AT399222B - Interferometrische einrichtung zur messung der lage eines reflektierenden objektes - Google Patents

Description

AT 399 222 B

Die Erfindung betrifft eine interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines reflektierenden Objektes mit - einer Laserlichtquelle, - einer Modulationseinrichtung zur Frequenzmodulation des Laserlichtes, s - einem Strahlteiler zur Aufteilung des Laserlichtes in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl, - einer Rekombinationseinrichtung, an der der vom Objekt zurückkehrende Meßstrahl bzw. Meßstrahlanteil und der über eine feste Referenzstrecke geführte Referenzstrahl unter Bildung von optischen Interferenzsignalen interferieren, - einer Photodetektoreinrichtung zur Wandlung der optischen Interferenzsignale in elektrische Signale, 10 - einer elektronischen Signalverarbeitungsanlage zur Auswertung der elektrischen Signale.

Interferometrische Einrichtungen ohne eine Modulationseinrichtung zur Frequenzmodulation des Laserlichtes sind seit langem bekannt und dienen zur Messung der Lage bzw. des Verschiebungsweges eines reflektierenden Objektes (insbesondere eines Meßspiegels; das Objekt kann aber auch irgend eine andere reflektierende Flache aufweisen). Homodyne Interferometer wurden dabei mit einer Frequenz bzw. einer 15 Wellenlänge betrieben. Je nach Lage des Meßspiegels (Gangunterschied zwischen dem vom Meßstrahl und dem vom Referenzstrahl zurückgelegten Weg) ergibt sich an der Kombinatseinrichtung je nach relativer Phasenlage zwischen Referenzstrahl und Meßstrahl konstruktive oder destruktive Interferenz. Wenn man die Intensität des optischen Interferenzsignals mit einem Photodetektor erfaßt, hat man die Möglichkeit, damit auch die Lage bzw. den Verschiebungsweg eines Objektes zu schließen. Die Signalauswertung ist dabei 20 aufwendig, da Intensitätschwankungen des Lasers ohne geeignete Gegenmaßnahme das Meßergebnis verfälschen können. Außerdem müssen Gleichspannungssignale exakt verstärkt werden, was ebenfalls einen erhöhten Aufwand bedeutet.

In der US-PS 4,729,653 wird daher das Laserlicht frequenzmoduliert. Dies führt im Interferenzsignal zu einer Amplitudenmodulation, deren Frequenz von der Lage des Meßobjektes abhängt und daher zur 25 Lagebestimmung verwendet werden kann. Ein Nachteil dieses Interferometers besteht darin, daß bereits kleine Verschiebungen der Lage des Lichtauftrittpunktes auf dem Meßobjekt in der Größenordnung der optischen Wellenlänge zu starken Schwankungen im Signal fuhren. Bei sich bewegenden oder vibrierenden Spiegeln oder bei einer rauhen Oberfläche des Meßobjektes können dadurch Fehler in der Messung auftreten. 30 Aufgabe der Erfindung ist es, eine interferometrische Einrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der einfach rasch und zuverlässig der Verschiebeweg bzw. die Lage eines reflektierenden Objektes bestimmt werden kann.

Erfindungsgemäß ist die Einrichtung gekennzeichnet, daß die elektronische Signalverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Erfassung der Phasenlage der durch die Frequenzmodulation des Laserlichts 35 hervorgerufenen Amplituenmodulation der elektrischen Signale aufweist.

Die Erfindung geht davon aus, daß durch die Frequenzmodulation in den elektrischen Signalen aus der Photodetektoreinrichtung eine Amplitudenmodulation auftritt, die Rückschlüsse auf die Lage bzw. den Verschiebeweg des Objektes erlaubt. Insbesondere spiegelt sich die Phasenlage zwischen dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl (welche beim normalen homodynen Interferometer durch optische Interferenz direkt 40 ausgewertet wird) in der Phasenlage der Amplitudenmodulation wieder, wobei die Phasenlage relativ zu einem Hochfrequenzreferenzsignal, insbesondere zu jenem Referenzsignal gemessen wird, mit dem die Modulationseinrichtung gespeist wird. Während es keine Detektoren gibt, die Frequenzen im optischen Bereich folgen können, stellt die Verarbeitung der mit der wesentlich niederen Modulationsfrequenz schwingenden Amplitudenmodulation mittels elektronischer Einrichtungen kein Problem dar. Die Modultions-45 frequenzen können beispielsweise im Megahertzbereich liegen, wobei günstigerweise eine kleinhubige Frequenzmodulation vorgenommen wird, sodaß das Frequenzspektrum neben der optischen Trägerfrequenz lediglich zwei gegenphasige und davon im Abstand der Modulationsfrequenz darunter bzw. darüber liegende Seitenbänder aufweist.

Bei einem Interferometer, das lediglich mit einer Trägerfrequenz betrieben wird, hat man gegenüber so einem homodynen Interferometer eine von der Laserintensität unabhängige und relativ einfache Signalauswertung. Es braucht lediglich die Phase der Amplitudenmodulation im Photostrom der Photodetektoreinrichtung mit der Phase der die Modulationseinrichtung treibenden Referenzfrequenz (beispielsweise im Megahertzbereich) verglichen werden. Diese Phase ist, wie bereits erwähnt, gleich der Phase zwischen den optischen Frequenzen des Referenzstrahles und des Meßstrahles. Man kann damit also die relative optische 55 Phasenlage zwischen Referenz- und Meßstrahl in einen wesentlich niedrigeren Frequenzbereich (beispielsweise Megahertzbereich) abbilden, welcher eine elektronische Auswertung erlaubt.

Wenn man ein homodynes Interferometer bzw. ein Interferometer gemäß der Erfindung mit einer einzigen Trägerfrequenz betreibt, so kennt man die Lage des Objektes bzw. des Meßreflektors nur bis auf 2

AT 399 222 B das Vielfache der entsprechenden halben Wellenlänge genau, weil sich bei der Verschiebung des Meßre-flektros um eine halbe Wellenlänge dasselbe Interferenzbild bzw. dieselbe Phasenlage der Amplitudenmodulation ergibt. Damit sind derartige interferometrische Einrichtungen weniger zur absoluten Entfernungsbestimmung als vielmehr zur Verschiebewegsbestimmung geeignet, wobei man lediglich zu zählen hat, wie oft sich die Phasenlage der Amplitudenmodulation im Photostrom jeweils um 2 v geändert hat.

Selbstverständlich sind auch Bruchteile von Phasenlagenänderungen erfaßbar, womit sich die Position des Objektes bzw. der Verschiebeweg weit genauer als eine halbe Wellenlänge festlegen läßt.

Wenn man an der "Feinheit'' des optischen Maßstabes in Einheiten von optischen Wellenlängen und darunter nicht oder nicht nur interessiert ist, dafür aber bessere Aussagen über die absolute Lage des Objektes machen will, besteht die Möglichkeit, ein Interferometer mit zwei (oder mehreren) verschiedenen Frequenzen bzw. Wellenlängen zu betreiben, wobei alle Frequenzen bzw. Wellenlängen über den Referenzzweig und den Meßzweig geführt werden. Während beim Betrieb eines Interferometers mit einer Frequenz die Unsicherheit bezüglich der Lage des Meßreflektors gerade Lambda/2 = c/2f beträgt, beträgt diese Unsicherheit bei Verwendung von beispielsweise 2 Frequenzen lediglich LambdayWue„=2c:(fi -f2). wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Dies ist gerade die Schwebungswellenlänge (auch virtuelle Wellenlänge genannt) zwischen den Frequenzen fi und h-

Dazu muß man die Differenz der relativen Phasenlage des Meß- und Referenzstrahles bei der einen Frequenz fi, und der relativen Phasenlage zwischen Meß- und Referenzstrahl bei der anderen Frequenz h kennen. Es besteht aber das Problem, daß diese Differenz der relativen Phasenlagen bei den benachbarten optischen Frequenzen in der Paxis nur schwer erfaßbar sind. Hier setzt nun wieder die erfindungsgemäße Idee ein, die optische Phasenlage entsprechend dem Gangunterschied zwischen Referenz- und Meßstrahl bei der jeweiligen Frequenz auf die Phasenlage einer wesentlich niederfrequenteren Amplitudenmodulation abzubilden, die sich dann leicht elektronisch weiterverarbeiten läßt.

Dies läßt sich gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung dadurch erreichen, daß die Laserlichtquelle bzw. eine dieser nachgeschaltete Frequenzverschiebeeinrichtung Laserlicht mit zumindest zwei verschiedenen optischen Frequenzen (fi, h,-) liefert, die in der Modulationseinrichtung jeweils mit individuellen Modulationsfrequenzen (fMOdi. fmod2,~) frequenzmoduliert werden, und daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Erfassung der Phasenlagendifferenz(en) zwischen den mit den individuellen Modulationsfrequenzen (fM0D7. fmod2<-) ampiitudenmodulierten Komponenten im elektrischen Signal umfaßt.

Im folgenden wird von zwei verschiedenen optischen Frequenzen ausgegangen, wenngleich sich die erfindungsgemäße Idee leicht auf drei oder mehrere optische Frequenzen ausdehnen läßt.

Mit den Aüfprägen einer individuellen Frequenzmodulation auf jede der beiden optischen Frequenzen werden diese gleichsam markiert. Es spiegelt dann nämlich die Phasenlage der Amplitudenmodulation bei der zu einer Frequenz fi gehörigen individuellen Modulationsfrequenz \modi gerade die direkt schwer zugängliche relative Phasenlage zwischen optischem Referenzstrahl und optischem Meßstrahl bei der Frequenz fi wieder. Die Phasenlage der Amplitudenmodulation bei der anderen Modulationsfrequenz fwoo2. mit der die zweite Frequenz f2 moduliert ist, spiegelt gerade die direkt schwer zugängliche optische Phasenlage zwischen Referenz- und Meßstrahl bei der Frequenz f2 wieder. Wenn man nun die Differenz der Phasenlagen der beiden Amplitudenmodulationen bildet, so kann man daraus die Lage des Objektes exakt ermitteln, wenn man vorher bereits bis auf eine halbe Schwebungswellenlänge genau weiß, wo sich das Objekt befindet. Dies ist nötig, da sich beispielsweise beim Verschieben des Objektes um eine halbe Schwebungswellenlänge dieselbe Phasenlagendifferenz zwischen den beiden Amplitudenmodulationen ergibt. Der Vorteil gegenüber einem mit einer Frequenz betriebenen Interferometer liegt aber darin, daß die zur Frequenzdifferenz fi-f2 gehörige Schwebungswellenlänge wesentlich größer ist als die zu einer der beiden Frequenzen gehörige optische Wellenlänge.

Man kann die erfindungsgemäße Idee auch stufenweise anwenden und beispielsweise mittels einer sehr großen Schwebungswellenlänge zunächst grob festlegen, wo sich das Objekt befindet. Man kann dann mit einer zweiten kleineren Schwebungswellenlänge die Lage des Objektes noch weiter präzisieren, weil man ja aus der ersten Messung bereits bis auf weniger als eine halbe zweite Schwebungswellenlänge genau weiß, wo sich das Objekt befindet. Damit ist eine zwei- bzw. auch mehrstufig ausführbare Lagebestimmung des Objektes möglich.

Wenn man beispielsweise davon ausgeht, daß man die Phasenlagendifferenz zwischen je zwei Amplitudenmodulationen auf ein Hundertstel genau bestimmen kann, so hat man bei Verwendung von zwei individuell frequenzmodulierten Trägerfrequenzen einen Dynamikbereich von Hundert. Das heißt, wenn man beispielsweise die Lage des Meßobjektes auf 10 cm genau kennt, dann kann man mit der erfindungsgemäßen Einrichtung die exakte Lage auf einen Millimeter genau bestimmen. Durch Verwendung einer dritten individuell frequenzmodulierten Trägerfrequenz, die mit einer der beiden ersten Trägerfrequenzen zu einer wesentlich geringeren Schwebungswellenlänge bzw. virtueller Wellenlänge führt, kann man die Lage um 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

AT 399 222 B einen weiteren Faktor 100, das heißt beispielsweise auf 10 Mikrometer genau bestimmen. Ausgehend von den anfänglichen 10 cm, von denen man weiß, daß sich darin das Meßobjekt befindet, gibt dies einen Dynamikbereich von 10.000. Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Idee auf zwei oder mehrere jeweils individuell frequenzmodulierte Trägerfrequenzen hat man die Möglichkeit, auch nicht als optische Spiegel ausgebildete Objekte lagemäßig zu bestimmen. Diese sogenannten "Non-cooperattve targets" können beispielsweise durch rauhe Oberflächen bestimmter Körper gebildet sein. Es ist keine Modenanpassung auf der optischen Skala erforderlich, denn die große Empfangsappertur kann verwendet werden, durch die viele optische Speckle-Muster passen und somit ein Verlust der Phaseninformation durch Intensitätseinbruch praktisch ausgeschlossen ist. Dies ist immer erfüllt, solang der Detektor nur ein konstruktives Speckle-Muster bezüglich der virtuellen Wellenlänge empfängt, das heißt, wenn der optische Spotdurchmesser auf dem Meßobjekt deutlich kleiner als die virtuelle Wellenlänge ist und es nicht zu stark verkippt ist. Das heißt, wenn das Meßobjekt bezüglich der virtuellen Wellenlänge ein. "Punktstrahler" ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung bei der Verwendung von zwei oder mehreren verschiedenen optischen Trägerfrequenzen besteht darin, daß die ermittelte Phasenlagedifferenz zwischen den individuellen amplitudenmodulierten Komponenten im Photostrom von der Bewegung des Meßobjektes auf der Skala der optischen Wellenlänge unabhängig ist und somit Bewegungen des Meßobjektes im Gegensatz zum parallelen Betrieb des Interferometers mit zwei Wellenlängen, aber ohne Modulationsmarkierung. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen interferometrischen Einrichtung, welches mit einer Trägerfrequenz betrieben wird; Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das mit zwei Trägerfrequenzen betrieben wird; Fig. 3 zeigt die Frequenzverteilung bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 vor dem Strahlteiler; Fig. 4 zeigt einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen interferometrischen Einrichtung. Bei der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung ist eine Laserlichtquelle 1 vorgesehen. Diese kann beispielsweise ein Helium-Neonlaser, aber auch jeder andere Laser, insbesonder ein Halbleiterlaser sein. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel liefert diese Laserlichtquelle linear polarisiertes Licht mit einer Frequenz. Dieses Licht wird in der Modulationseinrichtung 2, welche mit einem Referenzfrequenzsignal fmod 4 aus dem Referenzsignaloszillator 3 gespeist wird frequenzmoduliert. Beispielsweise eignen sich für solche Modulationseinrichtungen elektrooptische Kristalle. Im Fall eines Halbleiterlasers kann die Modulation der Frequenz einfach durch die Modulation des Injektionsstromes erreicht werden. Die Frequenzmodulation passiert also in der Laserlichtquelle selbst. Zu einem ganz kleinen Teil führt das auch zu einer Amplitudenmodulation. Falls diese Amplitudenmodulation stört, kann sie gemessen und bei der Signalverarbeitung abgezogen oder herausdividiert werden. Durch die kleinhubige Frequenzmodulation entstehen neben der von der Laserlichtquelle gelieferten Trägerfrequenz zwei im Abstand von fmod benachbarte gegenphasige Seitenbänder. Dieses frequenzmodulierte Licht gelangt nun auf den Strahlteiler 5, der es in Referenzstrahl 6 und Meßstrahl 7 aufteilt. Während der Referenzstrahl 6 eine fixe Referenzstrecke durchläuft, ist der Meßstrahl 7 über ein bewegbares Objekt 8 (im vorliegenden Fall ein Retroreflektor) geführt. In der als Strahlteiler ausgebildeten Rekombinationseinrichtung 9 interferieren der von der Meßstrecke zurückkehrende Meßstrahi 7 und der Referenzstrahl 6 unter Bildung eines optischen Interferenzsignales 10. Damit auch in Stellungen des Objektes 8, bei denen der Gangunterschied zwischen Meß- und Referenzstrahl gerade so ist, daß diese maximal destruktiv oder maximal konstruktiv interferieren, eine Signalauswertung möglich ist, sind eine Lambdaviertelplatte 11, ein Polarisationsstrahlteiler 12 und zwei Photodetektoren 13 und 14 vorgesehen. Die Lambdaviertelplatte steht mit ihrer optischen Achse unter 45° zur linearen Polarisationsrichtung des Laserlichtes. Dieses Laserlicht kann man sich aus zwei senkrecht aufeinander stehenden linear polarisierten Komponenten zusammengesetzt denken, von denen eine um eine viertel Wellenlänge bzw. um eine Phase von 90” im Lambdaviertelplättchen 11 zurückgehalten wird. Der Polarisationsstrahlteiler 12 steht ebenfalls unter 45* zur linearen Polarisafcc^srichtung des Laserlichts. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß immer verwertbares Licht auf einen der beiden intensitätsmessenden Photodetektoren 13 und 14 gelangt, weil sie gerade um 90° phasenverschobene Interferenzsignale empfangen. Diese künstlich hervorgehobene Phasenverschiebung kann durch den Phasenschieber 15 in der elektrischen Signalleitung 16 bei der Modulationsfrequenz wieder kompensiert werden. Danach werden die auf den Leitungen 16 und 17 anliegenden elektrischen Signale in einer Verstärkerschaltung 18 zusammengeführt und verstärkt. 4 55

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Durch die Frequenzmodulation in der Modulationseinrichtung 2 sind die Signale auf den elektrischen Leitungen 16 und 17 bzw. auf der Ausgangsleitung 19 mit der Modulationsfrequenz fmod amplitudenmoduliert. Diese Modulationsfrequenz kann beispielsweise im Megahertzbereich liegen. Die Phasenlage der Amplitudenmodulation auf der Leitung 19 spiegelt nun genau die relative Phase zwischen Referenzstrahl und Meßstrahl bei der Rekombinationseinrichtung wieder, wobei diese Phase der Amplitudenmodulation relativ zur Phase des Referenzfrequenzsignals 4 gemessen wird, das auch die Modulationseinrichtung 2 treibt. Der Phasenlagenvergleich erfolgt in der Einrichtung 20 und ist wegen der im Gegensatz zu den optischen Frequenzen niedrigen Modulationsfrequenz mit elektronischen Mitteln leicht möglich. Die aktuelle Phasenlage kann dann an eine Auswerteinrichtung 21 weitergegeben werden, welche daraus beispielsweise den Verschiebeweg des Objektes bzw. Retroreflektros 8 bestimmt. Bei jeder Änderung der Phasenlage um 2 π hat sich der Retroreflektor 8 um eine halbe Wellenlänge bewegt. Durch Zählen der Phasenänderungen um 2 * und Bestimmung der Bruchteile der Phasenlagenänderung kann man die Lage des Retroreflektors 8 auf Bruchteile von halben optischen Wellenlängen genau festlegen.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eignet sich hervorragend zur Bestimmung von Verschiebewegen. Zur absoluten Entfernungsbestimmung ist es aber nötig, die Lage des Meßobjektes vor der Messung bereits auf eine halbe optische Wellenlänge genau zu kennen.-.Erst von dort aus kann dann eine genauere Lagebestimmung vorgenommen werden. Oft kennt man aber die absolute Lage des Meßobjektes nicht auf eine halbe optische Wellenlänge genau und möchte trotzdem eine Lagebestimmung vornehmen. Dazu ist das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen interferometrischen Einrichtung geeignet, welches mit zwei Frequenzen betrieben wird. Bei dieser Ausführungsform muß man die anfängliche Lage des Meßspiegels 8 nur auf eine halbe virtuelle Wellenlänge kennen, die zur Differenzfrequenz zwischen den beiden Frequenzen fi und h gehört. Durch Wahl der Frequenzen fi und h und damit der zugehörigen virtuellen Wellenlänge (Schwebungswellenlänge) kann man sich den Meßbereich festlegen. Wenn beispielsweise die Differenzfrequenz zwischen fi und h derart ist, daß die virtuelle Wellenlänge 10 cm beträgt, so muß man die anfängliche Lage des Meßobjektes 8 nur auf 5 cm genau kennen und kann dann mittels der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung die Lage beispielsweise um den Faktor 100 genauer, das heißt auf 0,5 mm bestimmen.

Gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Laserlichtquelle beispielsweise ein Helium-Neonlaser 1 derart ausgebildet, daß sie neben einer ersten linear polarisierten Frequenz fi eine dazu senkrecht linear polarisierte Frequenz f2 liefert. In der Modulationseinrichtung 2 sind zwei Modulatoren 2a und 2b vorgesehen, die mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen fMOoi und fMOD2 aus den Referenzfrequenzoszillatoren 3a und 3b betrieben werden. Dabei wirkt der Modulator 2a auf die Frequenz fi und der Modulator 2b auf die Frequenz f2. Die Modulationsfrequenz fM0D1 kann beispielsweise 10 Megahertz betragen und die Modulationsfrequenz tMoaz 10,1 Megahertz. Dem Strahlteiler wird damit Laserlicht mit einer Frequenzverteilung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, zugeführt. Es sind zwei Trägerfrequenzen fi und f2 vorgesehen. Durch die individuelle Frequenzmodulation treten neben den Trägerfrequenzen Seitenbänder im Abstand der jeweiligen Modulationsfrequenz auf.

Auf der Ausgangsleitung 19 steht ein elektrisches Signal an, das zwei amplitudenmodulierte Komponenten aufweist, nämlich eine zur ersten optischen Frequenz fi gehörige Amplitudenmodulationskompenente mit der Frequenz fMooi und eine zweite zur zweiten optischen Frequenz f2 gehörige Amplitudenmodulationskomponente mit der Frequenz fM002·

Die Phasenlage der Amplitudenmodulationskomponente mit der Frequenz f^ocr spiegelt die relative Phasenlage zwischen Referenz- und Meßstrahl und damit den Gangunterschied bei der Frequenz fi wieder. Die Phasenlage der Amplitudenmodulationskomponente bei der zweiten Modulationsfrequenz iuoo2 spiegelt die relative Phasenlage zwischen Referenz- und Meßstrahl und damit den Gangunterschied bei der zweiten Frequenz f2 wieder. Damit sind die bei den beiden Frequenzen fi und f2 vorliegenden relativen Phasenlagen zwischen Meß- und Referenzstrahl vom optischen Bereich in den wesentlich niederfrequenteren Bereich abgebildet und somit weiteren Messungen zugänglich.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel interessieren jedoch die Phasenlagen der mit den individuellen Modulationsfrequenzen tM0D1 und fmodz amplitudenmodulierten Komponenten in elektrischem Signal für sich nicht, vielmehr wird lediglich die Phasenlagendifferenz zwischen diesen beiden Amplitudenmodulationskomponenten ermittelt. Diese läßt eine Bestimmung der Lage des Objektes bzw. Reflektors 8 zu, wobei es für eine eindeutige Lagebestimmung lediglich nötig ist, die Lage des Objektes vorher bis auf eine halbe virtuelle Wellenlänge (Schwebungswellenlänge zwischen den Frequenzen fi und f2) zu kennen.

Um die genannte Phasenlagendifferenz zu ermitteln, ist ein Multiplizierer 22 vorgesehen, der ein Differenzfrequenzsignal f2M0D - fj/woo (100kHz) auf Leitung 23 liefert. In der Phasenvergleichseinrichtung 20' wird dieses 100kHz Signal mit einem im Differenzbilder 24 zwischen den beiden Referenzsignalfrequenzen 5

Claims (13)

1. AT 399 222 B fiwooj und f«oo2 gebildeten Referenzsignal mit ebenfalls 100 kHz verglichen. Die Phasenlage des Meßsignaies auf Leitung 23 im Verhältnis zum Referenzsignal auf Leitung 25 gibt genau die Phasenlagendifferenz zwischen den mit den individuellen Modulationsfrequenzen f 1MOd und f2/woo amplitudenmodulierten Komponentenmodule im elektrischen Signal. Die Auswerteinrichtung 21' kann somit 5 die Lage des Objektes 8 ermitteln und anzeigen. Da bei der Bewegung des Meßobjektes 8 auf Grund der Dopplerverschiebung ebenfalls Frequenzkomponenten in kHz bis MHz-Bereich auftreten können, ist ein Hochpaß 26 vorgesehen, der diese niederen Frequenzen abblockt und lediglich die Amplitudenmoduiationsfrequenzen iMooi und f/woD2 durchläßt. Ein auf 100 kHz abgestimmter Tiefpaß 27 hält höhere Frequenzen von der Phasenvergleichseinrichtung io 20’ ab. Wie bereits erwähnt, eignet sich die Erfindung insbesondere auch zur Erfassung von Meßobjekten, die keine echten optischen Spiegel sind, sogenannte Non-Cooperative-Targets, wie dies beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist. Dort ist das Objekt 8' vorgesehen, welches eine rauhe Oberfläche aufweisen kann. Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt eine Lagebestimmung, unabhängig von der zurückkehrenden Lichtin-75 tensität. Strahlteiler 5 und Rekombinationseinrichtung 15 werden von demselben Bauteil gebildet. Damit auch ausgeschlossen werden kann, daß sich die reflektierten optischen Felder gemittelt über die Empfangsapparatur zufällig weginterferieren, kann eine Ablenkvorrichtung vorgesehen sein, die den Meßstrahl schnell über das Objekt 8' bewegt. Diese Ablenkvorrichtung 28 kann auf die verschiedensten Arten realisiert werden, beispielsweise mit einem piezobetriebenen Taumelspiegel. Wenn man nun den Meßstrahl 20 schnell über das Meßobjekt 8' bewegt, beispielsweise auf einer Kreisbahn und zwar so, daß sich dabei der Gangunterschied um weniger als eine halbe virtuelle Wellenlänge ändert, wird immer wieder Licht vom Meßobjekt zurückkehren. Es kann zwar das 100 kHz-Signal gelegentlich zusammenbrechen (nämlich dann, wenn sich die optischen Felder gemittelt über die Empfangsapparatur zufällig weginterferieren). Es kommt aber nie zu einer Phasenumkehr bei großer Amplitude. Das heißt, nach Wiedereingehen des Lichtes kann 25 man ohne Probleme weitermessen. Die Ablenkung des Lichtstrahles kann auch dazu verwendet werden, einen Gegenstand oder eine Oberfläche ohne mechanische Bewegung derselben ein- oder zwei-dimensional abzuscannen und ein Höhenprofil aufzunehmen. so Patentansprüche 1. Interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines reflektierenden Objektes mit - einer Laserlichtquelle, - einer Modulationseinrichtung zur Frequenzmodulation des Laserlichtes, 35 40 45 50 - einem Strahlteiler zur Aufteilung des Laserlichtes in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl, - einer Rekombinationseinrichtung, an der der vom Objekt zurückkehrende Meßstrahl bzw. Meßstrahlanteil und der über eine feste Referenzstrecke geführte Referenzstrahl unter Bildung von optischen Interferenzsignalen interferieren, - einer Photodetektoreinrichtung zur Wandlung der optischen Interferenzsignale in elektrische Signale, - einer elektronischen Signalverarbeitungsanlage zur Auswertung der elektrischen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Signalverarbeitungseinrichtung (15, 18, 20, 20', 21, 21', 22, 26, 27) eine Einrichtung zur Erfassung der Phasenlage der durch die Frequenzmodulation des Laserlichts hervorgerufenen Amplitudenmodulation der elektrischen Signale aufweist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung das dem Strahlteiler zugeführte Laserlicht mit einer Modulationsfrequenz fM0D frequenzmoduliert und daß die Phasenlage der Amplitudenmodulation durch Vergleich mit dem bei der Modulationsfrequenz fmod liegenden Referenzfrequenzsignal ermittelt wird, weiches die Modulationseinrichtung (2) ansteuert.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle (1) bzw. eine dieser nachgeschaltete Frequenzverschiebeeinrichtung Laserlicht mit zumindest zwei verschiedenen optischen Frequenzen (fi, h,-) liefert, die durch eine Modulationseinrichtung (2) jeweils mit individuellen Modulationsfrequenzen (fMoD7, f/woo2i*··) frequenzmoduliert werden, und daß die Signalverarbeitungseinrichtung (15, 18, 20, 20', 21, 21', 22, 26, 27) eine Einrichtung zur Erfassung der Phasenlagendifferenz(en) zwischen den mit den individuellen Modulationsfrequenzen (fiuor», fMooa····) amplitudenmodulierten Komponenten im elektrischen Signal umfaßt. 6 55 AT 399 222 B
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, vorzugsweise einen multiplikativen Mischer (22) zur Erzeugung eines Differenzfrequenzsignals (½¾¾ - ^modi) zwischen den amplitudenmodulierten Komponenten, wobei eine Einrichtung (20') zur Ermittlung der Phasenlage dieses Differenzfrequenzsignals relativ zu einem Referenzdifferenzfrequenzsignal vorgesehen ist, welches aus 5 der Differenz jener bei den individuellen Modulationsfrequenzen liegenden Referenzfrequenzsignale gebildet ist, die die Modulationseinrichtung (2) ansteuern.
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Laseriicht wie an sich bekannt zumindest eine linear polarisierte Komponente aufweist. 10
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise im Referenzstrahl oder im Meßstrahl eine polarisationsabhängige optische Phasenverzögerungseinrichtung, vorzugsweise eine Viertelwellenplatte (11) angeordnet ist.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Rekombinationseinrichtung (9) eine polarisationsselektive Aufteileinrichtung, vorzugsweise ein Polarisationsstrahlteiler (12), nachgeschaltet ist, und die einzelnen aufgeteilten optischen Signale auf verschiedene Photodetektoren (13,14) treffen.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 6 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einer von einem Photodetektor (14) ausgehenden elektrischen Signalleitung ein Phasenschieber (15) vorgesehen ist und daß die Signalleitungen (16,17) von den einzelnen Photodetektoren (13,14) nach dem bzw. den Phasenschieber(n) zusammengeführt sind.
9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektoreinrichtung (13, 14) ein Hochpaß (26) nachgeschaltet ist, dessen Grenzfrequenz bei oder knapp unterhalb der bzw. den Modulationsfrequenzen der Frequenzmodulation liegt.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung zur Ermittlung des 30 Differenzfrequenzsignals ein Tiefpaß (27) nachgeschaltet ist, dessen Grenzfrequenz bei oder knapp oberhalb der Differenz der Modulationsfrequenzen der Frequenzmodulation liegt.
11. 11. Einrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlablenkeinrichtung (28) vorgesehen ist, mit der der Meßstrahl auf unterschiedliche Stellen des 35 Objektes richtbar ist.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkeinrichtung (28) den Meßlichtstrahl laufend gemäß einer vorgegebenen kontinuierlichen Folge von Ablenkwinkeln ablenkt.
13. 13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle in an sich bekannter Weise ein Halbleiterlaser ist, dessen Emissionsfrequenz, beispielsweise durch Variation des Injektionsstromes, frequenzmoduliert wird. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 45 50 7 55