CH678109A5 - - Google Patents

Description

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CH 678 109 A5

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Beschreibung

Das Patent betrifft ein heterodynes Interferome-ter zur Längen- und Entfernungsmessung mittels kohärenter elektromagnetischer Strahlung.

Für die interferometrische Längenmesstechnik haben sich heterodyne Messverfahren als besonders anwendungsfreundlich und einfach gegenüber den klassischen Methoden erwiesen. Die optische Wellenleitertechnik ist eine Technologie, bei welcher in ein Substrat, meist Glas, partiell Salze in die Oberfläche eindiffundiert werden, so dass optische Leiterbahnen entstehen mit einem gegenüber dem Substrat unterschiedlichen Brechungsindex. Die optische Leitung in den Leiterbahnen erfolgt aufgrund der Totalreflektion wie in den bekannten Glasfasern, Diese Technologie hat gegenüber der klassischen Optik und der Lichtleitung durch Glasfasern Vor- und Nachteile, die hauptsächlich durch das Verfahren bestimmt werden.

Vorteile sind in der sehr kleinen Bauweise zu erkennen, in Verbindung mit der Glasfasertechnologie und den sehr kleinen Diodenlasern als Strahlungsquelle. Strahlenteilung, -zusammenführung und -mischung lassen sich einfacher ausführen als mit anderen bekannten optischen Methoden. Nachteile treten meist dann auf, wenn der optische Strahlengang aus dem Substrat heraus- oder hineingeführt werden muss und dabei eine Wegstrecke in Luft durchsetzt An diesen Übergängen treten infolge des kleinen Querschnittes der Leiterbahnen (0,1 mm typisch) grosse und unsymmetrische Beugungen auf, die für die interferometrische Anwendung anamorphotische Linsensysteme erfordern. Da der interferometrische Strahlengang sich aus Strahlenteilung und -zusammenführung aufbaut, ist er für die optische Wellenleitertechnologie gut geeignet. Klassische Interferometer sind in dieser Technologie vorgeschlagen worden zum Messen von Temperaturen und Drücken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein heterodynes Interferometer zur Längen- und Entfernungsmessung mittels kohärenter elektromagnetischer Strahlung zu beschreiben.

Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass mindestens zwei elektromagnetische Strahlungsquellen unterschiedlicher Frequenz in die als Strahlteiler wirkende Wellenleiter-Komponente eingekoppelt, darin geteilt und gemischt und mindestens eine Frequenz über die Messstrecke getrennt aus- und wieder eingekoppelt werden.

Im folgenden wird anhand der beiliegenden Abbildung ein Ausführungsbeispiel für ein heterodynes Interferometer in Wellenleitertechnologie beschrieben.

Es zeigt die Abbildung 1 die feste Wellenleiterplatte (1) und die bewegliche Wellenleiterplatte (2) mit dem Messstrahlengang (9). Beide Platten überdecken sich mit den Flächen, auf denen die Wellenleiter aufgebracht sind, zueinandergekehrt, sie sind gegenseitig justiert und die Bewegung erfolgt in Richtung der Wellenleiter (9) so, dass eine optische Kopplung von Platte (1) in Platte (2) ermöglicht wird. Gegebenenfalls kann die Kopplung durch Auftragen von Inversionsöl zwischen den Platten verstärkt werden. Die Strahlung der Diodenlaser mit der Frequenz fi (4) und h (3) werden in die Platte (1) eingekoppelt und in die Leiterwege (8-9-10) und (13-14) geteilt. Die Leiterwege (10-11-13) verlaufen parallel und so nahe nebeneinander, dass eine Mischung der Frequenzen fi und fs aus den Leitern (10) und (13) in den Leiter (11) so erfolgt, dass darin die Schwebungsfrequenz entsteht, die vom Planspiegel (12) in sich zurückreflektiert und von der Fotodiode (5) detektiert wird. Diese Schwebungsfrequenz ist die Referenzfrequenz des heterody-nen Interferometers. Die Frequenz fi (4) durchsetzt den Leiter (9) auf der Platte (1), wird in die Platte (2) eingekoppelt am Planspiegel (18) umgelenkt und wieder in die Platte (1) zurückgekoppelt, wo sie mit den Leitern (16) und (14) parallel verläuft, so dass im Leiter (16) die Mischung zur Messfrequenz aus den Frequenzen 1 und 2 erfolgt, die von der Fotodiode (6) des Messdetektors empfangen wird. Wird die Platte (2) des Interferometers bewegt, so ändert sich die Frequenz f| im Leiter (9) infolge Doppler-Effektes und damit die Schwebungsfrequenz im Leiter (16). Die Änderung dieser gegenüber im Leiter (11 ) ist das Mass für die Längenänderung der Platte (2) gegenüber der Platte (1). In bekannter Weise werden die beiden Schwebungsfre-quenzen je einem Zähler zugeführt, die durch einen Komparator untereinander verbunden sind, der die Differenz der Zählinhalte als Längenmessresultat anzeigt.

Die Diodenlaser als Strahlenquellen und die Fotodioden als Detektoren können auch über Glasfaserleitungen in den integrierten optischen Schaltkreis ein- und ausgekoppelt werden.

Eine Auskopplung des Messstrahles (9) aus dem integrierten optischen Schaltkreis in Luft und eine Wiedereinkopplung kann durch klassische optische Bauelemente, wie Objektive oder durch Beugungsgitter erfolgen, welche im Schaltkreis integriert sind. Bei einem solchen Aufbau würde die Wellenleiterplatte (2) durch ein Tripelprisma ersetzt werden, welches über die Messstrecke bewegt wird.

Der Leiterweg (8) führt die Frequenz ft in ein externes Fabry-Pérot Interferometer zur Stabilisierung der Wellenlänge des Diodenlasers (4). Am Ausgang des Fabry-Pérot Interferometers sind zwei Fotodioden (7) in Differentialschaltung angebracht, die den Interferenzring einfangen und die Frequenz des Diodenlasers durch Steuerung des Injektionsstromes so regeln, dass die Wellenlänge auf der Messstrecke konstant bleibt.

Für den Fall, dass die Messstrecke in einer bewegten Glasplatte (2) verläuft, besteht der Resonator des Fabry-Pérot Interferometers^ aus dem gleichen Material und kompensiert die Änderungen des Brechungsindexes dieses Materials infolge Temperaturänderungen und der daraus folgenden Änderung der optischen Wegiänge bzw. der Wellenlänge. In Abbildung 1 stellt die planparallele Glasplatte (19) mit den Spiegeln (20, 21) das Fabry-Pérot Interferometer dar.

Für den Fall, dass die Strahlung die Messstrecke in Luft (Abbildung 2) durchläuft, muss das Fabry-Pérot Interferometer mit Luftabstand ausgeführt werden, wobei die Abstandsplatten (22) zwi-

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sehen den Spiegeln aus einem Material bestehen müssen, weiches unabhängig ist von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft beeinflussen.

In Abbildung 2 stellen die Platten (22) den Luftabstand zwischen den Spiegeln her. Die Luftführung zwischen den Platten sollte so gestaltet werden, dass sie dem Zustand auf der Messstrecke entspricht. Die Messstrecke verläuft bei dieser Variante in Luft. Der Messstrahl wird durch das Objektiv (23) aus dem Lichtleiter ausgekoppelt, durchsetzt das bewegliche Tripelprisma (24) und wird durch das zweite Objektiv (25) wieder in die Lichtleiterbahn eingekoppelt. Der zweite Diodenlaser (3) wird zweckmässigerweise mit einer konstanten Differenzfrequenz gegenüber dem wellenlängenstabilisierten (4) nachgeführt. Dazu kann ein Quarzoszillator als Referenz verwendet werden, der den Diodenlaser (3) so regelt, dass die Referenzfrequenz des Detektors (5) konstant bleibt.

Der integrierte optische Schaltkreis kann auch so ausgebildet werden, dass mehrere Interferometer in mehreren Achsen angeordnet werden.

Zum Schutz gegen Verschmutzung können zwei spiegelbildlich integrierte optische Schaltungen mit den Leiterbahnen übereinander gekittet werden. Der optische Kitt kann dabei mit seinem Brechungsindex auf denjenigen der Leiterbahnen abgestimmt werden. Dadurch wird ausserdem erreicht, dass das halbkreisförmige Leiterprofil gerundet und für das Ein- und Auskoppeln in Glasfasern oder klassische optische Komponenten besser geeignet wird.

Der technische Fortschritt eines heterodynen Interferometers in optischer Weilenleitertechnik ist vielfältig: Durch die Verwendung von zwei getrennten Strahlungsquellen kann die Differenzfrequenz innerhalb eines breiten Spektralbereiches beliebig eingestellt werden, während man bei herkömmlichen bekannten heterodynen Interferometem mit He-Ne Gaslasern an die Resonatordaten zur Erfüllung der Voraussetzungen gebunden ist. So kann man im gleichen Schaltungsaufbau die Methoden der Wegmessung und der Entfernungsmessung verwirklichen, wobei für die Entfernungsmessung die Hilfsfrequenzen für die Grobmessung sowohl stufenweise als auch kontinuierlich eingestellt werden können.

Die Einstellung des Frequenzabstandes für die Wegmessung erlaubt es, das Interferometer bei der Anwendung im Maschinenbau den jeweiligen Anforderungen an die Vorschubgeschwindigkeiten der Maschinen anzupassen, da der Frequenzabstand der für die Messgeschwindigkeit begrenzende Faktor ist.

Durch die Verwendung integrierter optischer Wellenleiter ist die Mischung von Frequenzen zu Schwebungsfrequenzen sehr einfach und erfordert keine spezifischen Eigenschaften der Strahlungsquellen, wie das bei bekannten heterodynen Interferometem der Fall ist, bei denen vorausgesetzt wird, dass die einzelnen Frequenzen (Moden) unterschiedliche optische Eigenschaften, wie zum Beispiel lineare Polarisation mit orthogonaler Ausrichtung haben. Solche Voraussetzungen können mit dem Diodenlaser nicht verwirklicht werden, anderseits ist er durch seine Kleinheit die bevorzugte Strahlungsquelle für integrierte optische Wellenleiter, wodurch sich Interferometer verwirklichen lassen von einigen Zentimetern Kantenlänge.

Instrumenten solcher Abmessung stehen praktisch alle Anwendungsgebiete offen, vom Miniaturtaster bis zum Entfernungsmesser mit Messbereichen vom Submikrometer- bis in den Kilometerbereich.

Claims (2)

Patentansprüche

1. Heterodynes Interferometer zur Längen- und Entfernungsmessung mittels kohärenter elektromagnetischer Strahlung, mit mindestens einer in der Wellenleiter-Technologie aufgebauten Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei elektromagnetische Strahlungsquellen unterschiedlicher Frequenz in die als Strahlteiler wirkende Wellenleiter-Komponente eingekoppelt, darin geteilt und gemischt und mindestens eine Frequenz über die Messstrecke getrennt aus- und wieder eingekoppelt werden.

2. Heterodynes Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die die Wellenlänge oder Frequenz mindestens einer kohärenten Strahlungsquelle stabilisieren.

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