DD264750A1

DD264750A1 - INTERFEROMETER FOR ABSOLUTE DISTANCE MEASUREMENT WITH INTEGRATED LASER WAY MEASURING SYSTEM

Info

Publication number: DD264750A1
Application number: DD30829187A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Dieter Salewski; Gerhard Heymel; Andreas Bauer
Original assignee: Univ Ernst Moritz Arndt
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1989-02-08

Abstract

Die Erfindung "Interferometer zur absoluten Distanzmessung mit integriertem Laser-Weg-Messsystem" betrifft das Gebiet der Distanzinterferometrie. Das Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur absoluten Entfernungsmessung, die die Vermessung des Reststuecks einer synthetischen Wellenlaenge mit einem konventionellen Interferometer realisiert. Die Aufgabe wird dadurch geloest, indem ein Laser mit zwei linear polarisierten, orthogonal orientierten Moden verwendet wird, von dem ein Teil der Strahlleistung nach Projektion beider Moden in gemeinsame Polarisationsebenen einem Zweifrequenzinterferometer zugefuehrt wird, waehrend der andere Strahlanteil nach Ausblendung eines Modes einem konventionellen Interferometer dient. Der Referenzreflektor des Zweifrequenzinterferometers und der Messreflektor des konventionellen Interferometers sind miteinander verbunden und koennen gemeinsam auf einem mechanischen Schlitten verschoben werden. Die einem Minimum des Interferenzkontrastes entsprechende Schlittenposition entspricht dem Reststueck der synthetischen Wellenlaenge und kann mit Hilfe des konventionellen Interferometers sehr genau vermessen werden.The invention "interferometer for absolute distance measurement with integrated laser path measuring system" relates to the field of distance interferometry. The object of the invention is an apparatus for absolute distance measurement, which realizes the measurement of the remainder of a synthetic wavelength with a conventional interferometer. The object is achieved by using a laser with two linearly polarized, orthogonally oriented modes, of which part of the beam power is supplied to two-frequency interferometer after projection of both modes in common polarization planes, while the other beam component after masking a mode is a conventional interferometer , The reference reflector of the two-frequency interferometer and the measuring reflector of the conventional interferometer are connected to each other and can be moved together on a mechanical slide. The carriage position corresponding to a minimum of the interference contrast corresponds to the remainder of the synthetic wavelength and can be measured very accurately using the conventional interferometer.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Distanzinterferomet.'ie, innerhalb der das Reststück einer synthetischen Wellenlänge mit einem konventionellen Interferometer zur Längenmessung vermessen wird. Din Erfindung ist anwendbar für Entfernungsmessungen über mittlere Distanzen (max. 100m) mit einer Meßgenauigkeit im Submillimeterbereich u.a. im Maschinenbau und Schiffbau.The invention relates to an arrangement for Distanzinterferomet.'ie, within which the remainder of a synthetic wavelength is measured with a conventional interferometer for measuring length. The invention is applicable to distance measurements over medium distances (max 100m) with sub-millimeter accuracy and others. in mechanical engineering and shipbuilding.

Characteristic of the known technical solutions

Anordnungen zur absoluten Distanzinterferometrie sind bekannt. Durch Kombination der Interferenzsignale verschiedener Wellenlängen können im Unterschied zur Interferometrischen Längenmessung eindeutige absolute Distanzangaben gewonnen werden. Ein derartiges Interferometer wird in der Zeitschrift „Optical Engeneering" 22 (1983) 3, S.348-353 beschrieben. Die zu synthetischen Wellenlängen kombinierten einzelnen Lichtwellenlängen werden aus dem Modenspektrum eines CO₂-Lasers gewonnen. Der gerätetechnische Aufwand ist relativ hoch.Arrangements for absolute distance interferometry are known. By combining the interference signals of different wavelengths, in contrast to the interferometric length measurement, clear absolute distance specifications can be obtained. Such an interferometer is described in the journal "Optical Engineering" 22 (1983) 3, pp.348-353. The individual wavelengths of light combined to form synthetic wavelengths are obtained from the mode spectrum of a CO ₂ laser The expenditure on equipment is relatively high.

Nicht in jedem Fall sind Auflösungen und Genauigkeiten im Nanometerbereich erforderlich, so daß bereits einfache interferometrische Anordnungen eine absolute Distanzmessung mit Auflösungen im Submillimeterbereich gestatten. Dabei wird das Kontrastminimum des aus zwei überlagerten Lichtwellen resultierenden Interferenzsignals ermittelt, indem die Referenzstrecke durch Verschiebung des Referenzreflektors variiert wird. Der vermessene Verschiebungsweg ist mit dem Reststück der synthetischen Wellenlänge identisch.Not always, resolutions and accuracies in the nanometer range are required, so that even simple interferometric arrangements allow an absolute distance measurement with resolutions in the sub-millimeter range. In this case, the contrast minimum of the interference signal resulting from two superimposed light waves is determined by varying the reference distance by shifting the reference reflector. The measured displacement path is identical to the remainder of the synthetic wavelength.

Solange Genauigkeiten von einigen Millimetern gefordert oind, kann die Vermessung mit einfachen Maßstabun erfolgen, die entlang der Verschiebungsstrecke angeordnet sind und deren Meßmarken entweder abgelesen oder geeignet angetastet werden. Das ist z. B. in modernen elektrooptischen Distanzmeßgeräten der Fall. Am bekanntesten ist das elektrooptische Präzisions-Distanzmeßgerät Mekometer ME 3000, das in der Firmenschrift der Schweizer AG Kern & Co. beschrieben w'rd. Im US-Patent 4005936 wird ebenfalls eine entsprechende Interf erometeranordnung beschrieben, die wiederum zur Vermessung der Referenzstrecke einen konventionellen Maßstab zugrunde liegt. Um Auflösungen im Mikrometerbereich erzielen zu können, müssen an einen derartigen Maßstab hohe Anforderungen gestellt werden. Daher ist es vorteilhaft, die im Referenzarm des Interferometers erforderliche Vermessung der Verschiebung des Referenzreflektors zur Einstellung dos Kontrastminimums selbst auf interferometrischem Wege durchzuführen.As long as accuracies of a few millimeters are required, the measurement can be carried out with simple scales, which are arranged along the displacement path and whose measuring marks are either read or suitably touched. This is z. B. in modern electro-optical Distanzmeßgeräten the case. Best known is the electro-optical precision distance meter ME 3000, which is described in the company publication of Schweizer AG Kern & Co. US Pat. No. 4,005,936 likewise describes a corresponding interferometer arrangement, which in turn is based on a conventional scale for measuring the reference path. In order to be able to achieve resolutions in the micrometer range, high demands must be placed on such a scale. Therefore, it is advantageous to perform the required in the reference arm of the interferometer measurement of the displacement of the reference reflector for setting dos contrast minimum even on an interferometric path.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Zwelfrequenzinterferometers zur absoluten Distanzmessung, dessen Referenzstrecke mit hoher Genauigkeit selbst interferometrisch vermessen wird, wobei die gesamte erforderliche Strahlleistung aus einer einzigen Laserlichtquelle bezogen werden kann.The object of the invention is the development of a Zwelfrequenzinterferometers for absolute distance measurement, the reference path is measured even with high accuracy interferometry, the entire required beam power can be obtained from a single laser light source.

Explanation of the essence of the invention

Dio Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Anordnung zur Distanzmessung auf der Grundlage der Laserinterferometertechnik zu erzielen, die für mittlore Distanzen (max. 100m) geeignet ist und Meßgenauigkeiten im Submillimeterbereich gestattet. F:rfindungsgemäß wird dio Aufgabe dadurch gelöst, indem eine Anordnung gewählt wird, dieIt is an object of the invention to provide an arrangement for distance measurement on the basis of the laser interferometer technique, which is suitable for medium distances (max 100 m) and permits measuring accuracies in the sub-millimeter range. According to the invention, the object is achieved by choosing an arrangement which

1. aus einer Laserlichtquelle mit zwei linear polarisierten Lichtwellon unterschiedlicher Frequenz f,. f₂ und orthogonalen Polarisationsebenen,1. from a laser light source with two linearly polarized light wave of different frequency f ,. f ₂ and orthogonal planes of polarization,

2. einem Interferometerblock, in dem vor der Erzeugung von Intorferenzsignalen beide Frequenzkomponenten leistungsgleich und ohne Leistungsverlust in eine gemeinsame Polarisationsebene projiziert werden und2. an interferometer block in which prior to the generation of interference signals both frequency components are equal power and without loss of power projected into a common polarization plane, and

3. einem konventionellen Interferometer zur Längenmessung, das eine Vermessung der Referenzstrecke des Zwaifrequenzinterferometers gestattet, besteht.3. a conventional interferometer for length measurement, which allows a measurement of the reference path of the Zwaifrequenzinterferometers consists.

Die vom Laser erzeugten linear polarisierten Moden mit orthogonaler Polarisationsorientierung werden durch einen Strahlteiler mit ausgewähltem Teilungsverhältnis in zwei Anteile geteilt, von denen der eine weiterhin beide Moden enthaltende Anteil dem Zweifrequenzinterferometer und der andere Anteil nach Ausblendung einer der beiden Laserfrequenzen dem konventionellen Interferometer zugeführt werden.The laser-generated linear polarized modes with orthogonal polarization orientation are divided by a beam splitter with a selected division ratio into two parts, of which one further containing both modes containing portion of the two-frequency interferometer and the other portion after hiding one of the two laser frequencies are fed to the conventional interferometer.

Durch die besondere Ausbildung des Zweifrequenzinterferometers werden beide Lasermoden gemeinsam in zwei wiederum orthogonale Polarisationsebenen projiziert und gleichzeitig in den Meß- und Referenzarm des Interferometers gelenkt. Nach Durchlaufen der Meß- und Referenzstrecke interferieren beide Strahlen, die jeweils beide Lichtfrequenzen enthalten, nach Parallelisierung ihrer Polarisationsebenen im Interferometerblock.Due to the special design of the two-frequency interferometer both laser modes are projected together into two again orthogonal polarization planes and simultaneously directed into the measuring and reference arm of the interferometer. After passing through the measuring and reference path both beams, each containing both frequencies of light, interfere after parallelization of their polarization planes in the interferometer block.

Das durch Detektoren registrierte Interferenzsignal besitzt ein mit der Distanz des Meßreflektors korrelierendes Kontrastminimum, das durch Verschiebung des Referenzref lektors angetastet wird. Um den Verschiebungsweg, der dem Reststück der synthetischen Wellenlänge entspricht, genau vermessen zu können, ist der Referenzreflektor starr mit dem Meßreflektor des konventionellen Interferometers verbunden, das eine Längenmessung mit hoher Genauigkeit gestattet. Beide Interferometer können gleichzditig mit derselben Laserlichtquelle betrieben werden.The registered by detectors interference signal has a correlating with the distance of the Meßreflektors contrast minimum, which is touched by displacement of the Referenzref lektors. In order to accurately measure the displacement path corresponding to the remnant of the synthetic wavelength, the reference reflector is rigidly connected to the measurement reflector of the conventional interferometer, which allows length measurement with high accuracy. Both interferometers can be operated simultaneously with the same laser light source.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung Fig. 1 ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Die Anordnung besteht aus einer Laserlichtquelle 1, dia zwei linear polarisierte Moden unterschiedlicher Frequenz f,, f₂ aussendet, deren Polarisationsebenen orthogonal zueinander orientiert sind. Der Laserstrahl wird zunächst mittels eines Strahlteilers 2 in zwei Leistungsanteile geteilt, von denen der eine Anteil nach Ausblendung eines Modes durch einen Polarisationsteiler 3 einem konventionellen Interferometer 4 zugeführt wird. Der andere Strahlanteil, der weiterhin beide Lasermoden enthält, trifft auf ein λ/2-Plättchen 5, das eine Drehung der beiden orthogonal orientierten Polarisationsebenen bewirkt. Auf diese Weise werden an der im Interferometerblock 6 integrierten Polarisationsteilerschicht 7 beide Laserfrequenzen in gemeinsame Polarisationsebenen projiziert. Im Referenzarm wird der Laserstrahl an einem Tripelprisma 9b reflektier¹., das gemeinsam mit dem Meßreflektor 10 des konventionellen Interferometers auf einen mechanischen Schlitten 11 montiert ist. Der Referenzstrahl durchläuft dabei zweimal ein λ/4-Plättchen 12, das eins Drehung der Polarisationsebene um 90° bewirkt, so duß Meß- und Referenzstrahl an der 50-%-Teilerfläch9 8 des Interferometers interferieren können.The invention will be explained below with reference to two embodiments. In the accompanying drawing Fig. 1, the schematic structure of the inventive arrangement is shown. The arrangement consists of a laser light source 1, which emits two linearly polarized modes of different frequency f ,, f ₂ whose polarization planes are oriented orthogonal to each other. The laser beam is first divided by means of a beam splitter 2 into two power components, of which the one component is supplied after masking out a mode by a polarization divider 3 to a conventional interferometer 4. The other beam portion, which further contains both laser modes, strikes a λ / 2 plate 5, which causes a rotation of the two orthogonally oriented polarization planes. In this way, both laser frequencies are projected onto common polarization planes at the polarization splitter layer 7 integrated in the interferometer block 6. In the reference arm, the laser beam is reflected on a triple prism 9b ¹ , which is mounted on a mechanical carriage 11 together with the measuring reflector 10 of the conventional interferometer. The reference beam passes twice through a λ / 4 plate 12, which causes a rotation of the plane of polarization by 90 °, so duss measuring and reference beam on the 50 -% Teilerfläch8 8 of the interferometer can interfere.

Die Interferenzsignale werden durch Photoelemente 13a, b registriert. Die durch einen Vibrator 14 bewirkten Schwingungen des Referenzreflektors und der daraus resultierende periodische Verlauf der Interferenzsignale besitzt in Abhängigkeit von der Entfernung des Meßreflektors 9a innerhalb des Verfahrweges des Schlittens 11 ein Amplitudenminimum. Dieses kann nach Differenzbildung und Signalverstärkung 15 mit einem Effektivwertmesser 16 angezeigt werden. Die jedem Minimum zugeordnete Schlittenposition und der ihr entsprechende Distanzmeßwert wird durch die Anzeige des konventionellen Interferometers 17 registriert.The interference signals are registered by photoelements 13a, b. The oscillations of the reference reflector caused by a vibrator 14 and the resulting periodic course of the interference signals have an amplitude minimum within the travel path of the carriage 11 as a function of the distance of the measuring reflector 9a. This can be displayed after difference formation and signal amplification 15 with an RMS 16. The carriage position associated with each minimum and the distance measurement corresponding thereto are registered by the display of the conventional interferometer 17.

In Fig.2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Die im wesentlichen identische Anordnung enthält jedoch kein separates konventionelles Interferometer 4 wie in Fig. 1. Dieses ist in diesem Fall in den Interferometerblock 6 integriert. Dabei wurde ein Interferometertyp, wie er in WP G 01 b/178453 beschrieben wird, verwendet. Seine Bestandteile sind die 50-%-Teilerflächon 8a, b, c, die Photodetektoren 13c, ü, e, f sowie die Reflektoren 10a, b.2, a further embodiment is shown. However, the substantially identical arrangement does not contain a separate conventional interferometer 4 as in FIG. 1. In this case, it is integrated into the interferometer block 6. An interferometer type was used, as described in WP G 01 b / 178453. Its components are the 50% Teilerflächon 8a, b, c, the photodetectors 13c, ü, e, f and the reflectors 10a, b.

Claims

1. interferometer for absolute distance measurement with integrated laser path measuring system, consisting of a laser light source emitting at least two modes of different frequencies, and a Interferometerblock with variable reference distance for sensing the contrast minimum of the interference signals and means for its display, characterized in that the Arrangement consists of a laser light source with orthogonally oriented linear polarization states and a beam splitter which divides the beam power in a selected ratio and which supplies a power component to a conventional interferometer for length measurement and the other portion of a two-frequency interferometer with specially trained interferometer block and that the measuring reflector of the one with the Reference reflector of the other interferometer is connected and both can be moved together in the beam direction.

2. arrangement according to item 1, characterized daduich that the specially designed interferometer block of the Zweifreauenzinterferometers au «consists of a steel divider, the splitter surface pola to one half. is dividing isation and the other half consists of a polarization-independent 50% -strahlteilenden layer.

3. Arrangement according to item 2, characterized in that in front of the beam splitter, a λ / 2 plate is mounted for rotation of the polarization plane, which projects in conjunction with the polarization-dividing layer half both modes equal power in common polarization planes.

4. Arrangement according to item 2, characterized in that within the reference path of the two-frequency interferometer, a λ / 4-plate is present, which rotates the polarization plane of the reference beam by 90 ° with appropriate orientation, so that measurement and reference beam at the 50% Divider surface can interfere with each other.

5. Arrangement according to item 1, characterized in that both separate interferometer units can be integrated into a single glass block with a plurality of divider layers.

6. Arrangement according to item 1, characterized in that the reference arm of the interferometer du.xh a light valve can be supplemented, so that the time required for probing the contrast minimum shift distance of the reflectors is halved.