (37) al plano de detección (34) y en el que la disposición del primer conductor luminoso (30) y el elemento óptico (10) es de tal modo que el haz objeto transformado (36¿) interfiera con el haz de referencia (37) en el plano de detección (34) de modo que el dispositivo óptico (3) no contenga elemento óptico alguno entre el punto en que se generan los frentes de onda esféricos y el plano de detección 34, excepto el elemento óptico (10) que transforma el haz objeto.

Description

Interferómetro de alta precisión con conductores de luz.

La presente invención se refiere a un interferómetro para medir una diferencia de fases entre un haz de referencia y un haz objeto transformado por un elemento óptico, compuesto por un medio de fuente luminosa para generar el haz objeto y el haz de referencia, un dispositivo óptico para permitir la interferencia entre el haz objeto transformado y el haz de referencia en un plano de detección y un medio de detección, para detectar la diferencia de fases entre los frentes de onda del haz objeto transformado y el haz de referencia en el plano de detección.

Un interferómetro de este tipo se divulga en la WO-A1-96-17221 o la patente estadounidense US-A 5076695. El interferómetro conocido tiene la función de medir la precisión superficial de la superficie esférica de un objeto con un alto grado de precisión, sin emplear una superficie de comparación de una forma conocida con exactitud. Anteriormente se colocaba una superficie de comparación de este tipo en la posición de la superficie que tenía que ser comprobada, con el objeto de calibrar el interferómetro. El interferómetro conocido tiene un primer medio óptico para dirigir un haz luminoso esencialmente monocromático, procedente de una fuente luminosa, a lo largo de un primer eje óptico hacia la superficie a comprobar y para dirigir el haz reflejado en el sentido opuesto por el primer eje. Se incorpora asimismo un segundo medio óptico a fin de dirigir el haz luminoso de la fuente luminosa como haz de referencia a lo largo de un segundo eje que atraviesa el primer eje y un medio de interferencia para dirigir el haz reflejado desde la superficie a comprobar hacia el segundo eje a fin de interferir con el haz de referencia. El medio de detección se dispone en el segundo eje a fin de medir las pautas de interferencia producidas por la interferencia del haz reflejado y el haz de referencia. El interferómetro consta además de diafragmas punto, dispuestas en el punto de intersección del primer y segundo eje para transformar el haz luminoso a la superficie que se desea comprobar y el haz de referencia dirigido hacia el medio de detección en ondas esféricas. La exactitud que se logra con este interferómetro conocido es entre \lambda/100 y \lambda/1000.

Se están empleando unas técnicas cada vez más sofisticadas para la fabricación de chips semiconductores y las estructuras semiconductoras se vuelven cada vez más pequeñas. Se utilizará probablemente una técnica de litografía ultravioleta extrema (EUV) para la fabricación de estructuras con una resolución de 0,1 \mum, proyectando con dicha técnica una máscara óptica mediante un sistema de espejos como imagen a escala reducida en el sustrato en el que se elaboran las estructuras. Los espejos de este sistema deben tener una forma extremadamente exacta a fin de obtener los efectos deseados. La exactitud exigida de la medición de la forma de los espejos es aproximadamente 0,1 mm, lo cual, a una longitud de onda de aproximadamente 630 nm (por ejemplo un láser He-Ne) se corresponde con \lambda/63400. El interferómetro ya conocido de comprobación de superficies es, por tanto, insuficientemente exacto para este propósito.

El objeto de la presente invención es proporcionar un interferómetro con una exactitud muy elevada comparada con los interferómetros conocidos.

Dicho objeto se logra por el medio descrito en la Reivindicación 1.

Puesto que el dispositivo óptico del interferómetro no contiene elemento óptico alguno entre el punto en el que se generan los frentes de olas esféricos y el plano de detección, con la excepción del elemento óptico que transforma el haz objeto, el haz objeto (transformado) y el haz de referencia no se distorsionan adicionalmente y la interferencia entre el haz objeto transformado y el haz de referencia es muy limpia. Por consiguiente, es posible conseguir en principio una medición muy exacta de la diferencia de fase entre el haz transformado por el elemento óptico y el haz de referencia en el plano de detección, de una exactitud superior a la exactitud mínima exigida (\lambda/6300). Además, el interferómetro se puede utilizar para reflejar y transmitir elementos ópticos.

Una realización del interferómetro de acuerdo con la presente invención consta además de un medio de procesamiento para calcular la distribución de fases sobre una sección transversal específica del haz objeto transformado en base a la diferencia de fases entre los frentes de onda, las posiciones de las superficies de salida primera y segunda de los conductores de luz primero y segundo respectivamente, la posición del plano de detección y la posición de la sección transversal específica.

La presente realización del interferómetro permite determinar la diferencia de fase con respecto al haz de referencia en una sección transversal específica del haz objeto transformado. Puesto que tanto el haz objeto como el haz referencia tienen frentes de onda esféricos, se proporciona información acerca de la transformación del haz objeto por el elemento óptico y por tanto información de las características ópticas del elemento óptico.

En una realización alternativa del interferómetro según la presente invención, este último consta de un medio de procesamiento para calcular un plano espacial en el que la diferencia de fases entre los frentes de onda tiene una forma específica en base a la diferencia de fases entre los frentes de onda, las posiciones de las superficies de salida primera y segunda de los conductores luminosos primero y segundo respectivamente, la posición del plano de detección, la posición del plano espacial en general y la de un punto específico en el plano espacial. En lugar de determinar la diferencia de fase en una sección transversal específica del haz objeto transformado, esta realización permite determinar un plano espacial en el que la diferencia de fase tiene una forma específica. Un caso concreto de ello es la forma de la diferencia de fase en la que la diferencia de fase es constante. En este caso es necesario determinar una posición del plano espacial, así como un punto en dicho plano espacial que define la diferencia de fase constante.

En una realización preferente del interferómetro de acuerdo con la presente invención, el plano espacial es conformado por la superficie de un cuerpo reflector. Utilizando el interferómetro de acuerdo con la realización es posible determinar posteriormente la forma exacta del cuerpo reflector y hacer esto específicamente porque el plano espacial en el que la diferencia de fase entre el haz objeto y el haz objeto transformado es igual a la diferencia de fase que se produce por reflexión en el cuerpo reflector. En el caso de un cuerpo reflector de material dieléctrico, esta diferencia de fase es exactamente \pi. Si el cuerpo
reflector no es de material dieléctrico, la rotación de fases queda en función del ángulo de incidencia del haz luminoso. El medio de procesamiento puede tener en cuenta este hecho. La forma de un cuerpo reflector se denomina también "figura de forma" o la altura z en función de x e y, que es un parámetro sin dimensiones, una medida de la forma o asfericidad del cuerpo reflector.

En una realización preferente de la invención, dichas posiciones se determinan por un dispositivo de determinación de posición incorporado en el dispositivo óptico. Una salida del dispositivo de determinación de posición está conectada con el medio de procesamiento. Se utiliza un sistema de posicionamiento mediante láser a fin de lograr la exactitud necesaria de determinación de posición.

En una realización preferente, el medio de fuente luminosa y el medio de detección del interferómetro están equipados para detectar la diferencia de fases entre los frentes de onda del haz de referencia y el haz objeto transformado mediante una combinación de un medio heterodino de detección de fases, que determina el módulo de diferencia de fases 2 \pi, y un medio de detección de fases por modulación de frecuencia para determinar la diferencia de fases en múltiplos de 2 \pi, empleándose las dos técnicas de forma independiente y simultánea por el multiplexado de frecuencia del medio de fuente luminosa.

La combinación de dichas dos técnicas garantiza la posibilidad de determinar la diferencia del camino óptico en un punto de detección con suficiente exactitud (la exactitud de las técnicas heterodinas de detección de fase es del orden de magnitud de \lambda/10,000) y por encima de la gama deseada de diferencias de alcances ópticos. Gracias al multiplexado de frecuencia del medio de fuente luminosa, las dos técnicas pueden ser realizadas independiente y simultáneamente, evitando de este modo la posibilidad de introducir errores por la medición modificada en el tiempo de la diferencia de fase de módulo 2 \pi y la diferencia de fase div 2 \pi.

Preferentemente, el interferómetro según la invención se equipa de forma que el medio de detección conste de al menos un fotodetector ubicado en el plano de detección y el medio de detección de fases heterodino conste de una fuente luminosa de frecuencia estabilizada, un primer dispositivo de variación de frecuencia, conectado con la salida de la fuente luminosa de frecuencia estabilizada, para proporcionar dos haces luminosos compensados por una primera diferencia de frecuencia, un fotodetector de referencia, conectado con las salidas del primer dispositivo de variación de frecuencias y, para cada fotodetector, una primera unidad de sintonización conectada con la salida de al menos un fotodetector y la salida del fotodetector de referencia y una unidad de comparación de fases, conectada con la salida de la primera unidad de sintonización.

Puesto que se utiliza la tecnología heterodina, la anchura de banda de al menos un fotodetector debe ser superior a 1 kHz. Por consiguiente, no se puede utilizar detectores CCD y se limita la cantidad total de fotodetectores. Además, se utiliza un láser He-Ne para la fuente luminosa de frecuencia estabilizada por su buena estabilidad y la longitud de onda adecuada.

Asimismo, en una realización preferente, el interferómetro de acuerdo con la presente invención se equipa de tal forma que el medio de detección de fases por modulación de frecuencia conste de una fuente luminosa sintonizable y un segundo dispositivo de variación de frecuencias, conectado con la salida de la fuente luminosa sintonizable, para suministrar dos haces de luces compensados por una segunda diferencia de frecuencia, la segunda diferencia de frecuencia diferente a la primera diferencia de frecuencia y, para cada fotodetector, una segunda unidad de sintonización asociada, conectada con la salida de al menos un fotodetector y un contador de frecuencia conectado con la salida de la segunda unidad de sintonización.

La fuente luminosa sintonizable empleada es preferentemente un láser semiconductor con una cavidad externa. Gracias a la cavidad externa es posible modificar la longitud de onda de los haces luminosos sin cambiar la amplitud. La cavidad externa garantiza también una longitud suficiente de coherencia del haz luminoso, de modo que se obtenga una gama de mediciones suficientemente grande para la técnica FM de medición de fases. Por permitir que se diferencien la segunda y la primera diferencia de frecuencia del dispositivo de variación de frecuencias segundo y primero, respectivamente, se posibilita el multiplexado de frecuencia anteriormente mencionado.

Puesto que el interferómetro consta también de una unidad de determinación de fases para cada fotodetector, conectada con la salida del contador de frecuencias y la salida del comparador de fases, es posible determinar la diferencia de ruta óptica, expresada como la diferencia de fases entre los frentes de onda del haz objeto transformado y el haz de referencia.

En una realización del interferómetro de acuerdo con la invención, el medio de detección consta de una matriz de al menos diez por diez fotodetectores. Puesto que la diferencia de fases entre los frentes de onda del haz objeto transformado y el haz de referencia se determina para todos estos fotodetectores, la forma o asfericidad del cuerpo reflector se puede calcular con una frecuencia espacial adecuada en el medio de procesamiento.

En una realización del interferómetro según la presente invención, el medio de fuente luminosa consta además de un dispositivo de retardo óptico para el haz de referencia antes de dirigirlo hacia el dispositivo óptico. El retardo óptico adicional del haz de referencia significa que se reduce la diferencia del camino óptico entre el haz de referencia y el haz objeto, lo que permite que la gama de medición necesaria del medio de detección de fases (en concreto el medio de detección de fases FM) sea inferior.

En una realización más del interferómetro de acuerdo con la invención, los conductores luminosos tienen esencialmente la misma longitud. De este modo se reduce la sensibilidad a las vibraciones mecánicas y acústicas, los gradientes térmicos y efectos de dispersión, para conseguir un resultado más exacto y fiable.

A continuación se describirá detalladamente el interferómetro de acuerdo con la presente invención, en base a una realización preferente de la invención en relación con los dibujos que se acompañan, en los que:

La Figura 1 muestra una vista esquemática del sistema óptico del interferómetro según la presente invención;

La Figura 2 muestra una vista esquemática de una realización preferente del interferómetro según la presente invención;

La Figura 3 es una representación esquemática de los subsistemas de una realización preferente del interferómetro de acuerdo con la invención, que miden la diferencia de fases entre el haz de referencia y el haz objeto transformado en un fotodetector en el plano de detección.

La Figura 1 muestra una vista esquemática de un sistema óptico 3 que forma parte del interferómetro 1 de acuerdo con la presente invención. El sistema óptico consta de un primer conductor luminoso 30 con una primera superficie de salida 31 que genera un haz objeto 36 con un frente de onda esférico y un segundo conductor luminoso 32 con una segunda superficie de salida 33 que genera un haz de referencia 37 con un frente de onda esférico, dirigido al plano de detección 34. El primer conductor luminoso 30 se dirige hacia el elemento óptico 10, de modo que el elemento óptico 10 transforme el haz objeto esférico 36 de tal modo que el haz objeto transformado 36' interfiera con el haz de referencia 37 en el plano de detección 34. En una realización de la invención el interferómetro 1 consta de un medio de procesamiento (ver más adelante) para determinar la diferencia de fases entre el haz objeto transformado 36' y el haz de referencia en una sección transversal 38 del haz objeto transformado 36'. Puesto que tanto el haz objeto 36 como el haz de referencia 37 tienen frentes de onda esféricos, se proporciona información en relación con la transformación del haz objeto 36 por el elemento óptico 10 y por tanto información en relación con las características ópticas del elemento óptico 10.

El interferómetro 1 es adecuado tanto para un elemento óptico de transmisión como de reflexión 10. Una disposición alternativa del primer conductor luminoso 30 y un elemento óptico de reflexión 10 en el sistema óptico 3 se comenta más adelanta en relación con la Figura 2.

La Figura 2 muestra un esquema de una realización preferente del interferómetro 1 de acuerdo con la presente invención. El interferómetro 1 consta de cuatro subsistemas, es decir un medio de fuente luminosa 2, el dispositivo óptico 3, un medio de detección 4 y un medio de procesamiento 5.

El medio de fuente luminosa 2 consta de una fuente luminosa de frecuencia estabilizada 22, cuya salida está conectada mediante un conductor luminoso con un primer dispositivo de variación de frecuencias 23. El medio de fuente luminosa 2 consta además de una fuente luminosa sintonizable 20, cuya salida esta conectada mediante un conductor luminoso con la entrada de un segundo dispositivo de variación de frecuencias 21. Dos conductores de salida del primer dispositivo de variación de frecuencias 23 están conectados mediante un divisor de haces 26 tanto con un fotodetector de referencia 24 como con la entrada de un elemento de combinación de haces 27. Dos conductores de salida del segundo dispositivo de variación de frecuencias 21 están conectados además con una entrada del elemento de combinación de haces 27. El elemento de combinación de haces 27 produce un haz objeto en un primer conductor luminoso 30 y un haz de referencia en un segundo conductor luminoso 32. En una realización del interferómetro de acuerdo con la invención se inserta un dispositivo de retardo óptico 25 en el camino óptico del haz de referencia 32, antes de conducir el haz referencia al dispositivo óptico 3. Además es posible transferir los distintos haces luminosos desde un elemento al siguiente elemento en el medio de fuente luminoso sin conductores luminosos (transferencia de espacio libre).

El primer conductor luminoso 30 tiene una primera superficie de salida 31 que genera un frente de onda esférico, dirigido hacia un cuerpo reflector 10. El segundo conductor luminoso 32 tiene una segunda superficie de salida 33 que genera un frente de onda esférico, dirigido hacia un plano de detección 34. El dispositivo óptico 3 consta de un dispositivo de determinación de posición 35 para determinar la posición de las superficies de salida 31 y 33, respectivamente, de los conductores luminosos 30 y 32, respectivamente, del plano de detección 34 del cuerpo reflector 10 en general y de un punto específico 11 de la superficie del cuerpo reflector 10.

Un haz objeto 36 con un frente de onda esférico emerge de la superficie de salida 31 del primer conductor luminoso 30. Después de su reflexión en el cuerpo reflector 10, se produce el haz objeto transformado 36', que interfiere con el haz de referencia 37, cuyo frente de onda es esférico, que sale de la superficie de salida 33 del segundo conductor luminoso 32, en el plano de detección 34.

El medio de detección 4 consta de una serie de fotodetectores 40 a..40n. En una realización preferente el medio de detección 4 se dota de cien fotodetectores desplegados en una matriz de diez por diez fotodetectores 4a. 40n.

Para cada fotodetector 40a.40n el medio de detección 4 consta de una primera unidad de sintonización 43a. 43n conectada con la salida del respectivo fotodetector 40a. 40n y con la salida del fotodetector de referencia 24. Además, el medio de detección 4 consta de una unidad de comparación de fases 44a. 44n para cada primera unidad de sintonización 43a. 43n, cuya unidad de comparación de fases 44a. 44n está conectada con la salida de la primera unidad de sintonización 43a. 43n. Dicha unidad de comparación de fases 44a . 44n está conectada con la salida de la respectiva primera unidad 43a 43n. El medio de detección 4 también consta de una segunda unidad de sintonización 41a. 41n para cada fotodetector 40 a. 40 n, estando conectada dicha segunda unidad de sintonización 41a. 41 n con la salida del respectivo fotodetector 40a. 40n y con un contador de frecuencias 42a. 42 n que está conectado con la salida de la respectiva segunda unidad sintonizador 41a. 41n. Por último, el medio de detección 4 consta de una unidad de determinación de fases 45 a 45 para cada fotodetector 40a 40 n. Dicha unidad de determinación de fases 45a. 45n está conectada con la salida del respectivo contador de frecuencias 42a.42n y la salida del respectivo comparador de fases 44a. 4n.

El medio de procesamiento 5 está conectado con las salidas de las unidades de determinación de fases 45a.45n y con la salida del dispositivo de determinación de posición 35.

Se explicará a continuación el funcionamiento del interferómetro 1 para la determinación de la forma del cuerpo reflector 10.

En el dispositivo óptico 3 el haz objeto y el haz de referencia son dirigidos por el primer conductor luminoso 30 y, respectivamente, el segundo conductor luminoso 32, hacia las respectivas superficies de salida 31, 33. Los conductores luminosos 30, 32 son preferentemente de fibra de vidrio, cuyas superficies de salida 31, 33 actúan como diafragmas de punto, lo que significa que el haz que sale de la superficie de salida 31, 33 tiene un frente de onda sustancialmente esférico. Se ha demostrado que en el campo distal dichos frentes de onda tienen una desviación de lo esférico inferior a \lambda/10000. En el dispositivo óptico 3 la superficie de salida 33 del segundo conductor luminoso 32 genera un haz de referencia 37 con un frente de onda esférico, dirigido hacia el plano de detección 34. Del mismo modo la superficie de salida 31 del primer conductor luminoso 30 genera un haz objeto 36 con un frente de onda esférico, pero dirigido hacia el cuerpo reflector 10. Tras su reflexión en el cuerpo reflector 10, se produce el haz objeto transformado 36' en el sentido del plano de detección 34. El haz de referencia 37 y el haz objeto transformado 36' interfieren en el plano de detección 34.

Los haces 36, 36' y 37 se propagan libremente por el espacio y no son desviados por elementos auxiliares ópticos ni dispositivos de proyección como en el dispositivo conocido, a fin de interferir en el plano de detección 34. A raíz de ello el interferómetro en cuestión se denomina también interferómetro sin formación de imágenes. Puesto que el dispositivo óptico 3 del interferómetro 1 no contiene elementos ópticos entre las ubicaciones en las que se generan los frentes de onda esféricos y el plano de detección 34, con la excepción del cuerpo reflector 10, cuya forma o asfericidad tienen que ser determinadas, los haces objeto 36, 36' y el haz referencia 37 no se distorsionan y la interferencia entre el haz objeto transformado 36' y el haz de referencia 37 es muy limpia. Por tanto, es posible lograr en principio una medición muy exacta de la forma del cuerpo reflector 10.

Los conductores luminosos 30, 32 tienen preferentemente la misma longitud a fin de reducir la sensibilidad a las vibraciones mecánicas y acústicas, los gradientes térmicos y los efectos de dispersión.

Se necesita un método de cálculo y una serie de datos como entradas para el método de cálculo para la determinación de la forma del cuerpo reflector. Los datos son la diferencia de fases entre el haz objeto transformado 36' y el haz de referencia 37 en el plano de detección 34, la amplitud del haz objeto transformado 36' en el plano de detección 34 y un modelo para el dispositivo óptico 3. El modelo contiene datos en relación con las posiciones de los extremos 31, 33 de los conductores luminosos 30, 32 del plano de detección 34, del cuerpo reflector 10 en general y de un punto específico 11 en la superficie del cuerpo reflector 10. El dispositivo de determinación de posición 35 se utiliza para determinar las posiciones en el dispositivo óptico 3.

Una serie de especificaciones que se relacionan con la gama compensada, la gama y la exactitud de la medición de fases tiene que ser establecida a fin de medir la diferencia de fases. El resultado del disposición del dispositivo óptico 3 es que la luz que sale del conductor luminoso 30 para el haz objeto tiene que recorrer, antes de que llegue al plano de detección 34, una distancia mayor que la luz que sale del conductor luminoso 32 para el haz referencia. El promedio de la diferencia de camino óptico DCO en el plano de detección 34 dobla el radio de curvatura del cuerpo reflector 10.

En una realización del interferómetro 1 de acuerdo con la invención, un dispositivo de retardo óptico 25 se dispone en el medio de fuente luminoso 2 en el camino óptico del haz de referencia, con el resultado de que se incrementa el camino óptico del haz de referencia y se reduce la diferencia del camino óptico DCO.

La exactitud necesaria para el cálculo de fases se determina por el máximo error permisible en la forma o la asfericidad del cuerpo reflector que se ha de determinar y la exactitud de los algoritmos del método de cálculo. Para la aplicación tal como se especificó anteriormente, la exactitud necesaria en la determinación de la forma del cuerpo reflector 10 es de 0,12 nm. Por tanto, la exactitud necesaria en la determinación de la diferencia del camino óptico se establece a 0,1 nm.

La gama necesaria de medición de fases es idéntica al gradiente de diferencia de fases sobre el plano de detección 34. Dicho gradiente se determina parcialmente por la forma o la asfericidad del cuerpo reflector 10, pero principalmente por la inclinación introducida por la distancia entre la superficie de salida 33 del conductor luminoso 32 del haz de referencia y la superficie de salida 31 del conductor luminoso 30 del haz objeto. Dicha distancia debe ser mayor que el radio de la imagen de la superficie de salida 31 del conductor luminoso 30 correspondiente al haz objeto a fin de impedir que la superficie de salida 33 del conductor luminoso 32 del haz de referencia tape el frente de onda transformado. Las aproximaciones para la aplicación ya indicada han determinado la especificación de 1 mm como la gama necesaria para la medición de la diferencia de camino óptico.

Para determinar la forma del cuerpo reflector 10, es necesario además determinar el número de detectores 40 en el plano de detección 34. El número de detectores 40 determina la gama de frecuencia espacial de la forma calculada del cuerpo reflector 10. Por el momento se asume que una matriz de detectores 40 de diez por diez detectores proporciona suficiente información para el cálculo de la forma.

Para simplificar la explicación, se describe a continuación la determinación de la diferencia de fases en uno de los fotodetectores 40a. 40n en el plano de detección 34.

La Figura 3 es una representación esquemática de los subsistemas de una realización preferente del interferómetro 1 de acuerdo con la invención, que miden la diferencia de fases entre el haz de referencia 37 y el haz objeto transformado 36' en un detector 40 en el plano de detección 34. En esta figura se ha utilizado los mismos números de referencia que en la Figura 1 para los elementos correspondientes. Puesto que el haz objeto 36 y el haz objeto 36' recorren un camino óptico más largo que el haz de referencia 37 en el dispositivo óptico 3 de la Figura 1, el dispositivo óptico 3 se puede considerar como una línea de retardo para un punto de medición específico en el plano de detección 34, del modo indicado por el número de referencia 3 de la Figura 3.

Se ha elegido medir la diferencia de fases utilizando una combinación de dos técnicas de medición de fases que se conocen por sí, es decir la medición de fases heterodina y la medición de fases por modulación de frecuencia (FM). La técnica heterodina se utiliza para determinar el módulo de diferencia de fases 2 \pi y la técnica FM se utiliza para determinar la diferencia de fases en múltiplos de 2\pi (div. fase 2 \pi). Las técnicas se han elegido a fin de poder cumplir con los requisitos en relación con la exactitud, la diferencia media del camino óptico y la gama de la diferencia del camino óptico.

En la Figura 3 el subsistema utilizado para medir el módulo de diferencia de fases 2\pi es indicado por el número de referencia 6. El subsistema del módulo 6 consta de la fuente luminosa de frecuencia estabilizada 22, el primer dispositivo de variación de frecuencias 23, el fotodetector de referencia 24, el divisor de haces 26 y el elemento de combinación de haces 27. Dichos elementos forman parte del medio de fuente luminosa 2 mostrado en la Figura 2. El subsistema del módulo 6 consta además de una primera unidad de sintonización 43 y un comparador de fases 44, que forman parte del medio de detección 4 mostrado en la Figura 2.

El subsistema div. indicado por el número de referencia 7 en la Figura 3 consta de la fuente luminosa sintonizable 20, el segundo dispositivo de variación de frecuencia 21 y, en común con el subsistema módulo 6, el elemento de combinación de haces 27. Dichos elementos forman parte del medio de fuente luminosa 2 mostrado en la Figura 1. Además, el subsistema div 7 consta de una segunda unidad de sintonización 41 y un contador de frecuencia 42, mostrados en la Figura 2 como parte del medio de detección 4.

Los subsistemas 6,7 tienen también el dispositivo óptico 2 y el fotodetector 40 en el plano de detección 34 en común. Además, los datos procedentes del contador de frecuencias 42 y el comparador de fases 44 se combinan en la unidad de determinación de fases 45 para proporcionar la diferencia de fases entre el haz objeto transformado 36' y el haz de referencia 37 en el punto del plano de detección 34 en el que se ha colocado el detector 40.

A fin de cumplir con las exigencias de exactitud, la fuente luminosa de frecuencia estabilizada 22 del subsistema módulo 6 se construye preferentemente como láser He-Ne de frecuencia estabilizada. A fin de que se pueda utilizar la técnica heterodina, la anchura del detector 40 debe ser mayor de 1 kHz. Por lo tanto, no es posible utilizar una cámara CCD, solución utilizada con frecuencia en los interferómetros conocidos, y el número total de fotodetectores que se puede utilizar será inferior al número utilizado en las cámaras CCD. El modo de funcionamiento del subsistema de módulo 6 es como sigue. El láser de frecuencia estabilizada 22 suministra un haz luminoso al primer dispositivo de variación de frecuencias 23, que parte el haz en dos haces luminosos con una primera diferencia de frecuencias. Esta diferencia de frecuencias constante es la frecuencia de la onda portadora para la detección heterodina de la diferencia de fases. Los dos haces (haz de referencia y haz objeto) quedan partidos en dos en el divisor de haces 26. Se pasa uno de los haces de referencia y uno de los haces objeto al fotodetector de referencia 24. Dicho fotodetector de referencia 24 genera una señal con una frecuencia diferente, es decir la frecuencia de onda portadora que se ha introducido por el primer dispositivo de variación de frecuencias 23. El otro haz de referencia y haz objeto se suministran al dispositivo óptico 3, en el que se produce una diferencia de tiempo de transmisión entre dichos dos haces. Después de haber pasado por el dispositivo óptico 3, los dos haces inciden en el fotodetector 40 en el plano de detección 34. La señal del fotodetector de referencia 24 y la señal del fotodetector 40 se pasan a la primera unidad sintonizadora 43. Mediante el desmultiplexado de frecuencia, la primera unidad de sintonización 43 selecciona la señal del fotodetector 40 generada por la luz procedente del subsistema módulo 6.

Puesto que la señal del fotodetector de referencia 24 no contiene un componente procedente del subsistema div. 7, dicha señal no tiene que ser suministrada por la primera unidad de sintonización 43. Sin embargo, a fin de minimizar el cambio de la diferencia de fases entre la señal del fotodetector 40 y la señal del fotodetector de referencia 24, la señal del fotodetector de referencia 24 se pasa por la primera unidad de sintonización 43.

El comparador de fases 44 mide el módulo de diferencia de fases 2 \pi, entre las dos señales procedentes de la primera unidad de sintonización 43. Esta diferencia de fases es igual a la diferencia de fases entre el haz objeto y el haz referencia y se transmite el valor digitalizado de la misma a la unidad de determinación de fases 45.

La fuente luminosa sintonizable 20 del subsistema div. 7 es un láser semiconductor, cuya frecuencia se puede modular mediante una variación sinusoidal de la corriente de inyección. Preferentemente, la fuente luminosa sintonizable 20 es, sin embargo, un láser semiconductor sintonizable con una cavidad externa, que permite modificar la frecuencia adaptando la cavidad externa. Ello comporta la ventaja de que es solamente la frecuencia que se modula y no la amplitud también. Otra ventaja es que la selectividad espectral del láser con cavidad externa es mayor que la de un láser sin cavidad externa. Por consiguiente la longitud de coherencia es mayor y la gama DCO puede ser grande. Además, la modulación de la frecuencia no es sinusoidal sino triangular, preferentemente. Por consiguiente la frecuencia mezclada es constante (si la diferencia del camino óptico es constante) durante periodos más largos y el contador de frecuencias 42 se puede utilizar para determinar la frecuencia. El contador de frecuencias 42, que funciona en base a la medición de tiempo, puede trabajar con gran exactitud y producir el resultado en forma digital, lo que facilita el procesamiento adicional. Además, es posible sacar una media sobre el periodo durante el que la frecuencia mezclada es constante y así es posible eliminar las perturbaciones indeseables por filtración.

Del mismo modo que el subsistema del módulo 6, el haz láser de la fuente luminosa sintonizable 20 se alimenta a un dispositivo de variación de frecuencias 21, que divide el haz láser en dos haces (haz de referencia y haz objeto) con una diferencia de frecuencias constante. La diferencia de frecuencias se utiliza como frecuencia de onda portadora y difiere de la frecuencia de la onda portadora que se ha introducido en el dispositivo de variación de frecuencias 23 en el subsistema módulo 6, a fin de poder desmultiplexar la señal de los fotodetectores 40a. 40n. Después de que el haz objeto y el haz referencia han pasado por el dispositivo óptico 3, la señal de interferencia de los dos es detectada por los fotodetectores 40a. 40n. La intensidad de los haces que interfieren y, por tanto, la señal del detector varía con la frecuencia mezclada, dependiente del retardo en el haz objeto, provocado por la diferencia del camino óptico. La frecuencia mezclada se determina mediante un contador de frecuencias 42. La diferencia de fases en múltiplos de 2\pi se calcula a partir de esta frecuencia, el gradiente de la forma de onda triangular de la modulación de frecuencias y la diferencia de frecuencias introducida por el dispositivo de variación de frecuencias 23, y se transmite en forma digital a la unidad de determinación de

\hbox{fases 45.}

La unidad de determinación de fases 45 se combina por fotodetector 40, la señal del contador de frecuencias asociado 42 y el comparador de fases 44 para producir la diferencia de fases entre el haz objeto transformado 36' y el haz de referencia 37 en el punto del fotodetector 40 en el plano de detección 34 y transmite esta diferencia de fases al medio de procesamiento 5.

Como quedará evidente para las personas expertas en la técnica, se puede utilizar como variadores de frecuencia 21, 23, varios componentes como moduladores acusto-ópticos de cristal (AOM), AOMs líquidos y rejillas rotativas. Todos estos componentes introducen una variación de frecuencias gracias al efecto Doppler. Se prefieren los AOMs de cristal debido a su bajo ruido de fases. En esta aplicación, se utiliza preferentemente un AOM excitado a 32 MHz para la técnica heterodina (variador de frecuencias 23) y se utiliza otro excitado a 35 MHz para la técnica de modulación de frecuencias (variador de frecuencias 21).

Utilizando AOMs a las frecuencias indicadas, se introducen los requisitos de los comparadores de fase 44 y los contadores de frecuencia 42. La exactitud necesaria de la diferencia del camino óptico para la técnica heterodina es 0,1 nm a una longitud de onda de 632,8 nm, lo que significa una exactitud necesaria de 1 mrad para la diferencia de fases. A una frecuencia de 32 MHz del AOM, dicha diferencia de fases se corresponde con un retardo de 5 ps. Si la diferencia de fases se mide determinando el intervalo de tiempo entre dos cruces por cero de las señales de los fotodetectores del objeto y referencia (el método más exacto) la exactitud necesaria para la medición del intervalo de tiempo es 5 ps. Actualmente, no existe ningún contador de intervalo disponible con una exactitud que reúne este requisito. Para el primer subsistema div. 7 (técnica FM) la exactitud de la diferencia del camino óptico es 0,3 \mum. Si el láser (fuente luminosa sintonizable 20) se modula con una frecuencia de modulación de 50 Hz y una profundidad de modulación de 70 GHz, esta exactitud se corresponde con una exactitud de frecuencias de 7 MHz. Para las mediciones de frecuencia utilizando los contadores de frecuencia 42, la exactitud queda limitada por el tiempo de puerta, es decir el tiempo durante el que la frecuencia se puede medir. En este caso, el tiempo de puerta es 10 ms, debido a la frecuencia de modulación de 50 Hz. Los contadores de frecuencia conocidos tienen una resolución relativa de 11 dígitos para un tiempo de puerta de 1 s. Esto se corresponde con una resolución absoluta de 35 MHz para una frecuencia de 35 MHz del AOM y un tiempo de puerta de 10 ms.

Estos problemas pueden ser superados mezclando las frecuencias portadoras RF de 32 MHz y 35 MHz respectivamente hasta frecuencias portadoras IF de por ejemplo, 1 kHz. y 2 kHz. . A 1 kHz., la exactitud necesaria de diferencia de fase de 1 mrad se corresponde con una exactitud de intervalo de tiempo de 160 ns, que puede ser logrado utilizando los contadores de intervalo de tiempo actualmente conocidos. La exactitud de frecuencia absoluta de 7 MHz con un tiempo de puerta de 10 ms a una portadora de 2 kHz. también puede ser logrado con un contador de frecuencias actualmente disponible.

Tal como quedará evidente para una persona experta en el arte, existen varias alternativas para mezclar las frecuencias RF a la baja a las frecuencias IF. Una primera posibilidad consta de mezclar las señales de los detectores con señales de 32,001 MHz y 35,002 MHz respectivamente en las unidades de sintonización primera y segunda 43, 41, respectivamente.

Otra posibilidad es reducir la diferencia de frecuencias entre los haces de referencia y objeto en los variadores de frecuencia 21, 23, propósito que se puede lograr utilizando una combinación de dos AOMs como variadores de frecuencia 21, 23, en lugar de sólo un AOM. Los dos AOM pueden ser montados en serie o en paralelo. Un AOM produce un haz de orden cero y un haz de primer orden, que se utilizan como haces objeto y referencia (con frecuencia f_{o} y f_{o} + f_{1}, respectivamente). Cuando se conectan dos AOM en serie, se producen cuatro haces (f_{o} + f_{1}, f_{0} + f_{2}, f_{0} + f_{1}-f_{2}, f_{0}), de los que se puede utilizar el primer o el segundo par para como haz objeto y referencia. En ambos casos, la diferencia de frecuencia es idéntica a la diferencia de frecuencias de las señales de excitación de los AOM con frecuencias f_{1} y f_{2}. En el caso de los AOM conectados en paralelo, se puede utilizar ambos haces de primer orden con frecuencias f_{0}+f_{1}, f_{0}+f_{2}, y la diferencia de frecuencias es igual a la diferencia de frecuencias de las señales de conducción AOM con frecuencias f_{1} y f_{2}. Por consiguiente, las señales de los detectores pueden ser pasadas directamente a los comparadores de fases 44 y a los contadores de frecuencia 42.

Tanto para las opciones de mezclar las señales de los detectores con señales RF como la opción incluyendo dos AOM por variador de frecuencia 21, 23, dos señales de frecuencia RF tienen que ser generadas, con una diferencia de frecuencia igual a la frecuencia if, de tal modo que el ruido de fases de la señal de frecuencia IF sea suficientemente poco para lograr la necesaria exactitud del intervalo de tiempo de 160 ns y la exactitud absoluta de frecuencias de 7 MHz. Este requisito se puede cumplir sintetizando los dos pares de señales con frecuencias f_{1}, f_{2} de 32,000 y 31,001 MHz, y 35,000 y 35,002 MHz, respectivamente, utilizando cuatro sintetizadores digitales directos (DDS). Para cada par de señales RF f_{1}, f_{2}, la misma señal de reloj se utiliza para los DDS. Las señales de reloj se generan preferentemente por dos osciladores de cuarzo de bajo ruido de fase, sintonizados a 125 MHz. Utilizando DDS para sintetizar las señales, el ruido de fases de las señales HF sintetizados es muy poco. En el caso ideal, el ruido de fases para las dos señales RF f_{1}, f_{2} es igual al ruido de fases de la señal del reloj. Utilizando la misma señal de reloj para las dos señales RF f_{1}, f_{2}, el ruido de fases de ambas señales es correlacionado y el ruido de fases de estas señales será mutuamente cancelado en la fase de mezclado, a condición de que la demora entre la generación por el DDS y la fase de mezclado sea sustancialmente idéntica para las dos señales.

En el medio de procesamiento 5 la forma o la asfericidad del cuerpo reflector 10 se calcula en base a las diferencias de fases que han sido determinadas por el conjunto de fotodetectores 40a. 40n, con la ayuda de un algoritmo numérico de propagación inversa. La premisa es que la variación de fases entre el frente de onda del haz objeto y el frente de onda del haz objeto transformado que se introduce por la superficie del cuerpo reflector 10 es igual a \pi en toda la superficie, que es verdad si el cuerpo reflector se compone de un material dieléctrico. Si no es así, la variación de fases en el cuerpo reflector 10 será en función del

\hbox{ángulo}

de incidencia del haz en cada posición del cuerpo reflector. El algoritmo utilizado por el medio de procesamiento 5 se puede adaptar a ello, por supuesto. La determinación de la forma del cuerpo reflector 10 se reduce en ambos casos a la determinación de la superficie en la que la variación de fases entre el haz objeto y el haz objeto transformado demuestra una forma específica y, en el caso de un material dieléctrico, es precisamente igual a \pi. Para facilitar la búsqueda de esta superficie, la posición de un punto específico 11 en la superficie del cuerpo reflector 10 se determina con la ayuda del dispositivo de determinación de posición 35. Se puede calcular la fase del frente de onda del haz objeto 36, que se asume esférico, en la proximidad del cuerpo reflector 10 en base a la posición de la superficie de salida 31 del primer conductor luminoso 30, que se determina por el dispositivo de determinación de posición 35. El cálculo del frente de onda del haz objeto transformado 36' en la proximidad del cuerpo reflector consta de varias fases. En primer lugar la fase del frente de onda del haz referencia 37, que también se asume esférico, se calcula en el plano de detección 34 en base a la posición de la superficie de salida 33 del segundo conductor luminoso 32, que ha sido determinada por el dispositivo de determinación de posición 35. La fase del haz objeto transformado 36' se calcula a continuación, restando la diferencia de fase medida de la fase del frente de onda del haz de referencia 37 en el plano de detección 34. En base a esta fase del frente de onda del haz objeto transformado 36' en al plano de detección 34, la fase del frente de onda del haz objeto transformado 36' en la proximidad del cuerpo reflector 10 se calcula a continuación con la ayuda del integral de difracción Fresnell-Kirchhoff. Este procedimiento no reviste importancia adicional para la presente invención y, por tanto, no se desarrollará más.

Claims (12)

1. Interferómetro para la medición de una diferencia de fases entre un haz de referencia y un haz objeto transformado por un elemento óptico (10) compuesto por un medio de fuente luminosa (2) para generar el haz objeto y el haz de referencia; un dispositivo óptico (3) para permitir la interferencia entre el haz objeto transformado y el haz de referencia en un plano de detección (34); y un medio de detección, para detectar la diferencia de fase entre los frentes de onda del haz objeto transformado y el haz de referencia en el plano de detección (34), caracterizado porque el dispositivo óptico (3) consta de: un primer conductor luminoso (30) con una superficie de entrada que acopla el haz objeto generado por el medio de fuente luminoso (2) en el primer conductor luminoso (30) y con una primera superficie de salida (31) que genera un haz objeto (36) con un frente de onda esférico; un segundo conductor luminoso (32) con una superficie de entrada que acopla el haz de referencia generado por el medio de fuente luminoso (2) en el segundo conductor luminoso (32) y con una segunda superficie de salida (33) que genera un haz de referencia (37) con un frente de onda esférico, siendo dirigido el haz de referencia (37) al plano de detección (34) y en el que la disposición del primer conductor luminoso (30) y el elemento óptico (10) es de tal modo que el haz objeto transformado (36') interfiera con el haz de referencia (37) en el plano de detección (34) de modo que el dispositivo óptico (3) no contenga elemento óptico alguno entre el punto en que se generan los frentes de onda esféricos y el plano de detección 34, excepto el elemento óptico (10) que transforma el haz objeto.

2. Interferómetro de acuerdo con la Reivindicación 1, caracterizado porque el interferómetro (1) consta además de un medio de procesamiento (5) para calcular la distribución de fases sobre una sección transversal específica (38) del haz objeto transformado (36') en base a la diferencia de fases entre los frentes de onda, las posiciones de las superficies de salida primera y segunda (31, 33) de los conductores luminosos primero y segundo (30, 32) respectivamente, la posición del plano de detección (34) y la posición de la sección transversal concreta (38).

3. Interferómetro de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el interferómetro (1) consta además de un medio de procesamiento (5) para calcular un plano espacial en el que la diferencia de fases entre los frentes de onda tiene una forma específica en base a la diferencia de fases entre los frentes de onda, las posiciones de las superficies de salida primera y segunda (31, 33) de los conductores luminosos primero y segundo (30, 32) respectivamente, la posición del plano de detección (34), la posición del plano espacial en general y de un punto específico (11) en el plano espacial con una constante diferencia de fases.

4. Interferómetro de acuerdo con la Reivindicación 3, caracterizado porque el plano espacial está conformado por la superficie de un cuerpo reflector (10).

5. Interferómetro de acuerdo con la Reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo óptico (3) consta además de un dispositivo de determinación de posición (35), una salida del cual está conectado con el medio de procesamiento (5), para determinar la posición de las superficies de salida primera y segunda (31,33) de los conductores luminosos primero y segundo (30, 32), del plano de detección (34) del cuerpo reflector (10) en general y del punto específico (11) en la superficie del cuerpo reflector (10).

6. Interferómetro de acuerdo con alguna de las Reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el medio de fuente luminosa (2) y el medio de detección (4) están equipados para detectar la diferencia de fases entre los frentes de onda del haz de referencia (37) y el haz objeto transformado (36') con la ayuda de una combinación de un medio heterodino de detección de fases (6) que determina el modulo de diferencia de fases 2 \pi y un medio de detección de fases por modulación de frecuencias (7) para determinar la diferencia de fases en múltiplos de 2\pi, empleándose las dos técnicas independiente y simultáneamente por multiplexado de frecuencias del medio de fuente luminosa (2).

7. Interferómetro de acuerdo con la Reivindicación 6, caracterizado porque el medio de detección (4) consta de al menos un fotodetector (40) colocado en el plano de detección (34) y en que el medio heterodino de detección de fases (6) consta de: una fuente luminosa de frecuencia estabilizada (22); un primer dispositivo de variación de frecuencias (23) conectado con la salida de la fuente luminosa de frecuencia estabilizada (22) para producir dos haces luminosos compensados por una primera diferencia de frecuencias; un fotodetector de referencias (24) conectado con las salidas del primer dispositivo de variación de frecuencias (23) y, para cada fotodetector (40), una primera unidad de sintonización (43) conectada con la salida de al menos un detector (40) y la salida del fotodetector de referencia (24); y una unidad de comparación de fases (44) conectada con la salida de la primera unidad de sintonización (43).

8. Interferómetro de acuerdo con la Reivindicación 7, caracterizado porque el medio de detección de fases por modulación de frecuencias (7) consta de; una fuente luminosa sintonizable (20) y un segundo dispositivo de variación de frecuencias (21), conectado con la salida de la fuente luminosa sintonizable (20), para producir dos haces luminosos compensados por una segunda diferencia de frecuencias, siendo la segunda diferencia de frecuencias diferente a la primera diferencia de frecuencias y, para cada fotodetector (40); una segunda unidad de sintonización asociada (41), conectada con la salida de al menos un fotodetector (40); y un contador de frecuencias (42) conectado con la salida de la segunda unidad de sintonización (41).

9. Interferómetro de acuerdo con la Reivindicación 8, caracterizado porque el interferómetro (1) consta además, para cada fotodetector (40), de una unidad de determinación de fases (45), conectada con la salida del contador de frecuencias (42) y la salida del comparador de fases (44), para determinar la diferencia de fases entre los frentes de onda del haz objeto transformado (36') y el haz de referencia (37).

10. Interferómetro de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio de detección (4) consta de una matriz de al menos diez por diez fotodetectores (40a. 40n).

11. Interferómetro de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio de fuente luminosa (2) consta además de un dispositivo de retardo óptico (25) para el haz de
referencia, antes de que este último pase al dispositivo óptico (3).

12. Interferómetro de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los conductores luminosos (30, 32) tienen esencialmente la misma longitud.