Procedimiento para medir longitudes absolutas y dispositivo para medir longitudes.

Procedimiento para medir longitudes, en particular para medir longitudes absolutas, con las etapas:

(a) generación de un peine de frecuencias, que puede describirse como compuesto por una pluralidad de líneas de peine equidistantes, a continuación

(b) separación por filtrado de cada línea de peine número n del peine de frecuencias, tal que resulta un primer rayo (S1) y

(c) separación por filtrado de cada línea de peine número m del peine de frecuencias, tal que resulta un segundo rayo (S2),

(d) generación de un decalaje de frecuencias (ΔfAOM) distinto del cero entre ambos rayos (S1, S2),

(e) emisión de al menos una parte de al menos uno de los rayos (S1) sobre una trayectoria de medida,

(f) hacer interferir el primer rayo y el segundo rayo, tal que al menos resulta una señal de batido y

(g) cálculo de la longitud absoluta a partir de la señal de batido, de las que al menos hay una.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E12000514.

Solicitante: Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Bundesallee 100 38116 Braunschweig ALEMANIA.

Inventor/es: MEINERS-HAGEN,KARL, POLLINGER,FLORIAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA LONGITUD, ESPESOR O DIMENSIONES LINEALES... > Instrumentos según se especifica en los subgrupos... > G01B9/02 (Interferómetros)

PDF original: ES-2461188_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento para medir longitudes absolutas y dispositivo para medir longitudes.

La invención se refiere a un procedimiento relativo a un dispositivo para medir longitudes, en particular para medir longitudes absolutas.

Según un segundo aspecto, se refiere la invención a un dispositivo para medir longitudes absolutas con (a) una fuente de luz para generar un primer rayo y al menos un segundo rayo (b) un dispositivo para generar un decalaje de frecuencias, para generar un decalaje de frecuencias distinto de cero entre ambos rayos, (c) una trayectoria de medida, en la que cuando opera el dispositivo de medición de longitudes absolutas discurre al menos uno de los rayos y (d) al menos un detector, que está dispuesto tal que sobre el mismo se interfieren el primer y el segundo rayos, tal que resulta al menos una señal de batido, en base a la cual puede determinarse una longitud absoluta de la trayectoria de medida.

Existen sistemas de medición de longitudes que realizan mediciones absolutas y otros que realizan mediciones relativas. Mientras que los sistemas de medición de longitudes que realizan mediciones relativas, por ejemplo en forma de interferómetros de láser, logran elevadas precisiones y tienen una estructura comparativamente sencilla y por lo tanto son económicos, los sistemas de medición de longitudes que realizan mediciones absolutas son muy costosos o bien claramente más imprecisos que los sistemas que realizan mediciones relativas.

Por el artículo "Rapid and precise absolute distance measurements at long range” (Mediciones de distancia absoluta rápidas y precisas en un amplio rango) , de Coddington y colab., Nature Photonics, vol. 3, junio 2009, se conoce un procedimiento en el que se combina una medición del tiempo de recorrido con un procedimiento interferométrico. No hay referencia alguna a la separación selectiva por filtrado de líneas del peine de frecuencias.

Por el artículo "A distance meter using a terahertz intermode beat in an optical frequency comb” (Distanciómetro que utiliza un batido intermodal de teraherzios en un peine de frecuencias ópticas) de Yokoyama y colab. Optics Express, vol. 17, 20, 28.09.2009 se conoce la mezcla de frecuencias ópticas de dos peines de frecuencias, que están ligeramente desplazados entre sí, mediante un cristal no lineal, tal que resulta una señal de radiofrecuencia. En base a la señal de radiofrecuencia puede determinarse una longitud absoluta. En este procedimiento es un inconveniente que tengan que utilizarse dos láser de peines de frecuencias.

La invención tiene como tarea básica proponer un aparato medidor de longitudes adecuado para medir longitudes absolutas, de estructura comparativamente sencilla y que logre una elevada precisión de medida.

La invención soluciona el problema mediante un procedimiento para medir longitudes, en particular para medir longitudes absolutas, con las etapas (a) generación de un peine de frecuencias, que puede describirse como compuesto por una pluralidad de líneas de peine equidistantes, a continuación (b) separación por filtrado de cada línea de peine número n del peine de frecuencias, tal que resulta un primer rayo y (c) separación por filtrado de cada línea de peine número m del peine de frecuencias, tal que resulta un segundo rayo, (d) generación de un decalaje de frecuencias distinto de cero entre ambos rayos, (e) emisión de al menos una parte de al menos uno de los rayos sobre una trayectoria de medida, (f) hacer interferir el primer rayo y el segundo rayo, tal que al menos resulta una señal de batido y (g) cálculo de la longitud absoluta a partir de la señal de batido, de las que al menos hay una.

Es una ventaja de la invención que como fuente de luz se necesite solamente un láser de femtosegundos. Los interferómetros de longitudes de ondas múltiples precisan de una pluralidad de longitudes de onda ópticas sintonizadas entre sí, que deben realizarse mediante una pluralidad de fuentes de luz. Esto convierte a la estructura en compleja y por el contrario los láser de femtosegundos son de estructura sencilla.

Además es ventajoso que puedan lograrse precisiones que hasta ahora sólo podían lograrse con sistemas de medición de longitud relativa. La invención posibilita por ejemplo dotar un aparato medidor de coordenadas de un aparato medidor de longitudes correspondiente a la invención, logrando así directamente las máximas precisiones de medida. Los sistemas de medida utilizados hasta ahora son prescindibles.

Además es posible utilizar el sistema de medición de longitudes correspondiente a la invención en máquinas herramienta o alineadores de máscaras (mask-aliner) en la fabricación de chips, donde se necesita la máxima precisión. Otra ventaja adicional de la invención es que la misma se realiza con pocos componentes, siendo por ello muy robusta.

Por ejemplo puede discurrir la trayectoria de medida hacia un retrorreflector y de retorno. El sistema de medición de longitudes correspondiente a la invención puede ser por ejemplo parte de un laser-tracker (rastreador de láser) o laser-tracer (trazador de láser) . En otras palabras, puede posicionarse el retrorreflector automáticamente en el espacio y/o en el plano. En particular incluye el dispositivo de medición de longitudes absolutas un dispositivo posicionador del reflector para posicionar el retrorreflector en el espacio y/o en el plano y un dispositivo de seguimiento para realizar el seguimiento del rayo láser, tal que la trayectoria de medida siempre discurre hacia el retrorreflector.

Según un segundo aspecto, soluciona la invención el problema mediante un dispositivo de medición de longitudes absolutas de tipo genérico en el que la fuente de luz (i) es un dispositivo generador de un peine de frecuencias, para emitir un peine de frecuencias que puede describirse como compuesto por una pluralidad de líneas de peine equidistantes, (ii) un primer dispositivo de filtrado del peine de frecuencias, para separar por filtrado cada línea de peine número n del peine de frecuencias, con lo que resulta un primer rayo y (iii) un segundo dispositivo de filtrado del peine de frecuencias para separar por filtrado cada línea del peine número m del peine de frecuencias, con lo que resulta un segundo rayo.

A continuación se describirá la invención más en detalle en base a una forma de ejecución. Las hipótesis realizadas relativas a los parámetros en el curso de la explicación, no han de entenderse como limitaciones de la idea general de la invención, sino solamente como mejoras ventajosas.

Etapa (a) :

Primeramente se genera un peine de frecuencias. Un peine de frecuencias puede considerarse como un rayo láser que emite luz en forma de impulsos cortos de anchura fija y frecuencia de repetición fija. Un peine de frecuencias puede describirse como compuesto por una suma de frecuencias de peine. La frecuencia νk de la línea de peine número k es νk = fCEO + kfrep (fórmula 1)

siendo k un índice correlativo de números naturales. Puesto que el peine de frecuencias posee una envolvente, no comienza k en cero, sino en un número natural mayor.

Etapa (b) :

Del peine de frecuencias se separa a continuación por filtrado cada línea de peine número n, con lo que resulta un primer rayo S1. El primer rayo S1 tiene los siguientes componentes de frecuencias:

νS1, k1 = fCEO + k1nfrep (fórmula 2)

Aquí n es un número natural fijo y k1 es un índice correlativo k1 = 0, 1, 2, …. Para separar por filtrado se utiliza por ejemplo un estalón que está estabilizado a una primera frecuencia de resonancia fcaν, 1 con fcaν, 1 = nfrep (fórmula 3)

Etapa (c) :

Del peine de frecuencias se separa por filtrado además... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para medir longitudes, en particular para medir longitudes absolutas, con las etapas:

(a) generación de un peine de frecuencias, que puede describirse como compuesto por una pluralidad de líneas de peine equidistantes, a continuación

(b) separación por filtrado de cada línea de peine número n del peine de frecuencias, tal que resulta un primer rayo (S1) y

(c) separación por filtrado de cada línea de peine número m del peine de frecuencias, tal que resulta un segundo rayo (S2) ,

(d) generación de un decalaje de frecuencias (∆f AOM) distinto del cero entre ambos rayos (S1, S2) ,

(e) emisión de al menos una parte

de al menos uno de los rayos (S1) sobre una trayectoria de medida,

(f) hacer interferir el primer rayo y el segundo rayo, tal que al menos resulta una señal de batido y

(g) cálculo de la longitud absoluta a partir de la señal de batido, de las que al menos hay una.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque una frecuencia de repetición (frep) , en la que están distanciadas equidistantemente las líneas del peine, tiene una magnitud superior al doble del decalaje de frecuencia (∆fAOM) .

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por la etapa:

(f2) fraccionamiento de la señal de batido, de las que al menos hay una, en un primer intervalo de frecuencias (I1) y al menos un segundo intervalo de frecuencias (I2) , con lo que rige que el primer intervalo de frecuencias (I1) puede transformarse añadiendo una distancia entre frecuencias fija (∆f) en el segundo intervalo de frecuencias (I2) .

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la distancia entre frecuencias (∆f) es de al menos 500 GHz.

5. Procedimiento según la reivindicación 3 ó 4,

caracterizado porque

-se han elegido n y m tal que el valor de la diferencia entre n y m es como máximo la décima parte del mínimo de n ym y -la señal de batido está filtrada mediante un pasobajo.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el peine de frecuencias se fabrica mediante un láser de femtosegundos (22) .

7. Dispositivo para medir longitudes absolutas (10) con

(a) una fuente de luz (12) para generar un primer rayo (S1) y al menos un segundo rayo (S2) ,

(b) un dispositivo para generar un decalaje de frecuencias (14) , para generar un decalaje de frecuencias (∆fAOM) distinto de cero entre ambos rayos (S1, S2) ,

(c) una trayectoria de medida (18) , en la que durante el funcionamiento corre al menos una parte

de al menos uno de los rayos (S1) y

(d) al menos un detector, que está dispuesto tal que sobre el mismo se interfieren el primer rayo (S1) y el segundo rayo (S2) , con lo que resulta al menos una señal de batido, en base a la cual puede determinarse una longitud absoluta de la trayectoria de medida (L) ,

caracterizado porque (e) la fuente de luz (12) incluye

(i) un dispositivo generador de un peine de frecuencias (22) , para emitir un peine de frecuencias que puede describirse como compuesto por una pluralidad de líneas de peine equidistantes,

(ii) un primer dispositivo de filtro del peine de frecuencias (26.1) , para separar por filtrado cada línea del peine número n del peine de frecuencias, con lo que resulta un primer rayo (S1) y

(iii) un segundo dispositivo de filtrado del peine de frecuencias (26.2) para separar por filtrado cada línea del peine número m del peine de frecuencias, con lo que resulta un segundo rayo (S2) .

8. Dispositivo de medida de longitudes absolutas (10) según la reivindicación 7, caracterizado por una unidad evaluadora eléctrica, equipada para calcular la longitud absoluta a partir de las señales de batido.

9. Dispositivo de medida de longitudes absolutas (10) según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque la primera trayectoria de medida (18) es parte de un interferómetro heterodino.

10. Dispositivo de medida de longitudes absolutas (10) según una de las reivindicaciones 7 a 9,

caracterizado por un aparato de medida de longitudes absolutas no interferométrico (76) , cuya precisión de medida se encuentra en particular por debajo de un cuarto de la máxima longitud de onda sintética.