CH685020A5 - Gerät zur interferometrischen Distanzmessung. - Google Patents

Description

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CH 685 020 A5

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Beschreibung

Distanzmesser, die mit intensitätsmodulierter optischer Strahlung den Abstand zwischen dem Aufstellungspunkt des Gerätes und dem eines optischen Zielreflektors statisch messen, sind bekannt. Ihr Auflösungsvermögen beträgt ca. 1 bis 0,1 mm.

Distanzmesser, die mit kohärenter Strahlung auf dem Prinzip der Interferometrie und der Interferenzmodulation den statischen Abstand messen, sind vorgeschlagen und als Prototypen gebaut worden.

Die Messung der Entfernung D mittels optischer Wellen beruht auf der Gleichung

2 D = Na + «da worin a die optische Wellenlänge der Modulation, 4> die Phase dieser Welle und N ihr ganzzahliges Vielfaches ist. Sie setzt sich zusammen aus Na, das als Grobmessung und dem Bruchteil 4>a, der als Feinmessung bezeichnet werden soll. Letztere kann unmittelbar gemessen werden, wenn a bekannt ist. Unbekannt bleibt N, das zu seiner Ermittlung eine zweite Phasenmessung mit mindestens einer zweiten bekannten Wellenlänge notwendig macht. Da im allgemeinen der Messbereich sehr gross und das Auflösungsvermögen der Phasenmessung beschränkt ist, sind mehrere Wellenlängen und mehrere Messungen erforderlich, um N zu ermitteln. Diese Aufgabe kann mit bekannten Technologien und einem entsprechenden Aufwand gelöst werden, solange die Modulationsfrequenzen kleiner 1 GHz bleiben.

Bei der interferometrischen Distanzmessung tritt anstelle der Modulationswellenlänge a die Lichtwellenlänge x der Trägerfrequenz und die Gleichung lautet

2 D = NX + g>X

Damit ist die Trennung zwischen Grob- und Feinmessung in den Submikrometerbereich verschoben worden, etwa um sechs Dezimalen gegenüber dem Modulationsentfernungsmesser. Die notwendigen Wellenlängen zur Ermittlung von N werden in bekannter Weise durch Interferenzmodulation erzeugt, indem man zwei eng benachbarte kohärente Lichtwellen interferieren lässt zu einer Schwebungswelle. Die Detektion solcher Frequenzen ist bis zu einer Wellenlänge von ca. 1 m entsprechend 300 MHz mit vertretbarem Aufwand möglich. Zwischen dieser Frequenz und dem Anschluss an die Feinmessung sind aber die Werte von sechs Dezimalen notwendig mit Frequenzen bis in den Terrahertzbereich, deren Messung aufwendig, schwierig bis unmöglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Methode und die dazu gehörigen apparativen Mittel aufzuzeigen, die eine interferometrische Distanzmessung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäss werden zwei Strahlungsquellen mit sich überdeckenden Frequenzen verwendet, von denen eine in ihrer Frequenz oder Wellenlänge stabilisiert und die andere breitbandig veränderbar ist. Beide Strahlungen müssen so beschaffen sein, dass sie optisch isoliert werden können, sie durchlaufen das Messgerät gemeinsam, ohne miteinander zu interferieren. Dies wird dadurch erreicht, dass beide Quellen linear polarisiert und ihre Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander ausgerichtet oder über örtlich getrennte Strahlengänge geführt werden. Beide Strahlungen werden sodann durch ein polarisationsoptisches Teilerprisma zu einem Strahlengang vereint. Nach der Vereinigung werden beide Strahlen intensitätsgeteilt, ohne dass ihre Polarisationseigenschaften beeinflusst werden, wobei ein Strahlenpaar in das Referenz-Interfero-meter, das andere in das Mess-Interferometer gelenkt wird. Das Referenz-Interferometer ist eine stabile Konstruktion von bekannter Länge und erfüllt die Aufgabe als Interferenz-Spektrometer, den Frequenzabstand zwischen der stabilisierten bekannten und der variablen, unbekannten Frequenz optisch-spektroskopisch zu bestimmen. Dieser Frequenzabstand ist das rechnerische Mass für die Unterteilung der Messstrecke in Pseudo-Schwebungswel-lenlängen, die physikalisch nicht existent sind.

Das andere Strahlenpaar wird in das Mess-Interferometer veränderlicher Dimension gelenkt, wobei der gleiche Messprozess abläuft wie im Referenz-Interferometer. Jedes der beiden Interferometer beinhaltet zwei unabhängige interferometrische Strahlengänge für die stabilisierte und die variable Frequenz, die beide die gleichen optischen Wege durchlaufen. Am Ausgang der Interferometer werden die Polarisationen wieder getrennt und den Detektoren zugeführt.

Für den Aufbau eines doppelten interferometrischen Strahlenganges in einem Interferometer bestehen zwei Möglichkeiten für die Ausbildung des Teilerprismas. Mit dem klassischen Aufbau kann ein nichtpolarisierender Intensitätsteiler verwendet werden oder ein Polarisationsteiler unter 45° zu den orthogonalen Polarisationsrichtungen der Strahlung.

Für das Referenz-Interferometer ist bevorzugt ein Fabry-Pérot (FPI) Typ verwendbar. Das FPI hat den Vorteil einer einfach zu definierenden Länge und der schmaleren Linienbreite sowie der damit verbundenen höheren Auflösung. Die Messmethode soll am FPI erläutert werden. Die in das Interferometer eingestrahlte stabilisierte Wellenlänge erzeugt ein Interferenzstreifenmuster, das als Referenz der Messung zugrunde gelegt wird. Die genaue Länge des FPI und die Wellenlänge der Strahlung sind bekannt und damit die Anzahl der Wellenlängen in den einzelnen Ordnungen des Interferenzstreifenmusters. Die veränderliche Wellenlänge bildet ein gleichartiges Interferenzstreifenmuster, welches das der stabilen Wellenlänge überstreicht, wobei die Laufrichtung davon abhängt, ob die Wellenlänge gegenüber der stabilisierten vergrössert oder verkleinert wird, sie wechselt die Richtung und damit das Vorzeichen bei Gleichheit beider Wellenlängen. Für den Fall xv = Xr und für die Bedingung

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X = fi : ì) X r,. worin xv die variable v v 1 iy R

und Xr die stabilisierte Wellenlänge ist und i ein Integer, überdecken sich die Wellenlängen in allen Ordnungen des FPI.

Die Messmethode beruht auf der Erkenntnis, dass in einem interferometrischen Messarm, bei ganzzahliger Änderung der Anzahl Wellenlängen, hervorgerufen durch die Variation der Frequenz, die Frequenzdifferenz von Inkrement (Interferenzstreifenpassage) zu Inkrement konstant ist und der Länge des Messarmes entspricht, wenn sie durch die Lichtgeschwindigkeit c dividiert wird:

2 D — cpX = c/Av = N . X

Die praktische Verwirklichung der Messmethode wird dadurch erreicht, dass die Frequenzdifferenzen optisch und nicht elektronisch gemessen werden. Dabei ist es zweckmässig, mit zwei Wellenlängen zu messen, wovon die eine stabil, die andere variabel ist. Die stabile Wellenlänge dient bei der Zählung der Interferenzstreifenpassagen als Index, bei der interferenzspektrometrischen Messung der Frequenzdifferenzen als Frequenz- oder Wellenlängenreferenz und zur Auslösung der Triggerimpulse zur Ein- und Ausschaltung der Interferenzstreifenzähler. Die Wellenlängen der beiden Frequenzen sollen bevorzugt zueinander so liegen, dass die stabile an einem Ende und innerhalb des Variationsbereiches der variablen angeordnet ist.

Mit dieser Messmethode lässt sich die gesamte Anzahl Interferenzstreifen über den unbekannten Messbereich zählen, wenn die variable Wellenlänge von Xv = Xr bis Xv = Xr/2 oder xv = 2 Xr verändert werden kann.

Da zum gegenwärtigen Zeitpunkt solche kohärenten Strahlungsquellen noch nicht verfügbar sind, können nur ca. 1% der Passagen gezählt werden. Der Zählbereich der Messung kann verdoppelt werden, wenn ein frequenzverdoppelnder Kristall eingesetzt wird, der die Wellenlänge xv in xv/2 wandelt. Der Einfachheit halber soll angenommen werden, dass mit drei Strahlenquellen gemessen wird;

die stabile Xr die variable Xv und die variable mit frequenzverdoppelndem Kristall Xv/2. Die Xv/2 Quelle soll relativ zu den anderen im Spektrum so angeordnet sein, dass sie bei Xr/2 liegt und Xv/2 > Xr/2 variiert wird, sodass die Wellenlängenänderung gegenläufig zu Xv < Xr verläuft.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemässen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung als Doppel-Interfero-meter. Als Strahlenquellen sind die stabilisierte Laserdiode 1 und die variable Laserdiode 2 sowie die variable Laserdiode 3 mit dem frequenzverdoppelnden Kristall 3a, mit der nicht dargestellten Kollimatoroptik so angeordnet, dass ihre Polarisationsrichtungen zueinander ausgerichtet sind, wobei die Polarisationsrichtungen der beiden variablen Dioden parallel verlaufen und durch das polarisationsoptische Prisma 4 die Strahlungen von 1 und 2 gemischt werden. Die Diode 3 wird über den dichromatischen Spiegel 5 eingeblendet. Das folgende nichtpolarisierende Teilerprisma 6 teilt die Intensitäten der Strahlung für das Mess-Interferometer und das Referenz-Interferometer. Das Referenz-Inter-ferometer 20, 21, 22 ist als Fabry-Pérot-Interfero-meter mit einem stabilen Distanzrohr 21 als Referenzstrecke ausgebildet. Mit 23 sind die Detektoren dieses Interferometers bezeichnet, die bevorzugt als Diodenarray mit paarweise als Differenzdioden geschalteten Ringdioden aufgebaut sind.

Die geteilte Strahlung für das Mess-Interferometer wird durch das Polarisationsteilerprisma 7 in die beiden Komponenten Xr + xv zerlegt und durch die Prismen 7 und 8 örtlich voneinander getrennt, sodass die beiden Strahlengänge punktsymmetrisch zu den Tripelprismen 10 und 11 und zueinander orthogonal verlaufen. Das nachfolgende Teilerprisma 9 des Messinterferometers kann als polarisierendes oder nichtpolarisierendes ausgebildet werden, je nach Wahl des zur Verwendung kommenden Inter-ferometertyps. Für ein polarisationsoptisches Interferometer ist zusätzlich eine X/8 Verzögerungsplatte erforderlich, um die Polarisation der Strahlung um 45° zu drehen, wenn dies nicht schon durch die relative Lagenzuordnung der Prismen 7 und 8 gegenüber 9 erreicht wurde. Prisma 9 teilt die Strahlung in den Referenz- und Messarm, wo sie von den Tripelprismen 10 und 11 versetzt reflektiert und in 9 wiedervereint wird. Im Referenzarm ist eine phasenschiebende Vorrichtung 12 eingebaut, mit der der Betrag der Feinmessung kompensiert werden kann, die bevorzugt als piezokeramischer Wandler ausgeführt wird, der seine Länge in Abhängigkeit einer anliegenden Spannung ändert. Nach dem Austritt der Strahlengänge aus dem Prisma 9 werden diese durch die Prismen 13 und 14 geteilt, zueinander phasenversetzt und durch die Photodioden 16-18 detektiert.

In den optischen Anordnungen des Referenz-und Mess-Interferometers sind je zwei autonome interferometrische Strahlengänge untergebracht. In jedem Interferometer je einer für die stabile Referenzwellenlänge Xr und je ein weiterer für die variable Wellenlänge xv. Die beiden xr-Strahlengänge sind die Bezugsgrösse der Wellenlängenreferenz und der Index bei der Messung.

Der Messzyklus beginnt mit der Ermittlung des Bruchteils <pXR aus der Gleichung

2 D = NXr + <pXR.

Dazu ist lediglich die Messung der Phase <p im Messinterferometer der Wellenlänge Xr notwendig. Nach Abschluss der Messung wird die Phase cp kompensiert durch Anlegen einer Gleichspannung an den piezokeramischen Wandler des Phasenkom-

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pensators 12. Damit bleibt für die Grobmessurig: 2 D — cp/uR = NXr = c/av c die Lichtgeschwindigkeit ist die Basiskonstante der Meter-Definition

äv ist die Frequenzdifferenz der variablen Strahlung zwischen zwei Interferenzstreifenpassagen im Mess- und Referenz-Interferometer gegenüber dem Interferenzstreifen der bekannten Wellenlänge Xr als Index, es enthält die komplette Information über die gesuchte Strecke und ist konstant.

Für die nachfolgende Grobmessung kann die phasenkompensierende Gleichspannung durch eine Wechselspannung überlagert werden, die den als Index dienenden Interferenzstreifen von Xr moduliert. Das modulierte Signal kann elektronisch differenziert werden, wodurch die Genauigkeit der Messung verbessert wird.

Der Ablauf der Grobmessung beginnt mit der Variation der Wellenlänge xv aus der Xr benachbarten Endlage der spektralen Bandbreite, durch programmierte Änderung des Injektionsstromes der Laserdiode. Beim Erreichen des Zustandes Xv = Xr melden alle Diodenpaare 23 Gleichheit und aktivieren die Zähler der Interferometer. Ist die zu messende Distanz 2 D > 2 R, der Referenzlänge R, so empfängt der Messdetektor 15 und 16 den ersten Zählimpuls, ausgelöst durch eine Interferenzstreifenpassage relativ zu Xr.

*"R *

Im Zustand » ^— = 2 R, für xv < Xr

*R " *v empfängt auch das für die Zählung ausgewählte Diodenpaar des Referenzdetektors 23 den ersten Zählimpuls. Das Ende der Zählung wird kurz vor Erreichen des anderen Endes der spektralen Bandbreite von Xv durch einen Zählimpuls (konstante Anzahl) des Referenz-Interferometers ausgelöst, wenn Xv * Xr/2 ist. Zwecks Interpolation der Interferenzstreifenpassagen des Messinterferometers kann ein Clock-Oszillator parallel zählen mit einer Zählrate, die etwa eine Zehnerpotenz über den zu interpolierenden Dekaden liegt.

Nach Abschluss dieser Messung kann eine weitere erfolgen mit einer variablen Strahlungsquelle 3 und einem vorgeschalteten Kristall 3a zur Frequenzverdoppelung, bevorzugt gegenläufig zur ersten. Der Messablauf ist der gleiche, beginnend mit dem Zustand Xv = Xr/2 melden alle Diodenpaare 23 Gleichheit und aktivieren die Zähler der Interferometer.

Laserdioden im Einmodbetrieb können zur Zeit um maximal 1% variiert werden. Nimmt man für das FP Referenz-Interferometer eine optische Länge von 100 000 Xr an, wählt man Xr = 1 um, so ergibt sich eine Baulänge von 50 mm. Für den angegebenen Bandbreitenbereich erhält man 1000 Streifenpassagen im Referenzzähler und 100 000 im Messzähler für eine angenommene Messdistanz von 10 m. Weitere 200 000 bei der zusätzlichen Messung mit Frequenzverdopplung im Spektralbereich von Xr/2.

Die Verwendung eines FPI als Referenz hat den Vorteil, dass man ein Detektorpaar von 23 dazu verwenden kann, um die Laserdiode von Xr wellenlängenstabil zu regeln. Durch einen dem Detektorpaar vorgeschalteten Polarisator wird der Einfluss von Xv eliminiert und nur die Strahlung von Xr durchgelassen. Diese fällt als schmaler Ring auf den Doppelring des Differenzdetektors und regelt über den Injektionsstrom die Laserdiode so, dass ihre Wellenlänge konstant bleibt. Durch die Regelung auf konstante Wellenlänge bleibt das Interferenzstreifenmuster des FPI stabil und in Übereinstimmung mit den Dimensionen des Detektorarray. Diese Rückkopplung kann man gleichzeitig dazu benutzen, die Kohärenz der Diode zu regeln, indem man das Frequenzrauschen minimiert.

Für die Regelung der statistischen Fluktuation der Frequenz der variablen Strahlungsquelle ist ein weiteres separates FPI veränderbarer Länge erforderlich, dessen Längenänderung mit der Variation der Wellenlänge der Quelle so rückgekoppelt ist, dass die Interferenzerscheinung im Interferometer örtlich und in ihrer Dimension konstant bleibt.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben worden. Selbstverständlich ist es möglich, dass die erfin-dungsgemässe Messmethode mit nur einer variablen Strahlungsquelle oder akustooptischen Wandlern und Frequenzreferenzen in Form von Gasoder Dampfzellen durchgeführt wird. Auch können die apparativen Aufbauten der Interferometer anders gewählt werden sowie die Kombination von Mess- und Referenz-Interferometer. Ferner ist die Erfassung und Auswertung der Messdaten dem jeweils gewählten interferometrischen Messprinzip anzupassen und kann in einem anderen Aufbau erfolgen. Die vorstehend erläuterte Anordnung hat jedoch den Vorteil, dass sie sehr einfach mit bekannten Mitteln beschrieben werden kann, sodass sie für einen Durchschnittsfachmann geläufig ist.

Der erfindungsgemässe Aufbau und die Messmethode erlauben eine digitale Zählung der Anzahl N Interferenzstreifen auf der Messstrecke zwischen zwei physikalisch gut definierten Zuständen: xv = Xr und Xv = Xr/2 bzw. Xv = 2Xr.

Damit ist ein Fortschritt gegenüber der analogen Phasenmessung und ihren gestuften Messfrequenzen, die den Stand der Technik darstellen, erreicht.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Gerät zur optischen Distanzmessung, umfassend kohärente Strahlungsquellen (1, 2 + 3), Frequenz* oder Wellenlängenreferenzen (20, 21 + 22), interferometrische Anordnungen (9, 10 + 11) und photoempfindliche Empfänger (15, 16, 17, 18 + 23), die mit elektronischen Schaltungen verknüpft sind, die empfangene optische Signale quantifizieren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine kohärente Strahlungsquelle (1) veränderlicher Wellenlänge mit einer zugeordneten Wellenlängen- (20, 21 + 22) oder Frequenzreferenz verglichen wird oder mindestens eine zweite stabile Strahlungsquelle (2),

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die als Referenzwellenlänge oder -frequenz im Spektralbereich der veränderlichen (1) liegt, mit der die Differenz zur letzteren (1) ermittelt wird, deren Strahlungen durch optische Elemente (4, 5, 6, 7, 8, 13 + 14) kollimiert, optisch isoliert, vereint, geteilt, reflektiert, wiedervereint, separiert und detektiert werden, wobei sie zwei interferometrische Anordnungen, die mindestens je einen interferometri-schen Strahlengang umfassen, wovon die eine ein Mess-Interferometer unbekannter (9, 10 + 11) und die andere ein Referenz-Interferometer bekannter Länge (20, 21 + 22) ist, gemeinsam aber optisch isoliert durchlaufen, um eine gemeinsame Interferenz der Strahlungen untereinander auszuschlies-sen und die Strahlungen zu separieren, um eine getrennte Detektion der Interferenzerscheinungen jeder einzelnen Strahlung zu gewährleisten, um von den photoempfindlichen Sensoren der Interferometer in Abhängigkeit der Differenzfrequenz der Strahlungen gegenüber einer Referenzfrequenz zu detek-tieren und einer nachfolgenden gemeinsamen elektronischen Schaltung zuzuführen, die die Impulsfolgen der Interferenzstreifenpassagen speichert, interpoliert, mathematisch verarbeitet, vergleicht und daraus die unbekannte Dimension des Mess-Inter-ferometerarmes ermittelt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der interferometrische Strahlengang für die stabilisierte Wellenlänge Xr oder Frequenz vr im Mess-Interferometer gegenüber demjenigen der variablen Wellenlänge X.v oder Frequenz vv so geführt wird, dass er getrennt beeinflussbar ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzarm des Mess-lnterferometers eine optische Vorrichtung (12) angebracht ist, mit welcher die Phase im Interferometer kontinuierlich verschoben wird.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Phasenschiebung zusätzlich periodisch moduliert wird.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenz-Interferometer (20, 21 + 22) vom Fabry-Pérot-Typ mit Luftabstand der Platten ist und dass dieser Luftabstand durch eine stabile Vorrichtung (21 ) bestimmt wird, die aus einem Material besteht, welches von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft verändern, nur in einem vernachlässigbaren Mass beeinflusst wird und dass diese Vorrichtung Öffnungen hat zum freien Durch-fluss der Luft.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Photodetektorpaar, mindestens eine Interferenzerscheinung des Referenz-In-terferometers detektiert, über einen Rückkopplungskreis mit einer Strahlungsquelle verbunden ist und diese in ihrer Frequenz so beeinflusst, dass die Interferenzerscheinung örtlich unverändert bleibt und die Wellenlänge der Strahlungsquelle dadurch stabilisiert wird.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Photodetektorpaar mindestens eine Interferenzerscheinung des Referenz-In-terferometers detektiert, über einen Rückkopplungskreis mit einer Strahlungsquelle verbunden ist und diese in ihrer statistischen Frequenzfluktuation so regelt, dass diese auf ein Minimum kompensiert und die Kohärenz optimal wird.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Photodetektorpaare mindestens zwei Interferenzerscheinungen ungleicher Ordnung des Referenz-Interferometers detek-tieren und bei gleichzeitiger Übereinstimmung der Phasenlagen der Interferenzen von Referenz- und variabler Wellenlänge eine elektronische Schaltung aktivieren.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Photodetektorpaare mindestens zwei Interferenzerscheinungen ungleicher Ordnung des Referenz-Interferometers detek-tieren und die Interferenzstreifendurchgänge voneinander unabhängig zählen.

10. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle veränderlicher Wellenlänge oder Frequenz durch ein zusätzliches Fabry-Pérot-Interferometer steuerbarer Länge über einen Rückkopplungskreis in ihrer Frequenz so geregelt wird, dass die Interferenzerscheinung örtlich stabil bleibt und als Signal für einen zweiten Rückkopplungskreis dient, der ihre statistische Frequenzfluktuation auf ein Minimum regelt.

11. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Strahlung mindestens einer Quelle durch eine optische Vorrichtung verdoppelt wird.

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