DD243755A1 - Interferometrische distanzmessvorrichtung mit mehreren mittels dopplereffekt variierten lichtfrequenzen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung "Interferometrische Distanzmessvorrichtung mit mehreren mittels Dopplereffekt variierten Lichtfrequenzen" betrifft das Gebiet der optoelektrischen Entfernungsmessung. Das Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur absoluten Entfernungsmessung durch Zusammenwirken von mikrorechnergesteuerten optischen und mechanischen Komponenten. Die Aufgabe wird dadurch geloest, indem ein Laser mit zwei linear polarisierten, orthogonal orientierten Moden verwendet wird, die in einer optomechanischen Vorrichtung unter Ausnutzung des optischen Dopplereffekts in ihrer Frequenz geaendert werden koennen. Beide Moden durchmessen identisch eine Interferometerstrecke und werden nach erfolgter Interferenz ueber Polarisationsteiler getrennt und auf separate Wandlereinheiten gerichtet. Fuer jedes Interferenzsignal wird ein ganzer Signalzug registriert, indem der Referenzreflektor in kleine Schwingungen versetzt wird und die Detektorsignale eine schnelle A/D-Umsetzung mit synchroner Einspeicherung erfahren. Die im Mikrorechner rekonstruierten Signalzuege werden normiert, worauf die Berechnung der Phasendifferenz erfolgt, die dem zu ermittelnden Distanzmesswert direkt proportional ist. Die Kombination verschiedener frequenzvariierter Modenpaare erlaubt eine eindeutige Entfernungsmessung ueber groessere Distanzen.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung .

Die Erfindung betrifft eine interferometrische Distanzmeßvorrichtung mit mehreren mittels Dopplereffekt variierten Lichtfrequenzen. Die Erfindung ist anwendbar insbesondere für Entfernungsmessungen übermittlere Distanzen (100 m) mit einer Meßgenauigkeit im SubmillimeterbereichjZ. B. im Maschinenbau, Bauwesen u.s.w.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Anordnungen zur absoluten Entfernungsmessung mittels Laserinterferometersind bekannt. Sie beruhen auf dem Prinzip, daß eindeutige Distanzangaben durch Kombination von Interferenzmeßresultaten mit verschiedenen Lichtwellenlängen gewonnen werden können. Ein derartiges leistungsfähiges Interferometer wird in der Zeitschrift „Optical Engineering" Mai, Juni 1983/ Vol.22 Nr.3 S.348-353 beschrieben. Die erforderlichen einzelnen Wellenlängen werden aus dem Modenspektrum eines CO₂-Lasers gewonnen, indem sie nacheinander über eine Bragg-Zelle ausgekoppelt werden. Die mit diesem Gerät erzielten hohen Meßgenauigkeiten rechtfertigen den hohen technischen Aufwand.

Nicht in jedem Fall sind jedoch Auflösungen und Genauigkeiten im nm-Bereich erforderlich, so daß Meßgenauigkeiten von einigen mm bereits mit relativ einfachen Vorrichtungen erzielt werden können. Eine entsprechende Anordnung wird im US-Patent 3542472 dargestellt. Hier wird ein Satz geeigneter Wellenlängen mit einer Laserlichtquelle erzeugt, deren Resonatorspiegelabstand mechanisch geändert werden kann. In diesem Fall sind hohe Anforderungen an die Spiegelhalterungen zu stellen. Das Meßsystem hatdarüberhinaus den entscheidenden Nachteil, daß die Bestimmung des Meßwertes über ein durch Interferenzen entstandenes Kontrastminium erfolgt, indem der Referenzref lektor des Interferometers auf einem Schlitten mechanisch verschoben wird. Auf diese Weise dauert der Meßvorgang relativ lange und eine vollautomatische Durchführung wäre aufwendig.

Im US-Patent 4005936 wird eine interferometrische Methode beschrieben mit einer Laserlichtquelle, die zwei verschiedene Lichtfrequenzen aussendet. Beide Strahlanteile durchmessen eine Interferometeranordnung und durchlaufen zum Referenzreflektor verschiedene Wege, auf denen sie durch spezielle Vorrichtungen jeweils eine Frequenzänderung erfahren. Auf diese Weise ist das resultierende Detektorsignal eine Wechselspannung, deren Phase ein Maß für die gesuchte Distanz ist. Die Vorrichtungen zur Frequenzänderung, die z. B. rotierende optische Gitter, schwingende Spiegel, Pockels-Zellen, Zeeman-Aufspaltungssysteme u. a. sein können, werden nur zur Realisierung der besonderen Form der Interferometrie genutzt, jedoch nicht zur Variation der Laserfrequenzen, um einen Satz von Maßstäben zur eindeutigen Distanzbestimmung über größere Entfernungen zu erzeugen. Dieser Gedanke wird nicht in Erwägung gezogen.

In der Patentschrift WP G 01 C 3/08209263 ist eine interferometrische Anordnung dargestellt, die durch Modifizierung bekannter Laser-Weg-Meßsysteme erreicht wurde. Das verwendete Interferometer besitzt einen durch mehrere Teilerschichten relativ komplizierten Aufbau und erfordert für die gleichzeitige Messung mit zwei Laserfrequenzen acht Detektoren. Der erforderliche Satz unterschiedlicher Wellenlängen wird durch den Einsatz mehrerer Laserlichtquellen, deren Modenabstand durch geringfügig geänderte Laserspiegelabstände verschieden ist, realisiert. Damit ist der optische Aufwand dieser Anordnung relativ hoch.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung 1st die Entwicklung einer interferometrischen Anordnung zur optoeleTctronischen Distanzmessung mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich, die einen relativ geringen Aufwand erfordert, einen einfachen optischen Aufbau aufweist und eine vollautomatische Messung mit kurzer Meßzeit gestattet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Anordnung zur Distanzmessung auf der Grundlage der Laserinterferometertechnikzu erzielen, die vorzugsweise für mittlere Distanzen (100 m) geeignet ist und damit einen Meßbereich erschließt, derfür Geräte, die auf Lichtmodulation beruhen, nur mit Einschränkungen ausgefüllt werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem eine Anordnung gewählt wird, die

1. aus einer Laserlichtquelle mit zweier linear polarisierten Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz f_1# f₂ und orthogonalen Polarisationsebenen,

2. einer Vorrichtung zur Variation der Lichtfrequenzen und

3. einem Interferometerblock einschließlich optoelektrischer Wandler und spezieller elektronischer Auswertetechnik besteht. Die vom Laser erzeugten beiden linear polarisierten Moden, deren Polarisationsorientierung orthogonal ist, werden in einer speziellen optischen Vorrichtung zunächst getrennt und auf mehrfach definierte Weise unter Ausnutzung des optischen Dopplereffekts in ihrer Frequenz geändert, wobei auch der Fall enthalten ist, daß beide Frequenzen unverändert bleiben. Darauf werden die Moden über polarisationsdrehende Mittel wieder zusammengeführt und auf den Interferometerblock gerichtet. Auf diese Weise wird ein Satz von verschiedenen Laserwellenlängenpaaren erzeugt, die im Zusammenhang mit der nachfolgenden interferometrischen Phasenmessung verschiedenen Distanzmaßstäben entsprechen, deren Kombination eine eindeutige Entfernungsmessung über größere Bereiche erlaubt.

Beide Lichtfrequenzen durchmessen innerhalb der Interferometerstrecke identisch den gleichen optischen Weg und werden nach erfolgter Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl mittels Polarisationsteiler wiederum räumlich getrennt und auf Photodetektoren gerichtet, so daß für jede Lichtfrequenz ein separates Interferenzsignal registriert wird. Da derzu ermittelnde Distanzmeßwert in direkter Beziehung zur Phasendifferenz der beiden Interferenzsignale steht, sind die einzelnen Phasenwinkel zu bestimmen. Diese Messung kann mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden, wenn für jedes einzelne Interferenzsignal nicht nur ein Momentanwert, sondern ein ganzer Signalzug registriert wird, indem das Referenzreflektor z. B. Schwingungen geringer Amplitude versetzt wird und die Detektorsignale eine schnelle Analog-Digitalwandlung mit synchroner Einspeicherung erfahren. Wird auf diese Weise für jedes Interferenzsignal mindestens eine volle Signalperiode registriert, so kann jeder aus seinen Abtastwerten rekonstruierte Signalzug zunächst normiert werden, worauf die Berechnung der Phasenwinkel über entsprechende Winkelfunktionen erfolgen kann. Somit ist die Messung von Schwankungen der Strahlintensität sowie von den unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Meßkanäle unabhängig. Alle numerischen Operationen werden von einem Mikrorechner übernommen, der darüberhinaus mit Hilfe von Peripheriebausteinen die Steuerung der Reflektorschwingung und Signalverwandlung durchführt und außerdem die vor dem Interferometer erfolgende Variation der Lichtfrequenzen mit dem Meßvorgang synchronisiert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung Fig. 1 ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Die Anordnung besteht aus einer Laserlichtquelle 1, die zwei linear polarisierte Lichtwellen unterschiedlicher Frequenzf| und ^ aussendet, deren Polarisationsebenen orthogonal zueinander orientiert sind. Der Laserstrahl durchläuft zunächst eine Vorrichtung, die eine Variation der Lichtfrequenzeri unter Ausnutzung des optischen Dopplereffekts ermöglicht. Diese Vorrichtung besteht aus einem Polarisationsteiler 2, der die beiden Lasermoden separiert und direkt bzw. über ein Umlenkprisma 3 auf Reflektoren richtet, von denen zwei 5a, b auf einer rotierenden Scheibe 4 und zwei weitere 5c, d räumlich fest angeordnet sind. Die reflektierten Moden werden darauf unter Verwendung polarisationsdrehender Mittel, z. B. λ/2-Plättchen 8 a, b, über denselben Polarisationsteiler wieder vereinigt. Infolge der Rotation der Scheibe erfährt jeweils die auf einen bewegten Reflektor gerichtete Strahlkomponente eine geschwindigkeitsabhängige Dopplerverschiebung, die innerhalb einer kleinen Meßzeit nahezu konstant ist. Durch geeignete Anordnung der Reflektoren, wie das z. B. aus Fig. 1 hervorgeht, lassen sich auf diese Weise mehrere verschiedene Frequenzpaare erzeugen. Sensormarken, die im einfachsten Fall aus Bohrungen 6a-d bestehen und Überzwei Photodioden 7 a, b in Verbindung mit jeweils gegenüberliegenden Lichtquellen abgefragt werden, ermöglichen durch einen Signalanschluß an einen Mikrorechner 21 eine von der Reflektorstellung abhängige Auslösung des Meßvorgangs.

Der so beeinflußte Laserstrahl wird auf einen Interferometerblock gerichtet, der aus einem einfachen Michelson-Interferometer besteht, d.h. einem 50%-Strahlteiler 9 sowie einem Meß-und Referenzreflektor 14 und 12. Die Funktionsweise ist für beide Strahlanteile identisch und erst nach dem Passieren der Interferometerstrecke werden beide Komponenten über Strahlteiler 10 und Umlenkprismen 11 separiert und auf getrennte Photoelemente 16 mittels Linsen 15 fokussiert. Zur besseren Signalausbeute werden die Anteile gleicher Frequenz über Differenzbildner 17 a,b verknüpft, was auf Grund einer Phasenverschiebung von 180° die Hebung der Signalamplitude und Verminderung des Gleichanteils zur Folge hat. Die beiden Meßkanäle sind darauf mit Abtasthaltegliedern 18a, b verbunden, um eine gleichzeitige Zwischenspeicherung der Abtastwerte zu realisieren. Über einer Multiplexschalter 19 werden die Analogmeßwerte einem A/D-Wandler 20 zugeführt und schließlich in einen Mikrorechner 21 eingespeichert. Um einen ganzen Signalzug, d.h. mindestens einen Hell-Dunkel-Durchgang jedes Interferenzsignals, abzuspeichern, wird der Referenzreflektor 12 durch einen Oszillator 13 in kleine Schwingungen versetzt. Die Ansteuerung des Oszillators wird über einen D/A-Wandler 23 realisiert, der mit der gleichen Rechnereinheit 21 verbunden ist. Dadurch läßt sich das Schwingungsverhalten des Referenzreflektors mit den durch die Sensormarken der rotierenden Scheibe ausgelösten Impulsen synchronisieren. Das im Mikrorechner enthaltene Programm normiert zunächst beide Signalzüge und führt darauf die Berechnung der Phasendifferenz durch, die der Entfernung des Meßreflektors 14 direkt proportional ist. Die Anzeige des Meßwertes erfolgt über ein Ausgabemedium 22.

Claims (4)

1. - 1 - Z«K5 /DO

   Erfindungsanspruch:

   1. Interferometrische Distanzmeßvorrichtung mit mehreren mittels Dopplereffekt variierten Lichtfrequenzen mit einer Laserlichtquelle, die zwei linear polarisierte, orthogonal orientierte Axialmoden unterschiedlicher Frequenz aussendet, und einem Interferometer, bestehend aus einem 50%-Strahlteiler und zwei Reflektoren sowie mindestens zwei Polarisationsteilern und Umlenkprismen zur Separierung der Lasermoden, deren Interferenzsignale über getrennte optoelektronische Wandler registriert und gespeichert werden, gekennzeichnet dadurch, daß ein Referenzref lektor mit einem Oszillator verbunden ist, dessen Erregerspannung mittels D/A-Wandler über einen Mikrorechner gesteuert wird und daß zwischen Laserlichtquelle und Interferometerblock eine Vorrichtung zur Variation der Lichtfrequenzen angeordnet ist, die ebenfalls über Signalleitungen mit dem Mikrorechner in Verbindung steht.
2. 2. Anordnung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Vorrichtung zur Variation der Lichtfrequenzen aus einem Polarisationsteiler zur räumlichen Trennung der beiden Axialmoden sowie einer Anzahl von festen und beweglichen Reflektoren besteht, die die getrennten Laserstrahlen parallel reflektieren und über denselben Polarisationsteiler unter Verwendung von λ/2-Plättchen wieder vereinigen und daß bei Bewegung eines Reflektors unter Ausnutzung des optischen Dopplereffekts die durch ihn reflektierte Lichtkomponente eine Änderung in ihrer Frequenz erfährt.
3. 3. Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die zur Realisierung des Dopplereffekts vorgesehenen Reflektoren vorzugsweise auf einer rotierenden Scheibe angeordnet sind und in geeigneten Stellungen entweder die eine oder die andere Lichtkomponente reflektieren oder den Lichtweg auf jeweils einen von zwei fest eingerichteten Reflektoren freigeben.
4. 4. Anordnung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die rotierende Scheibe mit Sensormarken versehen ist, die zur Erzeugung von Triggerimpulsen dienen und mit der Mikrorechnereinheit verbunden sind.