AT392537B - Interferometeranordnung, insbesondere zur entfernungs- bzw. verschiebewegbestimmung eines beweglichen bauteiles - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Interferometeranordnung, insbesondere zur Entfernungs- bzw. Verschiebewegbestimmung eines beweglichen Bauteiles, mit einer Laserlichtquelle, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung des von der Laserlichtquelle emittierten Lichtes in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl, wobei der Meßstrahl durch einen Einmoden-Wellenleiter geführt ist und von diesem über eine kollimierende Auskoppellinse bzw. Auskoppellinsenanordnung auf die zumindest teilweise in einem gasförmigen Umgebungsmedium verlaufende und über einen beweglichen Meßspiegel führende Meßstrecke gelangt, mit einer Rekombinationseinrichtung, an der der über eine Refeienzstiecke geführte Referenzstrahl und der von der Meßstrecke zurückkehrende Meßstrahl interferieren, und mit einer Detektoreinrichtung zur Analyse zumindest eines aus der Rekombinationseinrichtung austretenden Interferenzsignals.

Interferometeranordnungen eignen sich prinzipiell zur Abstandsbestimmung bzw. Verschiebewegbestimmung und somit zur Erfassung der Lage bzw. von Lageänderungen von beweglichen Bauteilen, beispielsweise Maschinenbauteilen. In der Praxis, insbesondere bei der industriellen Anwendung hat sich jedoch gezeigt, daß vor allem die bekannten Einfrequenz-Interferometeranordnungen, bei denen transversale räumliche Interferenzfiguren beobachtet werden, äußerst schwierig justierbar sind.

Ein Problem stellen auch praktisch unvermeidbare Wellenfrontverzerrungen des von der Meßstrecke zurückkommenden Meßstrahles dar. Daartige Wellenfrontverzemmgen rühren von Luftschlieren und vor allem bei der industriellen Anwendung auftretender Verunreinigungen (Öldämpfe etc.) da Luft, in der sich der Meßstrahl ausbreitet, sowie von Ungenauigkeiten der verwendeten optischen Komponenten her. Die letztgenannten Ungenauigkeiten der optischen Komponenten ließen sich allenfalls durch entsprechend teure Komponenten vermeiden. Damit verteuert sich aber die gesamte Interferometeranordnung wesentlich und Wellenfrontverzerrungen des Meßstrahles aufgrund der in der Praxis auftretenden Luftbedingungen sind imma noch nicht vermieden. Die genannten Wellenfirontvazerrungen führen bei bekannten Einfrequenzen zu einer Veränderung des beobachteten räumlichen Interferenzmusters und damit zu einer Verfälschung des Meßergebnisses. Aber auch bei bekannten Zweifrequenz-Heterodyn-Interferometem, bei denen die Schwebungsfrequenz zwischen Meß- und Refaenzstrahl leicht vaschiedena Frequenz beobachtet wird, wirkot sich die genannten Wellenfrontverzerrungen ungünstig aus. Sie verringern nämlich, wie auch bereits geringe Abweichungen von der ideal exakten Justierung, die Güte der Interferenz, also den auszuwertenden Modulationshub des oszillierenden Interferenzsignals im Vahältnis zum Signalhintagrund.

Es sind bereits auch Interferometer zur Längenmessung bekannt, bei denen Einmoden-Wellenleiter (Monomode-Glasfasan) zum Einsatz kommen. In solchen Monomode-Glasfasem breitet sich das Licht mit wohldefinierten Wellenfronten aus. Ein bekanntes Interferometer koppelt beispielsweise Licht aus einer Monomode-Glasfasa über eine Linse auf die Meßstrecke aus. Das von einem ebenen Spiegel zurückreflektierte Licht gelangt dann über dieselbe Linse wieder in diese Glasfaser zurück. Auch andere bekannte Interferometa verwenden ebene Meßspiegel, die den Meßstrahl in sich zurückwerfen, wobei auch hier ein Teil des vom Meßspiegel zurückgeworfenen Lichtes in die von der Lichtquelle stammende Glasfaser und damit in die Lichtquelle zurückgekoppelt wird. Wegen der großen Empfindlichkeit auf Vakippungen des ebenen Meßspiegels sind solche Interferometer für Meßstrecken im Zentimeterbereich und darüber nicht geeignet.

Außerdem gelangt durch den in sich zurückgeworfenen Meßstrahl Licht in die Laserlichtquelle. Es hat sich gezeigt, daß besonders Laserdioden sehr empfindlich auf zurückreflektiertes Licht reagieren und daher dort zurückreflektiertes Licht besonders kritisch und unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes und kostengünstiges Interferometer zu schaffen, das am Einsatzort mit geringem Aufwand justierbar ist, bei dem praktisch kein Lasalicht aus dem Interferometer in die Laserlichtquelle zurückgelangt und mit dem insbesondere auch die bei der industriellen Anwendung auftretenden Entfernungen bzw. Verschiebewege (typischerweise im Zentimeter-Meterbereich und darüber) genau und zuvalässig erfaßbar sind.

Dies wird gemäß da Erfindung dadurch erreicht, daß ein zweiter Einmoden-Wellenleiter und eine gesonderte Einkoppellinse bzw. Einkoppellinsenanordnung vorgesehen sind, welche den durch den als Retroreflektor ausgebildeten Meßspiegel mit Strahlveisatz zurückreflektierten Meßstrahl in den zweiten Einmoden-Wellenleita einkoppelt.

Beim erfindungsgemäßen Interferometer wird der Meßstrahl am Meßspiegel nicht in sich selbst zurückgeworfen, sondern mit Strahlversatz üba eine gesonderte Einkoppellinse (bzw. eine aus mehreren zu einem Linsensystem zusammengefaßten Einkoppellinsenanordnung) in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter eingekoppelt. Diesa konstruktive Mehraufwand stellt sicher, daß kein störendes Licht vom Interferometer in die Laserlichtquelle zurückgekoppelt wird und bringt damit vor allem bei Laserdioden, die ihre Emission bei zurückgekoppeltem Licht empfindlich ändern, entscheidende Vorteile. Da verwendete Retroreflektor (d. h. ein Reflektor, der in einem bestimmten Winkelbereich zumindest in einer bestimmten Einfallsebene liegende Strahlen unabhängig vom Einfallswinkel parallel zu sich selbst mit Strahlversatz zurückwerfen kann) stellt bei der Justage gegenüber ebenen Spiegeln keinen Nachteil dar. Es hat sich gezeigt, daß die beim seitlichen Verschieben des Retioreflektors auftretende Strahlversatzänderung bei geeigneter Wahl der Aus- und Einkoppellinsen leicht zu beherrschen ist, daß also das Treffen des zweitoi Einmoden-Wellenleiters bzw. da Einkoppellinse eine Einkopplung des von der Meßstrecke zurückkehrenden Wellenleitas relativ unkritisch ist. Außerdem weist der Retroreflektor, vorzugsweise ein Tripelspiegel oder Tripelprisma, die Eigenschaft der -2-

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Kippinvarianz (auch beim Verdrehen des Retroreflektors bleibt der reflektierte Strahl parallel zum einfallenden Strahl) auf, was vor allem bei längeren Meßstrecken gegenüber ebenen Spiegeln einen Vorteil bringt. Ein Tripelspiegel reflektiert in einem bestimmten Raumwinkelbaeich einfallende Lichtstrahlen parallel zu sich selbst zurück.

Gegenüber herkömmlichen Interferometern ohne Verwendung von Lichtleitern reduziert sich der Justieraufwand im Bereich des Meßstrahles erheblich. Das Interferometer ist dann richtig justiert (eine relativ einfache Vor justierung der übrigen optischen Komponenten vorausgesetzt), warn ausreichend Licht in die zweite Glasfaser gekoppelt wird. Wie bereits oben erwähnt, ist dies vor allem durch die Eigenschaft des Retroreflektors, Strahlen immer parallel zurückzuwerfen, und durch geeignete Linsendimensionienmgen nicht besonders kritisch. Günstigerweise wird man das Interferometer so ausbilden, daß der Einmoden-Wellenleiter, aus dem der Meßstrahl ausgekoppelt wird, und der zweite Einmoden-Wellenleiter in ihrem da Meßstrecke zugewandten Endbereich parallelliegen. Um eine genaue relative Justierung da gesonderten Ein- und Auskoppellinsen· und Wellenleiter zu erzielen, kann bevorzugt vorgesehen sein, daß zumindest die da Meßstrecke zugewandten Endbereiche des Einmoden-Wellenleiters, aus dem da Meßstrahl ausgekoppelt wird, und des zweiten Einmoden-Wellenleiters auf einem gemeinsamen Träger festgelegt sind, wobei die Ein- und Auskopplungslinsen an diesem Träger befestigt sind.

Durch die erfindungsgemäße Einkoppelung des Meßstrahles in eine zweite Glasfaser bzw. Einmoden-Wellenleiter erzielt man einen Raumfiltereffekt durch den Wellenfrontverzerrungen des von der Meßstrecke zurückkehrenden Meßstrahles beseitigt bzw. stark verringert waden. Solche Wellenfrontverzerrungen führen nämlich in der Brennebene der Einkopplungslinse zu Intensitäten außerhalb der Achse (außerhalb des beugungsbegrenzten Durchmessers um den Brennpunkt, wo die Eintrittsstelle der zweiten Glasfaser liegt) und gelangoi nicht in den zweiten Wellenleiter, wadoi also vom Raumfilta ausgeblendet. Nach dem Raumfilter, d. h. nach der Eintrittsfläche des zweiten Einmoden-Wellenleiters, hat man also einen von Wellenfrontveizerrungen "gereinigten" Meßstrahl mit nahezu idealer Wellenfront, der dann mit dem Referenzstrahl zur Interferenz gebracht wird. Das so erhaltene Interferenzsignal weist eine hohe Güte auf und liefert einwandfreie Meßagebnisse. Da es sich um einen Einmoden-Wellenleiter handelt, ist die Wellenfront im Wellenleiter nahezu ideal. Wellenfrontveizerrungen entlang der Meßstrecke verschlechtern lediglich die Einkoppelung in den Wellenleiter. Ein derartiger Wellenleiter kann günstigerweise als eine auf einen Wafer eindiffundierte Wellenleiterbahn ausgebildet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Einmoden-Wellenleiter des Interferometers, der Strahlteiler und die Rekombinationseinrichtung auf demselben Wafer integriot sind, und der Referenzstrahl sowie das aus der Rekombinationseinrichtung stammende Interferenzsignal ebenfalls in einmodigen Wellenleiterbahnen geführt ist, die im selben Wafer eindiffundiot sind. Durch diese integrierte Bauweise ist ein Großteil der optischen Komponenten fix voijustiert und man erhält eine ideale Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem von Wellenfrontverzerrungen "gereinigten" Meßstrahl. Durch die fast ausschließliche Verwendung von integrierten optischen Komponenten kann auch ein erheblicher Preisvorteil gegenüber bekannten Interferometern erzielt werden. Die Verwendung von in einem Wafa eindiffundierten Wellenleiterbahnen für ein Interferometer ist zwar an sich bereits bekannt Beim bekannten integrierten Interferometer wird aber der aus der Wellenleitabahn austretende Meßstrahl durch einen in geringem Abstand von der Austrittsstelle angeordneten ebenen Spiegel teilweise in denselben Wellenleiter zurückgeworfen, womit sich das bekannte Interferometer ausschließlich zur Messung von äußerst geringen Verschiebungen des ebenen Meßspiegels eignet und daher für die industrielle Anwendung nicht in Frage kommt. Außerdem kommt es dabei auch zu den eingangs erwähnten unerwünschten Rückkopplungen in die Lichtquelle.

Selbstverständlich ist es auch möglich und für einige Anwendungen auch vorteilhaft, wenn der Strahlteiler und die Rekombinationseinrichtung gesonderte optische Elemente sind. Wie bei der oben beschriebenen optisch integrioten Variante ist es auch hier im Hinblick auf eine einfache wohldefinierte Justioung günstig, wenn das aus da Lichtquelle stammende Licht in der gesamten Interferometeranordnung bis auf die im Umgebungsmedium zwischen Aus- und Einkoppellinse(nanordnung) über den Retroreflektor verlaufende Meßstrecke und gegebenenfalls bis auf den Boeich hinter der Rekombinationseinrichtung in Einmoden-Wellenleitem geführt ist, wobei da Strahlteila und die Rekombinationseinrichtung durch Wellenleiterkoppla gebildet sind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung waden an Hand von Ausführungsbeispielen in der folgenden Figurenbeschreibung näher erläutert

Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der ofindungsgemäßen Interferometeranordnung.

Die in Fig. 1 gezeigte Interferometeranordnung weist eine Laserlichtquelle (1) (vorzugsweise eine Laserdiode) auf, daen Licht in eine Einmoden-Wellenleiterbahn (2) eingekoppelt wird, welche auf einem Wafer (3) aus Lithium-Niobat eindiffundiert ist. In einem Strahlteiler (B) erfolgt die Aufteilung in den Meßstrahl, der zunächst in der Wellenleiterbahn (4) weitergeführt ist und in den Referenzstrahl, der im ebenfalls im Wafer (3) integrierten Referenzzweig (5) über einen Spiegel (6) zur Rekombinationseinrichtung (A) führt. Der Meßstrahl tritt aus dem Wellenleiter (4) aus und wird mit eina Auskoppellinse (7) kollimiert. Die Meßstrecke führt nun durch das gasförmige Umgebungsmedium (meist Luft) und über einen Retroreflektor (8) (Tripelspiegel), der beispielsweise an einem nicht dargestellten Werkzeugschlitten befestigt ist Dieser Retroreflektor (8) schickt den Meßstrahl parallel versetzt wieder zurück, wobei eine seitliche Verschiebung des Retroreflektors oder dessen -3-

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Verkippung die Richtung des zurückstrahlenden Meßstrahles nicht verändert, sondern lediglich in einem unkritischen Ausmaß seinen Parallelversatz.

Erfindungsgemäß wird der vom Retroreflektor (8) zurückkehrende Meßstrahl durch eine gesonderte Einkoppellinse (9) in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter (11) eingekoppelt. Damit wird eine Rückkopplung von störendem Laserlicht in die Laserdiode (1) vermieden.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wirkt die in der Brennebene der Linse (9) um den Brennpunkt herum angeordnete Fläche (10) des in den Wafer (3) eindiffundierten Einmoden-Wellenleiters (9) als Raumfilter, welcher außerhalb des Brennpunktbeieiches liegende, von Wellenfrontverzerrungen hervorgerufene Intensitäten ausblendet. Da es sich um einen Einmoden-Wellenleiter handelt, ist die Wellenfront des über die Linse (9) in den Wellenleiter (11) eingekoppelten Meßstrahles nahezu ideal. Wellenfrontverzerrungen entlang der Meßstrecke über den Retroreflektor (8) führen lediglich zu einer Verschlechterung des Einkoppelns. Zur Justierung der erfindungsgemäßen Interferometeranordnung braucht lediglich ausreichend viel Licht in die im Wafer (3) eindiffundierte Wellenleiterbahn (11) gelangen. Dies ist ab»' nicht kritisch, da die vom Retroreflektor (8) ebenfalls parallel zurückkommenden Strahlen von der Linse (9) im selben Punkt in der Brennebene gesammelt werden und dann alle den Wellenleiter (11) treffen. Eine Einkopplung in den zweiten Wellenleiter erfolgt beim gezeigten Ausführungsbeispiel typischeiweise für jene Strahlen, die im Millimeterbereich um die Linsenachse auf die Einkoppellinse auftreffen, was keine besonders kritische Anforderung darstellt

Der von der Meßstrecke zurückkehrende Meßstrahl wird in der als Strahlteiler (A) ausgebildeten Rekombinationseinrichtung mit dem im Referenzzweig (5) geführten Referenzstrahl zur Interferenz gebracht. Die Interferenzsignale werden dann von Detektoren (12 a - d) erfaßt und in einer nicht dargestellten elektronischen Auswerteschaltung ausgewertet Beim gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Einfrequenz-Interferometer, bei dem zwei verschiedene Polarisationsrichtungen des von der Lichtquelle (1) ausgesandten Lichtes benutzt werden, um eine Information über die Bewegungsrichtung des Retroreflektors (8) zu erhalten. Dazu ist vor der Rekombinationseinrichtung ein polarisationsabhängiger Phasenverzögerer (13) integriert, der beispielsweise einen relativen Phasenunterschied von 90° zwischen den beiden Polarisationsrichtungen hervorruft Die zwei komplementären Ausgänge der Rekombinationseinrichtung (A) sind über im Wafer (3) eindiffundierte Wellenleiterbahnen (14) bzw. (15) mit Polarisationsstrahlteilem (16) bzw. (17) verbunden, deren Ausgänge zu den erwähnten Photodetektoren (12 a - d) führen. Diese Photodetektoren (12 a - d) empfangen in ihrer Phasenlage relativ zueinander verschobene Interferenzsignale, aus denen sich nicht nur der Verschiebeweg des Retroreflektors (8), sondern auch dessen Verschieberichtung eindeutig bestimmen läßt. Weiters lassen sich aus der Erfassung der Intensitäten beider komplementärer Ausgänge (14) und (15) der Rekombinationseinrichtung (A) Einflußfaktoren (thermische Drifts der Mechanik und Elektronik, Intensitätsschwankungen der Lichtquelle, Intensitätsschwankungen aufgrund geringer Dejustierungen), die sonst bei homodynem Betrieb zu Meßfehlern führen können, eliminieren, sodaß festgestellt werden kann, öb Intensitätsänderungen nur aufgrund der Änderung von Einflußfaktoren oder tatsächlich von einer Bewegung des Retroreflektors stammen. Man verwertet also nach der Vereinigung von Meß- und Referenzstrahl nicht nur einen Interferenzsignal-Strahl, sondern nützt auch den zweiten Ausgang des Strahlteilers, der ein komplementäres Interferenzsignal liefert Da nun alle Einflüsse, die die Intensität störend verändern, auf beide Komplementär-Signale in gleicher Weise einwirken, während nur ein tatsächliches Verfahren des Schlittens zur Änderung des Interferenzbildes und damit zu relativen Intensitätsverschiebungen der beiden Komplementär-Signale führt, hat man bei dieser Vorgangsweise auch beim homodynen Laserinterferometer die Möglichkeit wie beim weiter unten beschriebenen Zweifrequenz-Gerät (Heterodyn-Verfahren), einen Stillstand des mechanischen Systems sicher zu erkennen. Durch die Einkopplung des Meßstrahles in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter und dem damit verknüpften Raumfiltereffekt sowie durch die idealen Wellenfronten in den Einmoden-Wellenleitem ist gewährleistet, daß man auch unter Industriebedingungen tatsächlich wohldefinierte komplementäre Interferenzsignale erhält, die dann von der Elektronik zuverlässig ausgewertet werden können.

Grundsätzlich läßt sich die erfindungsgemäße Interferometeranordnung auch heterodyn betreiben, wobei zwei frequenzmäßig leicht verschiedene Lichtfrequenzen verwendet werden. Das verwendete Lithium-Niobatmaterial hat den Vorteil, daß auch äkustooptische Modulatoren integriert werden können, wobei diese aufgedampft werden, um eine um die akustische Frequenz verschobene Lichtfrequenz zu erhalten. Man müßte dann einen solchen akustooptischen Modulator kurz vor dem Austritt des Meßstrahles aus dem Wafer (3) einbauen, wobei es aus signaltechnischen Gründen unter Umständen empfehlenswert wäre, einen zweiten akustooptischen Modulator in den Referenzstrahl einzubauen, um direkte Übersprecher in die Nachweiselektronik zu vermeiden. Bei der heterodynen Variante des Interferometers ist dann nur eine Nachweisphotodiode anstelle der vier Photoelemente (12 a - d) nötig. Auch können der polarisationsabhängige Phasenverzögerer und die Polarisationsstrahlteiler (16) und (17) entfallen.

Durch die integrierte Bauweise, bei der das Licht im Wafer in Einmoden-Wellenleiterbahnen geführt ist, erzielt man eine kompakte Bauweise und eine ausgezeichnete Interferenz zwischen Refeienzstrahl und Meßstrahl, da beide in den Einmoden-Wellenleitem ideale Wellenfronten aufweisen. Außerdem ist damit ein Großteil der optisch«! Komponenten bereits voqustierbar.

Durch die Maßnahme, daß die im Wafer verlaufende Referenzstrecke (5) und die Summe der im Wafer verlaufenden Teile (4) und (11) der Meßstrecke gleich lang sind, wird das Interferometer auch weitgehend -4-

AT 392 537 B unabhängig von der Temperatur des Wafers (3). Als Lichtquellen eignen sich insbesondere Laserdioden (1), da diese wenig Platz einnehmen und kostengünstig sind

Da das Meßergebnis eines Interferometers in Einheiten dar auf der Meßstrecke vorhandenen Luftwellenlänge vorliegt, die ihrerseits von der Frequenz des Lichtes und der Brechzahl des Umgebungsmediums (meist Luft) abhängt, ist es günstig, diese Luftwellenlänge über eine eigene Einrichtung laufend zu bestimmen. Bei bekannter Frequenz der Lichtquelle reicht eine Brechzahlbestimmung aus, um die Luftwellenlänge zu kennen. Im einfachsten Fall kann die Brechzahlbestimmung nach der sogenannten Parametermethode durch Bestimmung der Lufttemperatur, der Luftfeuchte und des Luftdruckes ermittelt werden. Will man auch die Frequenz der Lichtquelle in die Luftwellenbestimmung miteinbeziehen, bietet sich die Möglichkeit eines Vergleiches mit einer Maßveikörperung (Etalon) an, in dem dieselben Umweltbedingungen herrschen wie auf der Meßstrecke. In einem solchen Fall ist es nötig, aus der Lichtquelle stammendes Licht aus dem eigentlichen Interferometer abzuzweigen. Dies geschieht im einfachsten Fall über einen Strahlteiler (C), der gleich nach d» Lichtquelle im Strahlengang angeordnet ist

Durch die Maßnahme, daß man den Meßstrahl vor der Meßstrecke im Umgebungsmedium in einem Einmoden-Wellenleiter führt und dann über eine Auskoppellinse auf die Meßstrecke führt erreicht man eine hervorragende Konstanz und Reproduzierbarkeit der optischen Strahlführung.

Als Wafermaterialien eignen sich neben dem angesprochenen Lithium-Niobat beispielsweise auch Glas und Galliumarsenid.

Neben der Möglichkeit, die Einmoden-Wellenleiter auf einem Wafer zu integrieren, besteht auch die Möglichkeit, Glasfasern als Einmoden-Wellenleiter zu verwenden, wie dies beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Das in Fig. 2 dargestellte Interferometer dient zur Erfassung des Verschiebeweges eines beweglichen Bauteiles (nicht dargestellt), auf dem der Tripelspiegel (8) günstigerweise direkt befestigt ist. Das aus einer Laserdiode (1) stammende Laserlicht wird in die Glasfaser (2) eingekoppelt und gelangt hierauf in den Koppler (B), der eine Aufteilung des Lichtes in die zum Meßzweig gehörige Glasfas»' (4) und die zum Referenzzweig gehörige Glasfas» (5) vomimmL Über eine Auskoppellinse (7) gelangt das Licht aus der Glasfaser (4) auf die eigentliche im Umgebungsmedium (Luft) verlaufende Meßstrecke und wird mit Strahlversatz durch den Tripelspiegel (8) parallel zu sich selbst zurückgeworfen. Erfindungsgemäß koppelt nun eine gesonderte Einkoppellinse (9) den zurückreflektierten Meßstrahl in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter (Glasfaser (11)) ein. Günstigerweise liegen auch bei dem in Fig. 2 dargestellen Ausführungsbeispiel die der Meßstrecke zugewandten Endbereiche der Glasfasern (4) und (11) parallel, womit ohne aufwendige Umlenkeinrichtungen bei ein» Verschiebung des Tripelspiegels (8) immer eine gute Einkopplung des von d» Meßstrecke zurückkehrenden Meßstrahles in die Glasfaser (11) gegeben ist. Um eine präzise, relative Ausrichtung der Enden der Glasfasern (4) und (11) zu erzielen, können diese auf einem gemeinsamen Träger (18) befestigt sein, der günstigerweise auch die Auskoppellinse (7) und die Einkoppellinse (9) trägt, womit auch d»en relative Justierung zu den Glasfasern (4) bzw. (11) sichergestellt ist.

Die Einkoppellinse (9) und die Auskoppellinse (7) sind günstigerweise gleich ausgebildet und weisen insbesondere dieselbe Brennweite auf. Als Ein- und Auskoppellinsen eignen sich insbesondere Gradienten-Index-Linsen, die üb» ihre ebene Anschlußfläche direkt am Träg» (18) befestigbar sind.

Das von d» Meßstrecke in der Glasfaser (11) zurückgeführte Licht und das in der Glasfaser (5) des Referenzzweiges geführte Licht werden im Koppler (A) rekombinierL Die vorzugsweise 90° betragende Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationen zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Meßschlittens kann in bekannter Weise über die Totalreflexion im Tripelprisma oder mit einer doppelbrechenden Viertelwellenplatte (in Fig. 2 nicht gezeigt) im Meßstrahl »reicht w»den. Die Interferenzsignale an den beiden Ausgängen vom Koppler (A) werden mit einem Polarisationsstrahlteiler oder mit einem Strahlteil» und Polarisationen nach den senkrecht zueinander stehenden Polarisationszuständen getrennt erfaßt (Detektoren (12a, b, c, d)). Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 erfolgt die polarisationszustandabhängige Aufteilung über zwei Strahlteiler (Al') und (A2') und vier vor jedem Detektor (12 a - d) angeordneten Polarisationsfiltern (26 a - d). Wenn anstelle der Strahlteiler (Al') und (A2') Polarisationsstrahlteiler verwendet werden, können die Polarisationsfilter (26 a - d) »«fallen.

Die polarisationsabhängige Signalaufteilung kann alternativ auch so erfolgen, wie es in den Figuren (2a) bzw. (2b) dargestellt ist (Bei den Varianten dieser Figuren ist die Anordnung vor der Rekombinationseinrichtung (A) gleich wie in Fig. 2). Nach Figur 2a ist eine Linse (27) vorgesehen, die knapp vor den beiden Austrittsstellen der Rekombinationseinrichtung (A) angeordnet ist. Die beiden von der Linse (27) abgebildeten Strahlen gelangen auf einen Polarisationsstrahlteiler (A3) und von dort zu den vier Detektoren (12 a - d). Bei der Variante gemäß Fig. 2b wird gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Variante auf die Strahlteiler (Al') und (A2') verzichtet und die divergenten Abstrahlkegel (28), (29) aus den beiden Austrittsfasern der Rekombinationseinrichtung (A) ausgenutzt, um eine räumliche und letztlich über die Polarisationsfilter (26 a - d) die polarisationszustandabhängige Signalaufteilung zu »reichen. Die Detektoren (12 a - d) sind an eine elektronische Auswertschaltung (19) angeschlossen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das aus der Lichtquelle (1) stammende Licht bis auf die im Umgebungsmedium verlaufende Meßstrecke in Einmoden-Wellenleitem (Glasfasern) geführt, womit der Einfluß -5-

AT 392 537 B von Störlicht weitgehend ausgeschaltet ist und bei der Rekombination im Koppler (A) in der Meßzweig-Glasfaser (11) und in der Refeienzzweig-Glasfaser (5) wohldefinierte Wellenfronten vorliegen, die ein hervorragendes Interferenzsignal garantieren. Durch den bei der Einkopplung des von der Meßstrecke zurückkehrenden Meßstrahles in die Glasfaser (11) auftretenden Raumfiltereffekt werden allenfalls vorhandene Wellenfrontverzerrungen eliminiert.

Bei vielen bekannten Interferometern wird der Strahlteiler zur Aufteilung des Lichtes in Meßstrahl und Referenzstrahl gleichzeitig auch als Rekombinationseinrichtung verwendet, an der der Meßstrahl und der Referenzstrahl zur Interferenz gebracht werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Strahlteiler (Koppler (B)) und die Rekombinationseinrichtung (Koppler (A)) gesonderte optische Bauelemente sind, um Rückwirkungen von Laserlicht auf die Lichtquelle sicher auszuschließen.

Die Summe der Glaswege in der Glasfaser (4) und (11) und der Weg in da* Glasfaser (5) sind vorzugsweise gleich lang, um bei allfälligen Temperaturschwankungen keine relativen Längenänderungen zwischen Referenz-und Meßzweig zu haben.

Bei der Dimensionierung der Ein- bzw. Auskoppellinsen (insbesondere von deren Brennweite) sind mehrere Punkte zu beachten: Die erreichbare Genauigkeit in der Winkeljustierung der optischen Achsen der Ein- und Auskoppellinsen, der Durchmesser und damit die beugungsbegrenzte Divergenz des Lichtstrahles auf der Meßstrecke und die Winkelgenauigkeit des Retroreflektors. Es hat sich herausgestellt, daß bei den typischen Kemdurchmessem eines Monomod-Wellenleiters im Mikrometerbereich und bei den typischen Öffnungswinkeln des Abstrahlkegels aus dem Wellenleiter Linsenbrennweiten im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm besonders günstig sind, wenn man Verschiebewege bis in den Meterbereich erfassen will.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Interferometeranordnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. äquivalente Bauteile wie in den Fig. 1 und 2. Der wesentliche Unterschied des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit zwei unterschiedlichen Polarisationen gearbeitet wird, von denen eine relativ zur anderen, vorzugsweise um 90°, phasenverzögert wird, um letztlich phasenverschobene Interferenzsignale zu erhalten, während man bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform mit unpolarisiertem bzw. einfach polarisiertem Licht auskommt und die zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Retroreflektors (8) gewünschten phasenverschdbenen Interferenzsignale in räumlich getrennten Auswertkanälen erzeugt, wie dies im folgenden näher beschrieben werden wird.

Ein Strahlteiler (20) teilt den Referenzstrahl des Referenzzweiges (5) in zwei getrennte Referenz-Teilstrahlzweige (24) und (25) auf. Ähnlich teilt die Strahlteüereinheit (21) den von der Meßstrecke in den zweiten Einmoden-Wellenleiter (11) eingekoppelten Meßstrahl in zwei Meß-Teilstrahlen auf, die in den Wellenleitern (26) und (27) geführt sind. In den beiden Rekombinationseinrichtungen (Al) und (A2) werden jeweils ein Meß-Teilstrahl und ein Referenz-Teilstrahl zur Interferenz gebracht Entscheidend ist nun, daß die relative Phasenlage zwischen Meß-Teilstrahl und Referenz-Teilstrahl an der Rekombinationseinrichtung (Al) einerseits und an der Rekombinationseinrichtung (A2) andererseits verschieden ist, womit die von den Detektoren (12a) und (12c) einerseits und (12b) und (12d) andererseits empfangenen Interferenzsignale ebenfalls gegeneinander phasenverschoben sind. Um die unterschiedlichen relativen Phasenlagen von Referenz-Teilstrahl und Meß-Teilstrahl an den beiden Rekombinationseinrichtungen (Al) und (A2) hervorzurufen, ist im Meß-Teilstrahlzweig (26) eine Phasentrimmeinrichtung (23) vorgesehen, mit der beispielsweise eine Phasenverschiebung um 90° hervorgerufen werden kann. Die in Fig. 3 gezeigten Linien der Lichtausbreitung können in der Praxis als Glasfasern oder in optisch integrierter Bauweise realisiert werden. Bei einer optisch integrierten Bauweise können die Brechzahlen in den entsprechenden Wellenleitern punktuell verändert werden, um die gewünschte Phasentrimmung zu erzielen. Bei einer Glasfaserausführung kann man verdrehbare Glasfaserschleifen zum Trimmen verwenden. (Dieser Effekt ist kürzlich im Zusammenhang mit der BERRY-Phase bekannt geworden.)

Beim Arbeiten mit voneinander wohl-getrennten Kanälen, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, hat man gegenüber dem Arbeiten mit Polarisationen den Vorteil, daß polarisationsabhängige Effekte bei Spiegelungen und Totalreflexionen auf der Meßstrecke unkritisch sind und daß die Anforderungen an die Strahlteiler nochmals reduziert sind. Außerdem kann man beim Arbeiten mit voneinander wohl-getrennten Kanälen auf einfache Weise auch mehrere in gewünschten Ausmaßen relativ zueinander phasenverschobene Inteiferenzsignale erhalten, wenn man den Referenzstrahl in mehr als zwei Referenz-Teilstrahlen und den Meßstrahl in mehr als zwei Referenz-Meßstrahlen auf teilt, und diese Referenz-Teilstrahlen und Meß-Teilstrahlen nach entsprechender Phasentrimmung an unterschiedlichen Rekombinationseinrichtungen zur Interferenz bringt.

Es ist klar, daß das erfindungsgemäße Interferometer nicht nur mit sichtbarem Licht, sondern beispielsweise auch mit infrarotem Licht betreibbar ist -6-

Claims (21)

1. AT 392 537 B PATENTANSPRÜCHE 1. Interferometeranordnung, insbesondere zur Entfemungs- bzw. Verschiebewegbestimmung eines beweglichen Bauteiles, mit einer Laserlichtquelle, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung des von der Laserlichtquelle emittierten Lichtes in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl, wobei der Meßstrahl durch einen Einmoden· Wellenleiter geführt ist und von diesem über eine kollimierende Auskoppellinse bzw. Auskoppellinsenanordnung auf die zumindest teilweise in einem gasförmigen Umgebungsmedium verlaufende und über einen beweglichen Meßspiegel führende Meßstrecke gelangt, mit einer Rekombinationseinrichtung, an der der über eine Referenzstrecke geführte Referenzstrahl und der von der Meßstrecke zurückkehrende Meßstrahl interferieren, und mit einer Detektoreinrichtung zur Analyse zumindest eines aus der Rekombinationseinrichtung austretenden Interferenzsignals, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Einmoden-Wellenleiter (11) und eine gesonderte Einkoppellinse (9) bzw. Einkoppellinsenanordnung vorgesehen sind, welche den durch den als Retroreflektor (8) ausgebildeten Meßspiegel mit Strahlversatz zurückreflektierten Meßstrahl in den zweiten Einmoden-Wellenleiter (11) einkoppelt.
2. 2. Interferometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einmoden-Wellenleiter (4), aus dem der Meßstrahl ausgekoppelt wird, und der zweite Einmoden-Wellenleiter (11) in ihrem der Meßstrecke zugewandten Endbereich parallel liegen.
3. 3. Interferometeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppellinse (7) und die gesonderte Einkoppellinse (9) im wesentlichen gleich ausgebildet sind.
4. 4. Interferometeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Retroreflektor (8) ein in an sich bekannter Weise Tripelreflektor ausgebildet ist
5. 5. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Lichtquelle (1) stammende Licht in der gesamten Interferometeranordnung bis auf die im Umgebungsmedium zwischen Aus- und Einkoppellinse(nanordnung) (7 bzw. 9) über den Retroreflektor (8) verlaufende Meßstrecke und gegebenenfalls bis auf den Bereich hinter der Rekombinationseinrichtung (A) in Einmoden-Wellenleitem (2, 4, 5, 11) geführt ist, wobei der Strahlteiler (B) und die Rekombinationseinrichtung (A) durch Wellenleiterkoppler gebildet sind.
6. 6. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (B) und die Rekombinationseinrichtung (A) gesonderte optische Elemente sind.
7. 7. Interferometeranordnung nach einem da Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmoden-Wellenleiter (2,4,5,11) Glasfasern sind.
8. 8. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmoden-Wellenleiter (2,4,5,11) als in einem Wafer eindiffundierte Wellenleiterbahnen ausgebildet sind.
9. 9. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmoden-Wellenleiter (2,4,5,11) des Interferometers, der Strahlteiler (B) und die Rekombinationseinrichtung (A) auf demselben Wafer integriert sind.
10. 10. Interferometeranoidnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wafermaterial kristallines Lithium-Niobat (LiNbOj) ist
11. 11. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der zwischen Strahlteiler (B) und Rekombinationseinrichtung (A) im Einmoden-Wellenleiter (4, 11) verlaufenden Strecken des Meßstrahles und die in einem Einmoden-Wellenleiter (5) verlaufende Referenzstrecke gleich lang sind.
12. 12. Interferometeranoidnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Laserdiode ist -7- AT 392 537 B
13. 13. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die der Meßstrecke zugewandten Endbereiche des Einmoden-Wellenleiters (4), aus dem der Meßstrahl ausgekoppelt wird, und des zweiten Einmoden-Wellenleiters (11) auf einem gemeinsamen Träger (18) festgelegt sind.
14. 14. Interferometeranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskopplungslinsen (7,9) an diesem Träger befestigt sind.
15. 15. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskopplungslinsen(anordnungen) (7, 9) jeweils eine Brennweite im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise im Bereich von 2 mm bis 4 mm, aufweisen.
16. 16. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskoppellinsen (7,9) Gradienten-Index-Linsen sind.
17. 17. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (8) direkt an einem beweglichen Bauteil, insbesondere an einem linear verschiebbaren Meßschlitten befestigt ist
18. 18. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit nur einer Lichtfrequenz arbeitet (Homodyn-Betrieb) und daß wenigstens zwei Photodetektoren (12a, 12c bzw. 12b, 12d) vorgesehen sind, die die Signalintensitäten zweier komplementärer Interferenzsignale aus der Rekombinationseinrichtung (A) erfassen.
19. 19. Interferometeranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Licht mit zwei vorzugsweise aufeinander senkrechten Polarisationsanteilen verwendet wird, daß im Meß- und/oder Referenzzweig eine Einrichtung (13) vorgesehen ist, die vor der Rekombination von Meß- und Interferenzstrahl in der Rekombinationseinrichtung (A) eine relative Phasenverschiebung um eine vorbestimmte Phase, vorzugsweise 90°, zwischen den beiden Polarisationsanteilen hervorruft, und daß in zumindest einem Ausgangszweig (14 bzw. 15) der Rekombinationseinrichtung (A) ein Polarisationsstrahlteiler (16 bzw. 17) angeordnet ist, dessen Teilstrahl-Intensitäten über Photodetektoren (12a, 12b bzw. 12c, 12d) erfaßbar sind.
20. 20. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlteilereinheit vorgesehen ist, die den in einem Einmoden-Wellenleiter geführten Referenzstrahl in mindestens zwei Referenz-Teilstrahlen aufteilt, daß eine weitere Strahlteilereinheit vorgesehen ist, die den von der Meßstrecke zurückgekehrten und in den zweiten Einmoden-Wellenleiter eingekoppelten Meßstrahl in mindestens zwei Meß-Teilstrahlen aufteilt, und daß wenigstens zwei Rekombinationseinrichtungen vorgesehen sind, in denen jeweils ein Referenz-Teilstrahl und ein Meß-Teilstrahl zur Interferenz gebracht sind, wobei die relativen Phasenlagen von Referenz-Teilstrahl und Meß-Teilstrahl an den einzelnen Rekombinationseinrichtungen unterschiedlich sind.
21. 21. Interferometeranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem Referenz-Teilstrahlzweig und/oder Meß-Teilstrahlzweig eine Phasentrimmeinrichtung angeordnet ist, um die unterschiedlichen relativen Phasenlagen von Referenz-Teilstrahl und Meß-Teilstrahl an den einzelnen Rekombinalionseinrichtungen festzulegen. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -8-