DE10038346A1 - Interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines reflektierenden Objektes - Google Patents

Abstract

Interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines Objektes mit einer Laserlichtquelle (1) und einer Strahlaufspaltungseinrichtung (5) zur Aufteilung des Laserlichtes in einen Meßstrahl (7) und einen Referenzstrahl (6), wobei eine Frequenzverschiebeeinrichtung Laserlicht mit zumindest zwei verschiedenen optischen Trägerfrequenzen (f¶1¶, f¶2¶, f¶3¶...) liefert, die durch eine Modulationseinrichtung (2) jeweils mit individuellen Modulationsfrequenzen (f¶mod1¶, f¶mod2¶, f¶mod3¶...) frequenzmoduliert werden. Es ist eine optische Frequenzverschiebeeinrichtung (8), welche einen Frequenzunterschied DELTAf zwischen dem Meßstrahl (7) und dem Referenzstrahl (6) erzeugt, und eine Signalverarbeitungseinrichtung (14, 15, 17, 19, 23) zur Erfassung und Auswertung einer Amplitudenmodulation in den elektrischen Signalen vorgesehen, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (14, 15, 17, 19, 23) eine Einrichtung zur Erfassung der Phasenlagendifferenz(en) zwischen den mit den Frequenzen DELTAf-f¶mod1¶, DELTAf-f¶mod2¶, DELTAf-f¶mod3¶... oder mit den Frequenzen DELTAf+f¶mod1¶, DELTAf+f¶mod2¶, DELTAf+f¶mod3¶... amplitudenmodulierten Komponenten im elektrischen Signal umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft eine interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines reflektierenden Objektes mit

• - einer Laserlichtquelle, einer Strahlaufspaltungseinrichtung zur Aufteilung
• - des Laserlichtes in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl,
• - einer Modulationseinrichtung zur periodischen Frequenzmodulation des der Strahlaufspaltungseinrichtung zugeführten Laserlichtes, wobei die Laserlichtquelle oder eine dieser nachgeschaltete Frequenzverschiebeeinrichtung Laserlicht mit zumindest zwei verschiedenen optischen Trägerfrequenzen (f₁, f₂, f₃. . .) liefert, die durch die Modulationseinrichtung jeweils mit individuellen Modulationsfrequenzen (f_mod1, f_mod2, f_mod3. . .) frequenzmoduliert werden,
• - einer Rekombinationseinrichtung, an der der vom Objekt zurückkehrende Meßstrahl oder Meßstrahlanteile (Rückstreufeld) und der über eine feste Referenzstrecke geführte Referenzstrahl unter Bildung von optischen Interferenzsignalen interferieren,
• - einer Photodetektoreinrichtung zur Wandlung der optischen Interferenzsignale in elektrische Signale,

Um interferometrisch die Lage eines Objektes zu messen, ermittelt man die Phasen­ lagendifferenz zwischen einem über eine Referenzstrecke fester Länge laufenden Refernzstrahl und einem, am Objekt reflektierten, Meßstrahl. Je nach Phasenlagen­ differenz (im Folgenden auch Interferenzphase genannt) zwischen dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl erhält man nach der Überlagerung der beiden Strahlen unter­ schiedliche Lichtintensitäten des Interferenzsignals. Durch Messung dieser Lichtinten­ sität ist es möglich die Interferenzphase und damit bei fester Länge der Referenz­ strecke die Entfernung des Meßobjektes zu bestimmen. Zur Ermittlung der absoluten Entfernung des Objektes muß diese bis auf eine halbe optische Wellenlänge genau bekannt sein, da sich die Interferenzphase nach jeweils einer Änderung der Objekt­ entfernung um eine halbe optische Wellenlänge periodisch wiederholt. Aus der Messung der Interferenzphase läßt sich dann zusammen mit dieser Entfernungsvor­ information die absolute Entfernung auf kleine Bruchteile der halben optischen Wellenlänge genau bestimmen. Eine so genaue Entfernungsvorinformation ist aber schwierig zu erhalten.

Mit einem Mehrwellenlängeninterferometer ist eine absolute Entfernungsmessung in einem größeren Eindeutigkeitsbereich möglich. Unter dem Eindeutigkeitsbereich einer Entfernungsmessung versteht man dabei die Entfernungsdifferenz, um die sich das Objekt verändern kann, ohne daß die Eindeutigkeit der Messung verlorengeht. Um einen großen Eindeutigkeitsbereich zu erhalten werden optische Träger unterschied­ licher Frequenz in das Interferometer eingespeist. Das Prinzip wird zunächst für zwei optische Träger der Frequenz f₁ und f₂ erklärt, es gilt jedoch in gleicher Weise auch bei der Verwendung mehrerer optischer Träger.

Bei der Verwendung zweier optischer Träger der Frequenz f₁ (zugehörige Wellenlänge I₁) und der Frequenz f₂ (zugehörige Wellenlänge I₂) erhält man zwei Interferenzsignale, aus denen jeweils die Interferenzphase bezüglich der zugehörigen Wellenlängen I₁ und I₂ ermittelt werden kann. Aus der Differenz dieser beiden Interferenzphasen (auch Schwebungsphase genannt) kann nun die absolute Objektentfernung in einem Ein­ deutigkeitbereich von einer halben Schwebungswellenlänge Λ_S (auch virtuelle Wellen­ länge genannt) bestimmt werden. Die Schwebungswellenlänge berechnet sich zu Λ_S = c/(f₁ - f₂). Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit. Im Vergleich zur optischen Wellenlänge ist die Schwebungswellenlänge größer. Das heißt, daß durch Messung der Schwebungsphase eine Entfernungsbestimmung in einem Eindeutigkeitsbereich mög­ lich ist, der größer ist als bei der Messung nur einer einzelnen Interferenzphase. Der Wert und die Stabilität der Schwebungswellenlänge werden bestimmt durch die Frequenzdifferenz zwischen den optischen Trägern und deren Stabilität.

Mit einer einzigen Schwebungsphase kann die Entfernung innerhalb eines durch die zugehörigen optischen Träger vorgegebenen Eindeutigkeitsbereiches absolut bestimmt werden. Der Eindeutigkeitsbereich beträgt eine halbe Schwebungswellenlänge Λ_sg/2. Kann man die Schwebungsphase bis auf 2π/100 genau messen, so kann die Ent­ fernung innerhalb des Eindeutigkeitsbereiches bis auf 1/100 . Λ_sg/2 genau bestimmt werden. Die Dynamik der Entfernungsmessung beträgt dann 100.

Wählt man in diesem Beispiel eine kleinere Schwebungswellenlänge Λ_Sk, die hundert­ mal kleiner ist als die größere Schwebungswellenlänge Λ_sg, und hat auch die Phasen­ messung bei der kleineren Schwebungswellenlänge eine Meßdynamik von 100, so kann die Entfernungsmessung bei der größeren Schwebungswellenlänge gewisser­ maßen als Vorinformation für die Messung bei der kleineren Schwebungswellenlänge genutzt werden. Das heißt aus der kombinierten Messung bei der größeren und bei der kleineren Schwebungswellenlänge gleichzeitig kann die Entfernung innerhalb des Ein­ deutigkeitsbereiches der größeren Schwebungswellenlänge bis auf Λ_sg/2 . 1/100 . 1/100 absolut genau gemessen werden. Die Dynamik der kombinierten Messung beträgt dann 10000. Das Beispiel zeigt, daß durch eine Kaskadierung von Messungen bei unterschiedlich großen Schwebungswellenlängen die Dynamik des Gesamt­ systems auf das Produkt der Dynamiken der Einzelmessungen gesteigert werden kann.

Durch diese Kaskadierung ist es zum Beispiel möglich, Entfernungen von mehreren Metern bis auf Bruchteile einer optischen Wellenlänge absolut zu bestimmen. Dabei kann zum Beispiel für die Entfernungsmessung mit dem kleinsten Eindeutigkeits­ bereich auch die Messung bei einer optischen Wellenlänge genutzt werden. Der kleinste Eindeutigkeitsbereich des Gesamtsystems beträgt dann nur eine halbe opti­ sche Wellenlänge. Dazu muß lediglich die zu einem optischen Träger gehörige Inter­ ferenzphase bestimmt werden. Die Entfernung kann dann mit hoher Genauigkeit, welche durch die Dynamik der Interferenzphasenmessung bestimmt wird, bis auf Bruchteile der halben optischen Wellenlänge genau gemessen werden.

Wichtig bei der Verwendung eines Mehrfarbeninterferometers für die Entfernungs­ messung, ist es, daß der Referenzweg des Interferometers konstant gehalten wird. Falls auf Teilen des Referenzstrahlweges oder auf Teilen des Meßstrahlweges nur einer der optischen Träger geführt wird, so haben diese Wege ein erhöhtes Störver­ mögen auf die Messung der Schwebungsphase, in dem Sinne, daß bereits eine unge­ wollte Wegänderung um eine optische Wellenlänge eine 2π-Phasenänderung der Schwebungsphase bewirkt. Dagegen haben Wege, auf denen beide optische Träger geführt werden nur ein reduziertes Störvermögen, in dem Sinne, daß eine Änderung dieses Weges um den Betrag einer, im Vergleich zur optischen Wellenlänge viel größeren, Schwebungswellenlänge Λ_s nötig ist, um eine 2π-Phasenänderung der Schwebungsphase zu bewirken. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert, sowohl auf allen Teilen des Meßzweiges als auch auf allen Teilen des Referenzzweiges, beide (bzw. bei einem Mehrwellenlängeninterferometer entsprechend alle) optischen Träger zu führen, so daß unbeabsichtigte Gangunterschiedsänderungen im Interferometer, wie sie zum Beispiel durch thermische Ausdehnungen, durch mechanische Vibrationen oder durch Brechzahlschwankungen entstehen können, die Phase des Schwebungs­ signales möglichst wenig beeinflussen.

Es existieren bereits Verfahren zur Messung der zu einem bestimmten optischen Träger gehörenden Interferenzphase (Zoran Sodnik, Edgar Fischer, Thomas Ittner, and Hans J. Tiziani, 1991, Two-wavelength double heterodyne interferometry using a matched grating technique, Appl. Opt. 30, 3139). Beim Heterodynverfahren wird mittels einer optischen Frequenzverschiebeeinrichtung ein Frequenzunterschied Δf zwischen dem Meßstrahl und dem Objektstrahl erzeugt. Dies führt zu einer Amplitudenmodula­ tion der Lichtintensität des Interferenzsignales mit der Verschiebefrequenz Δf, welche mit einer Photodetektoreinrichtung in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Die Phasenlage dieser Amplitudenmodulation spiegelt die Phasenlage des Meßstrahles gegenüber dem Referenzstrahl, das heißt die optische Interferenzphase, wieder. Wählt man die Verschiebefrequenz Δf zum Beispiel im MHz-Bereich, so kann die Amplitu­ denmodulation des Interferenzsignals sehr leicht mit einer Photodetektoreinheit in ein elektrisches Signal übergeführt werden und die Phasenmessung dieses elektrischen Signals bezüglich eines elektronischen Referenzsignals gleicher Frequenz durchge­ führt werden.

Bei einem anderen Verfahren (DE 43 35 036 C2) werden die optischen Träger f₁ und f₂ bevor sie in das Interferometer eingespeist werden mit charakteristischen Modula­ tionsfrequenzen f_mod1 und f_mod2 frequenzmoduliert. Die Gewinnung der Interferenzphase erfolgt gemäß einer "IQ-Detektionsmethode". Hierbei werden mittels einer polarisa­ tionsabhängigen optischen Phasenverzögerungseinrichtung, vorzugsweise einer Vier­ telwellenplatte in einem Arm des Interferometers und einer polarisationsselektiven Aufteileinrichtung am Ausgang des Interferometers, vorzugsweise einem Polarisations­ strahlteiler, auf zwei getrennten Photodetektoren elektrische Signale bei den Modula­ tionsfrequenzen f_mad1 bzw. f_mod2 erzeugt. Auf beiden Photodetektoren erhält man dann elektrische Signale bei beiden Modulationsfrequenzen f_mod1 bzw. f_mod2. Die elektrischen Signale der beiden Detektoren werden dann mittels eines Phasenschiebers bezüglich ihrer Hochfrequenzphase gegeneinander verschoben und anschließend addiert. Das Additionssignal enthält dann Komponenten bei den Modulationsfrequenzen f_mod1 und f_mod2, deren Phasenlagen wiederum die zu den beiden optischen Trägern f₁ und f₂ gehörenden Interferenzphasen wiederspiegeln. Mit Hilfe eines Multiplizierers wird aus diesen Signalen dann ein Differenzfrequenzsignal f_mod2 - f_mod1 gebildet, dessen Phase gleich der Phasendifferenz (Schwebungsphase) zwischen den zu den optischen Trägern f₁ und f₂ gehörenden Interferenzphasen ist. Durch Messung der Schwebungs­ phase ist dann eine im obigen Sinne absolute Entfernungsbestimmung möglich.

Diese "IQ-Detektionsmethode" ist gewissermaßen eine "Balance-Methode". Das heißt, sie funktioniert nur dann ohne Probleme, wenn die optische Phasenverzögerung durch die polarisationsoptische Phasenverzögerungseinrichtung, die Verschiebung der Hochfrequenzphase durch den elektronischen Phasenschieber und das Amplituden­ verhältnis zwischen den Interferenzsignalen auf den beiden Photodetektoren bei den Modulationsfrequenzen f_mod1 und f_mod2 exakt die richtigen Werte haben. Das heißt die Signale auf den beiden Detektoren müssen sich gewissermaßen die "Balance halten". Wenn nur eines der beiden Signale in seiner Phase oder Amplitude gestört wird, wird die "Balance verloren". Insbesondere müssen die genannten Größen ihre Einstellun­ gen auch bei einer Änderung der Temperatur, bei einer Frequenzverschiebung der Interferenzsignale durch eine Dopplerverschiebung, infolge einer Bewegung des Objektes, sowie beim Schwenken des vom Objekt reflektierten Meßstrahles infolge einer Verkippung des Objektes, exakt beibehalten. Das ist in der Praxis sehr schwierig. Insbesondere zeigte sich, daß schon die falsche Einstellung von nur einer der genannten Größen genügt, um die Messung der Phasenlage des Schwebungssignals um einen unzulässig hohen Phasenbetrag Δϕ zu verfälschen. Die Phasenlage des Differenzfrequenzsignals (Schwebungsphase) wird daher mit einer Unschärfe Δϕ behaftet, woraus unmittelbar eine Unschärfe für die Abstandsmessung resultiert.

Eine weitere Störung ergibt sich bei diesem Verfahren, wenn der Frequenzmodulator, neben der beabsichtigten Frequenzmodulation mit der Modulationsfrequenz f_mod, auch noch eine unbeabsichtigte Amplitudenmodulation, zum Beispiel mit der Modulations­ frequenz f_mod, ausführt. Eine derartige Amplitudenmodulation (AM) erhält man zum Beispiel dann, wenn als Lichtquellen Halbleiterlaser verwendet werden und die Frequenzmodulation durch eine Modulation des Injektionsstromes erfolgt. Aber auch bei anderen Modulatortypen (zum Beispiel elektrooptischen Kristallen) läßt sich ein gewisser AM-Anteil nicht vermeiden. Durch diese Amplitudenmodulation des Modula­ tors erhält man auf den Photodetektoren zusätzliche Störsignale mit der Modulations­ frequenz f_mod. Da die von der Frequenzmodulation erzeugten, gewollten Interfernz­ signale ebenfalls bei der Modulationsfrequenz f_mod liegen, ist es nicht möglich, das gewollte durch FM erzeugte Signal von dem unbeabsichtigt durch AM erzeugten Signal mittels eines elektrischen Frequenzfilters zu trennen. Die ungewollte Amplituden­ modulation bewirkt daher eine nicht zu verhindernde Störung des Schwebungssignals und damit eine Störung der Entfernungsmessung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet nun einerseits den oben beschriebenen Vor­ teil, daß im Meßzweig und im Referenzzweig jeweils alle optischen Träger geführt werden und vermeidet durch ein neuartiges Detektionsverfahren die oben geschilder­ ten Nachteile des Verfahrens nach DE 43 35 036 C2.

Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen neuartigen Verfahrens ist es, daß neben der Frequenzmodulation der optischen Träger (f₁, f₂) mit charakteristischen Modulationsfrequenzen (f_mod1, f_mod2) noch eine zusätzliche Frequenzverschiebeeinheit einen Frequenzunterschied Δf zwischen dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl des Interferometers erzeugt. Durch die Frequenzmodulation und diesen Frequenzversatz Δf der optischen Trägerfrequenzen erhält man auf dem Photodetektor Interferenz­ signale bei den Frequenzen Δf - f_mod1, Δf - f_mod2 und Δf + f_mod1, Δf + f_mod2. Die Phasenlagen dieser Interferenzsignale spiegeln nun unmittelbar die Interferenzphasen der zugehöri­ gen optischen Träger wieder.

Im Vergleich zu dem oben beschriebenen Verfahren DE 43 35 036 C2 wird hier also keine IQ-Detektionsmethode benötigt. Das heißt, daß hier keine polarisationsoptische Phasenverzögerungseinrichtung, keine polaristionsselektive Aufteileinrichtung am Ausgang des Interferometers, kein zweiter Photodetektor und auch kein elektrischer Phasenschieber benötigt werden. Das oben geschilderte Problem, eine Art "Balance" zwischen den Signalen zweier unterschiedlicher Detektoren einstellen zu müssen, entfällt damit. Alle oben beschriebenen Fehler, die mit den genannten Komponenten verbunden sind, werden dadurch vermieden.

Darüberhinaus kann der Frequenzunterschied Δf so gewählt werden, daß sich die Interferenzsignale (Δf - f_mod1, Δf - f_mod2 und Δf + f_mod1, Δf + f_mod2) und die unbeabsichtigt durch eine Amplitudenmodulation der Frequenzmodulatoren erzeugten Signalkomponen­ ten(z. B. f_mod1, f_mod2, . . .2f_mod1, 2_fmod2. . .) in ihrer Frequenz unterscheiden. Die AM-Störan­ teile können dann leicht mit Hilfe eines Frequenzfilters aus dem elektrischen Signal des Photodetektors eliminiert werden.

Mit Hilfe eines Frequenzfilters wird aus dem elektrischen Signal entweder das Frequenzband Δf - f_mod1, Δf - f_mod2 oder das Frequenzband Δf + f_mod1, Δf + f_mod2 herausgefiltert und weiterverarbeitet.

Ein Multiplizierer erzeugt aus dem gefilterten elektrischen Signal ein Differenz­ frequenzsignal f_mod2 - f_mod1, dessen Phase gleich der Phasendifferenz (Schwebungs­ phase) zwischen den zu den optischen Trägern f₁ und f₂ gehörenden Interferenz­ phasen ist. Eine Phasenmeßeinrichtung bestimmt die Phasenlage des Differenzfre­ quenzsignals und damit im obigen Sinne die absolute Entfernung des Objektes.

Bei der Messung an Objekten mit rauhen Oberflächen ist es gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorteilhaft, wie weiter unten beschrieben wird, das optische Interferenzsignal in räumlich getrennten Kanälen mit einer Detektormatrix aufzu­ nehmen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dazu nur ein einzige Matrix nötig, während dagegen bei der IQ-Detektion nach dem Stand der Technik (DE 43 35 036 C2) zwei identische Detektormatrices jeweils so positioniert werden müßten, daß identische Pixel auf den Matrices auch den identischen räumlichen Ausschnitt des Interferenz­ signals detektieren. Ausserdem müßte die oben beschriebene Balance für alle Pixel der Detektormatrices erfüllt sein, was die Verwendung solcher Matrices zusätzlich erschwert, wenn nicht unmöglich macht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist nur eine Matrix erforderlich, wodurch ein einfacher und robuster Aufbau eines Mehr­ wellenlängeninterferometers möglich wird.

Es ist Stand der Technik bei der Vermessung optisch rauher Oberflächen mittels Mehrfarbeninterferometrie eine Detektormatrix zu verwenden. In jedem der Signal­ kanäle der Matrix läßt sich die Schwebungsphase für unterschiedliche Raumbereiche des Rückstreufeldes getrennt ermitteln. Das bietet erhebliche Vorteile bezüglich der Signalstabilität, wie im folgenden ausgeführt wird.

Die Gestalt des vom Objekt zurückgestreuten Lichtfeldes hängt ab von der Mikrostruktur der Objektoberfläche. Eine optisch rauhe Oberfläche bewirkt ein ver­ speckeltes Rückstreufeld. Das heißt, ein statistisches Muster aus Bereichen hoher und geringer Lichtintensität (Speckle). Einen Bereich (Fleck) konstanter Lichtintensität bezeichnet man als Speckle. Werden mehrere Speckle aus einem bestimmten Raum­ bereich des Rückstreufeldes detektiert, ohne die von den einzelnen Speckle erzeugten Signale, welche die Interferenzphase tragen, zu unterscheiden, so tragen alle Speckle dieses Raumbereiches zu einem gemeinsamen, die Interferenzphase tragenden, Signal bei. Da nun die Interferenzphasen der einzelnen Speckle statistisch, im ungünstigsten Fall von 0 bis 2π, variieren, hängt die Stärke dieses Signals neben der Intensität der Speckle auch von der Verteilung der Interferenzphasen im detektierten Speckle-Feld ab. Insbesondere können bei einer ungünstigen Verteilung der Inter­ ferenzphasen des Speckle-Feldes, die Signale, welche die Interferenzphasen der opti­ schen Wellenlängen tragen und demzufolge auch die daraus resultierenden Signale, welche die Schwebungsphasen tragen, so klein werden, daß eine Phasenmessung nicht mehr möglich ist. Das Meßsignal bricht dann ein.

Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Signaleinbruch kann reduziert werden, wenn man die Schwebungsphase für mehrere Teilsignale, welche aus unterschiedlichen Raumbereichen des Speckle-Feldes gewonnen werden, zunächst getrennt ermittelt und dann erst die resultierenden Signale addiert. Das hat folgenden Grund: In ver­ schiedenen Raumbereichen sind die Interferenzphasen der Signale bei den ver­ wendeten optischen Wellenlängen zwar verschieden, die Schwebungsphasen sind aber gleich. Wertet man nun die Schwebungssignale in verschiedenen Raumbereichen getrennt aus, dann kommt es bei einer anschließenden Überlagerung dieser Schwebungssignale aufgrund der gleichen Phasen immer zu konstruktiver Interferenz. Die Summe der Schwebungssignale verschwindet in der Regel auch dann nicht, wenn sich die optischen Interferenzsignale aus den verschiedenen Raumbereichen zu Null addieren. Bei der Mehrkanaldetektion ist das gesamte Schwebungssignal nur dann Null, wenn alle Teilsignale gleichzeitig, jedes für sich einzeln zu Null wird. In diesem Sinne erhält man durch die Mehrkanaldetektion ein stabileres Meßsignal. Die Stabilität erhöht sich mit der Anzahl der verwendeten Teilsignale. Zu diesem Zweck kann die Größe der Teilbereiche zum Beispiel bis auf die mittlere Speckle-Größe reduziert werden.

Wendet man die Idee der Mehrkanaldetektion auf das erfindungsgemäße Verfahren an, so bedeutet das, daß zwei Komponenten des elektrischen Signals nur dann zu dem maßgeblichen Differenzfrequenzsignal mischen dürfen, wenn sie beide aus dem gleichen Raumbereich des Rückstreufeldes hervorgehen. Das maßgebliche Differenz­ frequenzsignal ist dabei jenes, welches die Schwebungsphase trägt und von der Phasenmeßeinrichtung ausgewertet wird.

Die Mehrkanaldetektion gemäß Anspruch 7 kann sowohl auf das Verfahren nach Anspruch 1, als auch auf das Heterodynverfahren und das Verfahren DE 43 35 036 C2 angewendet werden.

Bei der neuartigen, erfindungsgemäßen Realisierung der Mehrkanaldetektion werden die elektrischen Signale aus den unterschiedlichen Raumbereichen des Rückstreu­ feldes zunächst mit charakteristischen Kanalfrequenzen f_A, f_B, f_C, . . . getrennt moduliert und dann in einem Kanal zusammengefaßt. Die neuen Frequenzkomponenten in den elektrischen Signalen können aufgrund ihrer unterschiedlichen Frequenzen den ver­ schiedenen Raumbereichen zugeordnet werden. Je zwei Komponenten aus dem elek­ trischen Signal können nur dann zum maßgeblichen Differenzfrequenzsignal beitragen, wenn sie mit den gleichen Kanalfrequenzen moduliert worden sind. Zwei Komponenten des elektrischen Signals, die mit unterschiedlichen Kanalfrequenzen moduliert worden sind, können nicht zum maßgeblichen Differenzfrequenzsignal beitragen. Auf diese Weise können nur solche Komponenten des elektrischen Signals, welche aus dem gleichen Raumbereich des Rückstreufeldes hervorgehen, zum maßgeblichen Diffe­ renzfrequenzsignal beitragen.

Die zusätzliche Modulation der elektrischen Teilsignale kann zum Beispiel direkt durch elektrische Modulatoren erzeugt werden. Dazu eignet sich sowohl eine Amplituden­ modulation als auch eine Frequenz- oder Phasenmodulation des elektrischen Signals. Die zusätzliche Modulation des elektrischen Signals kann auch durch einen optischen Modulator erzeugt werden, welcher zum Beispiel die Intensität des Lichtes vor dem Photodetektor oder die Frequenz bzw. die Amplitude des Lichtes in einem Arm des Interferometers moduliert.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Signale nach der zusätz­ lichen Modulation auf einer gemeinsamen Signalleitung geführt werden, und dennoch aufgrund ihrer Frequenz unterschieden werden können. Diese Zusammenführung der Signalleitungen auf eine einzige Signalleitung ermöglicht einen einfachen und stabilen Aufbau eines Mehrkanaldetektors.

So wird zum Beispiel zur Auswahl eines bestimmten Frequenzbandes aus dem elektri­ schen Signal lediglich eine einzige Frequenzfiltereinrichtung und zur Erzeugung des Differenzfrequenzsignals lediglich ein einziger Mischer benötigt, während die Anzahl dieser Komponenten bei einer Ausführung nach dem Stand der Technik (Fig. 3) durch die Zahl der verwendeten Signalkanäle bestimmt wird.

Lediglich diejenigen Komponenten des elektrischen Signals, die durch die zusätzliche Modulation nicht in ihrer Frequenz versetzt werden und bei den ursprünglichen Frequenzen Δf - f_mod1, Δf - f_mod2, . . . verbleiben, können nach wie vor noch mit den ent­ sprechenden Signalen anderer Kanäle ein Differenzfrequenzsignal bei der maßgeb­ lichen Frequenz bilden. Diese Signalkomponenten nehmen gewissermaßen nicht an der Mehrkanalverarbeitung teil, sondern werden nach wie vor noch so wie bei der Ein­ kanaldetektion verarbeitet. Der Anteil dieser durch die zusätzliche Modulation in ihrer Frequenz unveränderten Signalkomponenten im Vergleich zu den in ihrer Frequenz veränderten Komponenten hängt ab von der Art der Modulation.

Erzeugt man zum Beispiel eine sogenannte "Modulation mit unterdrücktem Träger", so ist der Anteil der Komponenten mit den ursprünglichen Frequenzen klein. In diesem Fall nehmen dann alle Komponenten des elektrischen Signals an der Mehrkanalver­ arbeitung teil. Das neuartige erfindungsgemäße Verfahren zur Mehrkanalverarbeitung unter Verwendung einer zusätzlichen Modulation für die elektrischen Signale aus unterschiedlichen Raumbereichen des Rückstreufeldes kann in analoger Weise auch in Kombination mit dem Heterodynverfahren oder dem Verfahren DE 43 35 036 C2 angewendet werden.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen interferometrischen Ein­ richtung, welche mit drei Trägerfrequenzen betrieben wird. Das Interferometer kann auch mit einer beliebigen anderen Anzahl optischer Träger betrieben werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung ist eine Laserlichtquelle 1 vorgesehen, welche mehrere optische Träger (1a, 1b, 1c) erzeugt. Dies können zum Beispiel unterschied­ liche longitudinale Moden eines oder mehrerer Laser sein. Die optischen Träger (1a, 1b, 1c) können zum Beispiel auch durch Halbleiterlaser erzeugt werden, die Licht auf unterschiedlichen Emissionswellenlängen aussenden. Außerdem Können aus einer einzelnen optischen Trägerfrequenz mit Hilfe von Frequenzschiebeeinrichtungen (z. B. akkustooptischen Modulatoren) auch mehrere unterschiedliche optische Träger erzeugt werden.

Mit Hilfe von Modulationseinrichtungen (2a, 2b, 2c) werden die von der Laserlichtquelle erzeugten optischen Träger f₁, f₂, f₃. . . (1a, 1b, 1c) mit individuellen Modulations­ frequenzen (f_mod1, f_mod2, f_mod3. . .) frequenzmoduliert. Dadurch werden neben dem Träger f₁ Seitenbänder bei den Frequenzen f₁ + f_mod1, und f₁ - f_mod1 erzeugt. Neben dem Träger f₂ werden Seitenbänder bei den Frequenzen f₂ + f_mod2 und f₂ - f_mod2 erzeugt, . . . usw. (siehe Fig. 2). Der Modulationshub für die Frequenzmodulation wird dabei relativ klein gewählt (z. B. 1,08 rad), so daß neben den Trägern im wesentlichen nur die genannten Seiten­ bänder entstehen. Die Modulationsfrequenzen f_mod1, f_mod2, f_mod3, . . . werden so gewählt, daß sie unterschiedliche Frequenzabstände f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod2 - f_mod1, . . . zueinan­ der haben. Außerdem ist es günstig, diese Frequenzabstände klein im Vergleich zu den Modulationsfrequenzen zu wählen (z. B. f_mod1 = 30 MHz, f_mod2 = 30,5 MHz, f_mod3 = 31,25 MHz. . .). Die Modulationseinrichtung 2 kann zum Beispiel durch elektrooptische Kristalle realisiert werden. Die Modulationseinrichtung 2 kann zum Beispiel auch in der Lichtquelle 1 enthalten sein. So kann zum Beispiel die Emissionsfrequenz eines Halb­ leiterlasers durch geringfügige Modulation des Injektionsstromes moduliert werden. Die Modulationseinrichtungen (2a, 2b, 2c) werden von Referenzoszillationseinrichtungen (3a, 3b, 3c) gesteuert, welche auch Referenzsignale mit den Modulationsfrequenzen (f_mod1, f_mod2, f_mod3. . .) zur Verfügung stellen.

Das Licht mit den frequenzmodulierten optischen Trägern 4 wird mit Hilfe einer Strahl­ aufspaltungseinrichtung 5 in einen Referenzstrahl 6, welcher über einen Referenzweg fester Länge geführt wird, und in einen Meßstrahl 7, welcher von einem Objekt 10 reflektiert wird, aufgespalten. Die Strahlaufspaltungseinrichtung 5 kann zum Beispiel durch einen Strahlteiler oder einen Faserkoppler realisiert sein.

Mit Hilfe einer Frequenzverschiebeeinrichtung 8 wird ein Frequenzunterschied Δf (z. B. 110 MHz) zwischen dem Meßstrahl 7 und dem Referenzstrahl 6 erzeugt. Die Frequenzverschiebeeinrichtung 8 kann aus ein oder zwei Frequenzverschiebeein­ heiten bestehen, welche im Meßzweig 7 oder im Referenzzweig 6 oder in beiden angebracht sein können. Als Frequenzverschiebeeinheit 8 kann z. B. ein akkustoopti­ scher Modulator verwendet werden. Insbesondere kann die Frquenzverschiebeein­ richtung 8 auch zusammen mit der Strahlaufspaltungseinrichtung 5 oder der Strahl­ rekombinationseinrichtung 9 (siehe unten) in einer kombinierten Einrichtung enthalten sein. Die Frequenzverschiebeeinrichtung 8 wird von einer Refernzoszillationsein­ richtung 11 angesteuert, welche ein Signal der Frequenz Δf zur Verfügung stellt.

Der Meßstrahl wird vom Objekt 10, das zum Beispiel ein Spiegel, ein Retroreflektor (wie in Fig. 1 dargestellt) aber auch ein Objekt mit diffus streuender Oberflächen sein kann, ganz oder teilweise reflektiert. An einer Strahlrekombinationseinrichtung 9, welche den Meßstrahl 7 und den Referenzstrahl 6 überlagert, interferieren der vom Objekt 10 ganz oder teilweise reflektierte Meßstrahl 7 und der über eine feste Referenzstrecke 6 gelaufene Referenzstrahl 6 unter Bildung eines optischen Inter­ ferenzsignals. Mittels einer Photodetektoreinrichtung 12 wird dieses optische Inter­ ferenzsignal in ein elektrisches Signal 13 gewandelt.

Durch die Frequenzmodulation mit den Modulationsfrequenzen f_mod1, f_mod2, f_mod3. . . (z. B. 30 MHz, 30,5 MHz, 31,25 MHz) in der Modulationseinrichtung 2 und den durch die Frequenzverschiebeeinrichtung 8 zwischen Meßstrahl 7 und Referenzstrahl 6 erzeug­ ten Frequenzunterschied Δf (z. B. 110 MHz) sind die Signale auf der elektrischen Leitung 13 mit den Frequenzen Δf - f_mod1, Δf - f_mod2, Δf - f_mod3. . . (z. B. 80 MHz, 79,5 MHz, 78.75 MHz. . .) und Δf + f_mod1, Δf + f_mod2, Δf + f_mod3. . .(z. B. 140 MHz, 140,5 MHz, 141,25 MHz. . .) amplitudenmoduliert.

Das von der Photodetektoreinrichtung 12 gelieferte elektrische Signal 13 gelangt an eine Frequenzfiltereinrichtung 14, welche bewirkt, daß entweder die Komponenten des elektrischen Signals 13 mit den Frequenzen Δf - f_mod1, Δf - f_mod2, Δf - f_mod3. . . (z. B. 80 MHz- Band) unterdrückt und die Komponenten des elektrischen Signals 13 mit den Frequen­ zen Δf + f_mod1, Δf + f_mod2, Δf + f_mod3. . . (z. B. 140 MHz-Band) durchgelassen werden, oder umgekehrt, daß die Komponenten des elektrischen Signals 13 mit den Frequenzen Δf + f_mod1, Δf + f_mod2, Δf + f_mod3. . . (z. B. 140 MHz-Band) unterdrückt und die Komponenten des elektrischen Signals 13 mit den Frequenzen Δf - f_mod1, Δf - f_mod2, Δf - f_mod3. . . (z. B. 80 MHz-Band) durchgelassen werden.

Die Durchlaßbandbreite dieser Frequenzfiltereinrichtung 14 legt eine obere Grenze für die maximale Doppler-Verschiebung der elektrischen Signale und damit für die maxi­ mal mögliche Geschwindigkeit des Meßobjektes fest. Zum Beispiel können bei einer Durchlaßbandbreite der Frequenzfiltereinrichtung 14 von +/-10 MHz und einer mittleren optischen Wellenlänge von 1 µm die elektrischen Signale bis zu einer Objektge­ schwindigkeit von +/-5 m/s erfaßt werden.

Die Phasenlage der Amplitudenmodulation des elektrischen Signals 13 bei der Frequenz Δf - f_mod1, (z. B. 80 MHz) oder der Frequenz Δf + f_mod1 (z. B. 140 MHz) spiegelt nun die relative Phase (Interferenzphase) zwischen dem zum optischen Träger f₁ 1a gehörenden Meßstrahl 7 und dem zum gleichen optischen Träger 1a gehörenden Referenzstrahl 6 wieder. Entsprechend spiegelt die Phasenlage der Amplitudenmodu­ lation des elektrischen Signals 13 mit der Frequenz Δf - Δf_mod2 (z. B. 79,5 MHz) oder der Frequenz Δf + f_mod2 (z. B. 140,5 MHz) die relative Phase (Interferenzphase) zwischen dem zum optischen Träger f₂ 1b gehörenden Meßstrahl 7 und dem zum gleichen optischen Träger 1b gehörenden Referenzstrahl 6 wieder Entsprechendes gilt auch für alle weiteren Träger f₃, f₄, f₅. . . usw.

Im Vergleich zu dem Verfahren DE 43 35 036 C2 erhält man also die Signale, deren Phasenlagen die Interferenzphasen wiederspiegeln, unmittelbar in dem, von der Photodetektoreinrichtung 12 erzeugten elektrischen Signal 13 und eine IQ-Detektions­ einrichtung wird hier nicht benötigt. Außerdem können die Modulationsfrequenzen f_mod1, f_mod2, f_mod3. . . (z. B. 30 MHz-Band) und die Verschiebefrequenz Δf (z. B. 110 MHz) so gewählt werden, daß sich die Komponenten des elektrischen Signals 13, welche die Interferenzphasen tragen (z. B. 80 MHz-Band bzw. 140 MHz-Band), und die Kompo­ nenten die aus einer unbeabsichtigten Amplitudenmodulation der Frequenzmodula­ tionseinrichtung 2 hervorgehen, in ihrer Frequenz unterscheiden. Durch die Amplitu­ denmodulation können zum Beispiel neben den AM-Komponenten bei den Modula­ tionsfrequenzen f_mod1, f_mod2, . . . (z. B. 30 MHz-Band) auch noch höhere Harmonische bei den Frequenzen 2f_mod1, 3f_mod1, . . ., 2f_mod2, 3f_mod2. . . usw. (z. B. 60 MHz-Band, 90 MHz- Band) entstehen. Mit Hilfe der Frequenzfiltereinrichtung 14 können diese unbeabsich­ tigt erzeugten Signalkomponenten unterdrückt werden. Das erfindungsgemäße Verfah­ ren eignet sich daher in besonderer Weise für die Verwendung strommodulierter Laser­ dioden, da hier neben der Frequenzmodulation auch stets ein gewisser Amplituden­ modulationsanteil vorhanden ist.

Die Messung der zum Träger f₁ 1a gehörigen Interferenzphase kann zum Beispiel rela­ tiv zu einem Referenzsignal der Frequenz Δf - f_mod1 (z. B. 80 MHz) oder Δf + f_mod1 (z. B. 140 MHz) erfolgen. Ein solches Referenzsignal läßt sich zum Beispiel aus den Referenzsignalen 3a, 11 der Frequenzen f_mod1 (z. B. 30 MHz) und Δf (z. B. 110 MHz) erzeugen, welche die Frequenzmodulationseinrichtung 2a und die Frequenzverschiebeeinrichtung 8 steuern (entsprechend für Δf - f_mod2 und Δf + f_mod2, Δf - f_mod3 und Δf + f_mod3. . . usw.).

Bildet man die Differenz (Schwebungsphase) zwischen der zum optischen Träger f₁ 1a gehörenden Interferenzphase und der zum optischen Träger f₂ 1b gehörenden Inter­ ferenzphase, so ermöglicht die Kenntnis dieser Phasenlagendifferenz, wie oben beschrieben, eine absolute Entfernungsbestimmung, bei der die Entfernungsvorin­ formation nur noch eine halbe, zu den optischen Trägern f₁ 1a und f₂ 1b gehörige, Schwebungswellenlänge Λ_s betragen muß, wobei Λ_s = c/(f₂ - f₁). Dabei ist c die Geschwindigkeit des Lichtes.

Zur Gewinnung der Schwebungsphasen wird das von der Filtereinrichtung 14 durch­ gelassene Signal von einem Multiplizierer 15 weiterverarbeitet welcher ein Differenz­ frequenzsignal 16 mit Komponenten bei den Frequenzen f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . . usw. (z. B. 500 kHz, 1,25 MHz, 750 kHz. . .) erzeugt. Die Phasenlage der Kompo­ nente des Differenzfrequenzsignals 16 mit der Frequenz f_mod2 - f_mod1 (z. B. 500 kHz) spiegelt die Phasendifferenz (Schwebungsphase) zwischen der zum optischen Träger f₁ 1a gehörenden Interferenzphase und der zum optischen Träger f₂ 1b gehörenden Interferenzphase wieder. Entsprechend spiegelt die Phasenlage der Komponente des Differenzfrequenzsignals 16 mit der Frequenz f_mod3 - f_mod1 (z. B. 1,25 MHz) die Phasen­ differenz (Schwebungsphase) zwischen der zum optischen Träger f₃ 1c gehörenden Interferenzphase und der zum optischen Träger f₁ 1a gehörenden Interferenzphase wieder. Entsprechendes gilt für die übrigen Komponenten (f_mod3 - f_mod2, . . . usw.) des Differenzfrequenzsignals 16.

Dem Multiplizierer 15 ist eine elektrische Filtereinrichtung 17 nachgeschaltet, auf deren Ausgangsleitungen 18a, 18b, . . . die unterschiedlichen Komponenten des Differenzfre­ quenzsignals 16 mit den Frequenzen f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . . usw. ausge­ geben werden. Mit Hilfe der elektrischen Filtereinheit 17a wird aus dem Differenzfre­ quenzsignal 16 nur die Komponente mit der Frequenz f_mod2 - f_mod1 (z. B. 500 kHz) auf der Ausgangsleitung 18a ausgegeben. Mit Hilfe der elektrischen Filtereinheit 17b wird aus dem Differenzfrequenzsignal 16 nur die Komponente mit der Frequenz f_mod3 - f_mod1, (z. B. 1,25 MHz) auf der Ausgangsleitung 18b ausgegeben. Alle weiteren Komponenten (f_mod3 - f_mod2, f_mod4 - f_mod1, . . . usw.) des Differenzfrequenzsignals können in gleicher Weise von der elektrischen Filtereinrichtung 17 verarbeitet werden.

Die Signale auf den Ausgangsleitungen 18a, 18b, . . . der elektrischen Filtereinrichtung 17 werden einer Phasenvergleichseinrichtung 19 zugeführt. Die Phasenvergleichsein­ richtung 19 ermittelt die Phasenlage der Komponenten des Differenzfrequenzsignals relativ zu den entsprechenden Referenzdifferenzfrequenzsignalen 21a, 21b, . . ., welche von einem Differenzbilder 20 zur Verfügung gestellt werden und sich aus den ent­ sprechenden Referenzoszillationseinrichtungen 3a, 3b, 3c für die Frequenzen f_mod1, f_mod2, f_mod3, . . . usw. ableiten.

Die Phasenvergleichseinheit 19a ermittelt die Phasendifferenz zwischen der Kompo­ nente des Differenzfrequenzsignals bei der Frequenz f_mod2 - f_mod1 18a (z. B. 500 kHz) rela­ tiv zu einem Referenzdifferenzfrequenzsignal 21a, das sich von den Referenzoszilla­ tionseinrichtungen der Frequenzen f_mod1 3a (z. B. 30 MHz) und f_mod2 3b (z. B. 30,5 MHz) ableitet. Die ermittelte Phasenlagendifferenz spiegelt dann die zu den optischen Trägern f₁ 1a und f₂ 1b gehörige Schwebungsphase wieder und wird auf der Leitung 22a an die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 23 weitergegeben.

Die Phasenvergleichseinheit 19b ermittelt die Phasendifferenz zwischen der Kompo­ nente des Differenzfrequenzsignals 16 bei der Frequenz f_mod3 - f_mod1 18b (z. B. 1,25 MHz) relativ zu einem Referenzdifferenzfrequenzsignal 21b, das sich von den Referenz­ oszillationseinrichtungen der Frequenzen f_mod1 3a (z. B. 30 MHz) und f_mod3 3c (z. B. 31.25 MHz) ableitet. Die ermittelte Phasenlagendifferenz spiegelt dann die zu den opti­ schen Trägern f₁ 1a und f₃ 1c gehörige Schwebungsphase wieder und wird auf der Leitung 22b an die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 23 weitergegeben.

Alle weiteren Komponenten (f_mod3 - f_mod2, f_mod4 - f_mod1, . . . usw.) des Differenzfrequenz­ signals können in gleicher Weise von der Phasenvergleichseinrichtung 19 verarbeitet werden. Auf diese Weise kann die zu einem beliebigen Paar optischer Träger gehörige Schwebungsphase ermittelt werden. Eine Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 23 ermittelt aus den Schwebungsphasen die Lage des Objektes 10 und zeigt diese an.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt mit zusätzlicher Modula­ tion der elektrischen Signale aus den unterschiedlichen Raumbereichen des Rück­ streufeldes. Die optischen Interferenzsignale aus den unterschiedlichen räumlichen Bereichen 7A, 7B, 7C, . . . werden mit getrennten Photodetektoreinrichtungen 12A, 12B, 12C, . . . in elektrische Signale gewandelt, welche mit charakteristischen Kanalfrequen­ zen f_A, f_B, f_C, f_D. . . (z. B. 600 kHz, 700 kHz, 800 kHz. . .) moduliert werden. Dazu kann wahlweise die Amplitude, die Phase bzw. die Frequenz der elektrischen Signale modu­ liert werden.

So entstehen zum Beispiel durch eine Amplitudenmodulation mit der Frequenz f_A auf der Leitung 26A neben den Signalkomponenten mit den Frequenzen Δf - f_mod1, Δf - f_mod2, . . . (z. B. 80 MHz-Band) zusätzliche Signalkomponenten mit den Frequenzen Δf - f_mod1 + f_A und Δf - f_mod1 - f_A, Δf - f_mod2 + f_A und Δf - f_mod2 - f_A . . . usw. Entsprechendes gilt für eine Amplitu­ denmodulation mit der Frequenz f_B auf der Leitung 26B. Die Amplitudenmodulation durch die Modulatoren 25 kann zum Beispiel mit unterdrücktem Träger erfolgen, so daß am Ausgang der Modulatoren 26 die Komponenten bei den ursprünglichen Frequenzen Δf - f_mod1, Δf - f_mod2, . . . klein oder überhaupt nicht mehr vorhanden sind. Ent­ scheidend ist, daß durch die zusätzliche Modulation zwar die absolute Frequenz der Komponenten, welche die Interferenzphasen tragen, verändert wird, jedoch der Frequenzabstand zwischen diesen Komponenten innerhalb eines Teilsignals unver­ ändert bleibt.

Mit einer Additionseinrichtung 27 können die Teilsignale auf eine gemeinsame Leitung zusammengeführt werden und einer gemeinsamen Filtereinrichtung 14 zur Auswahl des gewünschten Frequenzbandes (z. B. 80 MHz-Band oder 140 MHz-Band) und einem gemeinsamen Mischer 15 zur Erzeugung des Differenzfrequenzsignals zugeführt werden.

Die vom Mischer 15 erzeugte Komponente des Differenzfrequenzsignals mit der Frequenz f_mod2 - f_mod1 resultiert aus einer Mischung zwischen den Komponenten mit den Frequenzen Δf - f_mod1 + f_A und Δf - f_mod2 + f_A sowie Δf - f_mod1 - f_A und Δf - f_mod2 - f_A im Teilsignal 26A und den Komponenten mit den Frequenzen Δf - f_mod1 + f_B und Δf - f_mod2 + f_B sowie Δf - f_mod1 + f_B und Δf - f_mod2 - f_B im Teilsignal 26B. Die Auflistung zeigt, daß durch die Mischung 15 nur solche Paare von Komponenten, welche aus dem gleichen Teilsignal und damit aus dem gleichen Raumbereich des Rückstreufeldes hervorgehen, ein Differenzfrequenz­ signal bei der maßgeblichen Frequenz f_mod2 - f_mod1 bilden.

Die elektrische Filtereinheit 17a läßt die Signalanteile bei der Differenzfrequenz f_mod2 - f_mod1 durch und unterdrückt gleichzeitig solche Komponenten des Differenzfrequenzsignals, welche aus einer Mischung von Signalkomponenten unterschiedlicher Teil­ signale hervorgehen und zum Beispiel bei den Frequenzen f_mod2 - f_mod1 + (f_A - f_B), f_mod2 - f_mod1 + (f_A + f_B), . . . usw. liegen.

Entsprechend läßt die elektrische Filtereinheit 17b nur die Signalanteile bei der Diffe­ renzfrequenz f_mod3 - f_mod1 durch und unterdrückt gleichzeitig solche Komponenten des Differenzfrequenzsignals, welche aus einer Mischung von Signalkomponenten unter­ schiedlicher Teilsignale hervorgehen und zum Beispiel bei den Frequenzen f_mod3 f_mod1 + (f_A - f_B), f_mod3 - f_mod1 + (f_A + f_B), . . . usw. liegen.

Damit diese unerwünschten Signale die elektrische Filtereinrichtung 17 nicht passieren können müssen die Kanalfrequenzen (f_A, f_B, f_C, . . .) sowie die Frequenzabstände zwischen den Kanalfrequenzen (f_A - f_B, f_A - f_C, f_B - f_C, . . .) größer gewählt werden als die Durchlaßbandbreiten (z. B. 10 kHz) der elektrischen Filtereinheiten 17a, 17b, . . .. Ferner müssen sich die Kanalfrequenzen (f_A, f_B, f_C, . . .) sowie die Frequenzabstände zwischen den Kanalfrequenzen (f_A - f_B, f_A - f_C, f_B - f_C, . . .) von den verwendeten Differenzfrequenzen (f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . .) unterscheiden, und zwar ebenfalls mindestens um den Betrag der Durchlaßbandbreiten der elektrischen Filtereinheiten 17a, 17b, . . ..

Die zusätzliche Modulation kann auch bereits vor der Photodetektoreinrichtung 12 durch einen räumlich unterteilten optischen Modulator 28 (28A, 28B, 28C, . . .) erfolgen. So kann der optische Modulator 28 zum Beispiel als Intensitätsmodulator (siehe Fig. 5) ausgeführt sein, welcher die Intensität des Lichtes nach der Rekombinationseinrichtung 9 mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen f_A, f_B, f_C, . . . für die unterschiedlichen Raumbereiche 7A, 7B, 7C, . . . des Rückstreufeldes moduliert. Die Intensitätsmodulation des Lichtes bewirkt eine Amplitudenmodulation des elektrischen Signals, welche in gleicher Weise wie beim elektrischen Modulator 25 weiterverarbeitet werden kann. Vorteilhaft bei der Verwendung eines räumlich unterteilten optischen Modulators 28 ist es, daß die Mehrkanalverarbeitung ohne die Verwendung einer Photodetektormatrix durchgeführt werden kann. Dazu ist wie bei der Einkanalverarbeitung nur eine einzige Photodetektoreinrichtung 12 zur Detektion der Interferenzsignale ausreichend.

Die optische Modulation 28 kann zum Beispiel auch im Referenz-6 (siehe Fig. 6) oder Meßzweig 7 (siehe Fig. 7) erfolgen, indem wahlweise die Frequenz oder die Amplitude des Lichtes mit unterschiedlichen Frequenzen f_A, f_B, f_C, . . . für die unterschiedlichen Raumbereiche 7A, 7B, 7C, . . . moduliert wird. Im Falle einer Frequenzmodulation kann sowohl eine Einseitenbandmodulation, zum Beispiel mittels akkustooptischer Modula­ toren, als auch eine Zweiseitenbandmodulation, zum Beispiel mittels elektrooptischer Kristalle, verwendet werden.

Claims (16)

1. Interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines reflektierenden Objektes mit

• - einer Laserlichtquelle (1), einer Strahlaufspaltungseinrichtung (5) zur Auf­ teilung
• - des Laserlichtes in einen Meßstrahl (7) und einen Referenzstrahl (6),
• - einer Modulationseinrichtung (2) zur periodischen Frequenzmodulation des der Strahlaufspaltungseinrichtung (5) zugeführten Laserlichtes, wobei die Laserlichtquelle (1) oder eine dieser nachgeschaltete Frequenzverschiebeeinrichtung Laserlicht mit zumindest zwei verschiedenen optischen Trägerfrequenzen (f₁, f₂, f₃. . .) liefert, die durch die Modulationseinrichtung (2) jeweils mit individuellen Modulationsfrequenzen (f_mod1, f_mad2, f_mod3. . .) frequenzmoduliert werden,
• - einer Rekombinationseinrichtung (9), an der der vom Objekt zurückkehrende Meßstrahl oder Meßstrahlanteile (Rückstreufeld) und der über eine feste Referenzstrecke geführte Referenzstrahl (6) unter Bildung von optischen Interferenzsignalen interferieren,
• - einer Photodetektoreinrichtung (12) zur Wandlung der optischen Interferenzsignale in elektrische Signale,

gekennzeichnet durch eine optische Frequenzverschiebeeinrichtung (8), welche einen Frequenzunterschied Δf zwischen dem Meßstrahl (7) und dem Referenz­ strahl (6) erzeugt und eine der Photodetektoreinrichtung (12) nachgeschaltete elektronische Signalverarbeitungseinrichtung (14, 15, 17, 19, 23) zur Erfassung und Auswertung der durch die Frequenzmodulation und durch die Frequenzver­ schiebung Δf des Laserlichtes hervorgerufenen Amplitudenmodulation der elek­ trischen Signale, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (14, 15, 17, 19, 23) eine Einrichtung zur Erfassung der Phasenlagendifferenz(en) zwischen den mit den Frequenzen Δf - f_mod1, Δf - f_mod2, Δf - f_mod3. . . oder mit den Frequenzen Δf + f_mod1, Δf + f_mod2, Δf + f_mod3. . . amplitudenmodulierten Komponenten im elektrischen Signal umfaßt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, vorzugs­ weise ein multiplikativer Mischer (15), zur Erzeugung eines Differenzfrequenz­ signals (f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2. . .) aus dem elektrischen Signal.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch individuelle Phasen­ vergleichseinrichtungen für die Frequenzen f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . . (19a, 19b, . . .), welche die Phasenlagen der Komponenten (f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . .) des Differenzsignals ermitteln, relativ zu den entsprechenden Referenzdifferenzsignalen, welche aus den Differenzen jener bei den individuel­ len Modulationsfrequenzen (f_mod1, f_mod2, f_mod3. . .) liegenden Referenzsignalen gebildet wird, die die Modulationseinrichtung (2) ansteuern.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung, vorzugsweise eine elektrische Frequenzfiltereinrichtung (14), welche entweder nur die Komponenten des elektrischen Signals bei den Frequenzen Δf - f_mod1, Δf - f_mod2, Δf - f_mod3. . . oder nur die Komponenten des elektrischen Signals bei den Frequenzen Δf + f_mod1, Δf + f_mod2, Δf + f_mod3. . . (nicht aber beide Komponenten gleichzeitig) an die Einrichtung, welche das Differenzfrequenzsignal (f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . .) erzeugt, weiterleitet.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung, vorzugsweise eine elektrische Frequenzfiltereinrichtung (17), welche an die individuellen Phasenvergleichseinrichtungen für die Frequenzen f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . . (21a, 21b, 21c, . . .) nur diejenigen Komponente des Diffe­ renzsignals mit der jeweils zugehörigen Frequenz f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, weiterleitet.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung, welche die elektrischen Signalanteile, die aus unterschiedlichen Raum­ bereichen (A, B, C, . . .) des Rückstreufeldes hervorgehen, vorzugsweise bezüglich der virtuellen Phase, getrennt auswertet.

7. Interferometrische Einrichtung zur Messung der Lage eines reflektierenden Objektes mit einer Laserlichtquelle (1), einer Strahlaufspaltungseinrichtung (5) zur Aufteilung des Laserlichtes in einen Meßstrahl (7) und einen Referenzstrahl (6), einer Rekombinationseinrichtung (9), an der der vom Objekt zurückkehrende Meßstrahl oder Meßstrahlanteile (Rückstreufeld) und der über eine feste Referenzstrecke geführte Referenzstrahl (6) unter Bildung von optischen Inter­ ferenzsignalen interferieren, einer Photodetektoreinrichtung (12) zur Wandlung der optischen Interferenzsignale in elektrische Signale, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche die elek­ trischen Signalanteile, die aus unterschiedlichen Raumbereichen (A, B, C, . . .) des Rückstreufeldes hervorgehen, vorzugsweise bezüglich der virtuellen Phase, getrennt auswertet, und durch eine Modulationseinrichtung (25, 26, 27, 28), welche die elektrischen Signale, welche aus den unterschiedlichen Raumbe­ reichen (A, B, C, . . .) des Rückstreufeldes hervorgehen, mit charakteristischen Kanalfrequenzen f_A, f_B, f_C, . . . moduliert.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, vorzugs­ weise eine Photodetektormatrix (12A, 12B, 12C, . . .), zum räumlich getrennten Empfang der elektrischen Signale, welche aus den unterschiedlichen Raumbe­ reichen (A, B, C, . . .) des Rückstreufeldes hervorgehen.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, vorzugsweise eine elektrische Modulationseinrichtung (25), welche wahlweise die Amplitude, die Phase, bzw. die Frequenz der elektrischen Signale, die aus den unterschiedlichen Raumbereichen (A, B, C, . . .) des Rückstreufeldes hervorgehen, moduliert.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung, vorzugsweise eine elektrische Additionseinrichtung (27), zur Vereini­ gung der mit den Kanalfrequenzen f_A, f_B, f_C, . . . modulierten elektrischen Signale (26A, 26B, 26C, . . .) zu einem Gesamtsignal.

11. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, vorzugs­ weise eine optische Modulationseinrichtung (28), welche wahlweise die Intensität des Lichtes vor dem Photodetektor oder die Frequenz, bzw. die Amplitude des Lichtes in einem Arm des Interferometers moduliert.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Modulationseinrichtung (28) aus räumlich getrennten Modulationseinheiten (28A, 28B, 28C, . . .) besteht, durch welche jeweils die elektrischen Signale moduliert werden, die aus den unterschiedlichen Raumbereichen (A, B, C, . . .) des Rück­ streufeldes hervorgehen.

13. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, vorzugsweise einen multiplikativen Mischer (12), zur Erzeugung eines Differenz­ frequenzsignals (f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2. . .) aus dem elektrischen Signal.

14. Einrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 13, gekennzeichnet durch individuelle Phasenvergleichseinrichtungen für die Frequenzen f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . . (19a, 19b, . . .), welche die Phasenlagen der Komponenten (f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . .) des Differenzsignals ermitteln, relativ zu den ent­ sprechenden Referenzdifferenzsignalen, welche aus den Differenzen jener bei den individuellen Modulationsfrequenzen (f_mod1, f_mod2, f_mod3. . .) liegenden Referenz­ signalen gebildet wird, die die Modulationseinrichtung (2) ansteuern.

15. Einrichtung nach Anspruch 6, 7, 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Einrich­ tung, vorzugsweise eine elektrische Frequenzfiltereinrichtung (14), welche ent­ weder nur die Komponenten des elektrischen Signals bei den Frequenzen Δf - _fmod1, Δf - f_mod2, Δf - f_mod3. . . oder nur die Komponenten des elektrischen Signals bei den Frequenzen Δf + f_mod1, Δf + f_mod2, Δf + f_mod3. . . (nicht aber beide Komponenten gleichzeitig) an die Einrichtung, welche das Differenzfrequenzsignal (f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . .) erzeugt, weiterleitet.

16. Einrichtung nach Anspruch 6, 7, 13, 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung, vorzugsweise eine elektrische Frequenzfiltereinrichtung (17), welche an die individuellen Phasenvergleichseinrichtungen für die Frequenzen f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . . (21a, 21b, 21c, . . .) nur diejenigen Komponente des Differenzsignals mit der jeweils zugehörigen Frequenz f_mod2 - f_mod1, f_mod3 - f_mod1, f_mod3 - f_mod2, . . . weiterleitet.