DE102015203697B3 - Laser length measuring system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Laser-Längenmesssystem (54) mit einer Strahlerzeugungsvorrichtung (10), die (a) eine erste Laserlichtquelle (12) für erstes Laser-Licht (L1) einer ersten Grund-Frequenz (νg1) und drittes Laser-Licht (L3), das eine dritte Grund-Frequenz (νg3) hat, die einem Mehrfachen, insbesondere dem Doppelten, der ersten Grund-Frequenz (νg1) entspricht, zumindest eine zweite Laserlichtquelle (14) für zweites Laser-Licht (L2) einer zweiten Grund-Frequenz (νg2) und viertes Laser-Licht (L4), das eine vierte Grund-Frequenz (νg4) hat, die einem Mehrfachen, insbesondere dem Doppelten, der zweiten Grund-Frequenz (νg2) entspricht, zumindest einen Frequenzschieber (AOM1, AOM2, AOM3) zum Verschieben von Frequenzen von Laser-Licht (L1, L2, L3, L4) um eine erste Hochfrequenz (fAOM1), eine zweite Hochfrequenz (fAOM2) und zumindest eine dritte Hochfrequenz (fAOM3) aufweist, wobei die Hochfrequenzen (fAOM1, fAOM2, fAOM3) so gewählt sind, dass durch Überlagern von Laser-Licht zumindest zwei unterschiedliche Schwebungsfrequenzen erzeugbar sind, einem Interferometer (56) zum Überlagern von Laser-Licht (L1, L2, L3, L4), sodass die Schwebungsfrequenzen (fSchweb) entstehen und einer Auswerteeinheit (58), die eingerichtet ist zum automatischen Berechnen der absoluten, brechzahlkompensierten optischen Weglänge aus den Phasen der Schwebungsfrequenzen (fSchweb).The invention relates to a laser length measuring system (54) comprising a beam generating device (10) comprising (a) a first laser light source (12) for first laser light (L1) of a first fundamental frequency (νg1) and third laser light (L3 ) having a third fundamental frequency (νg3) corresponding to a multiple, in particular twice, the first fundamental frequency (νg1), at least one second laser light source (14) for a second laser light (L2) of a second fundamental frequency Frequency (νg2) and fourth laser light (L4) having a fourth fundamental frequency (νg4) corresponding to a multiple, in particular twice, the second fundamental frequency (νg2), at least one frequency shifter (AOM1, AOM2, AOM3) for shifting frequencies of laser light (L1, L2, L3, L4) by a first high frequency (fAOM1), a second high frequency (fAOM2) and at least a third high frequency (fAOM3), the high frequencies (fAOM1, fAOM2 , fAOM3) are chosen so that by superimposing laser light to at least two different beat frequencies can be generated, an interferometer (56) for superimposing laser light (L1, L2, L3, L4), so that the beat frequencies (fSchweb) arise and an evaluation unit (58), which is set up to automatically calculate the absolute , refractive index compensated optical path length from the phases of the beat frequencies (fSchweb).
Description
Die Erfindung betrifft ein Laser-Längenmesssystem. The invention relates to a laser length measuring system.
Aus der
Es sind zudem interferometrisch messende Laser-Längenmesssysteme bekannt, bei denen ein Retroreflektor mit mehreren Interferometern angepeilt wird. Wird der Retroreflektor bewegt, so kann aus den Änderungen der Wegstrecken auf die absolute Position des Retroreflektors relativ zu den Interferometern geschlossen werden. In addition, interferometrically measuring laser length measuring systems are known in which a retroreflector with several interferometers is targeted. If the retroreflector is moved, it can be concluded from the changes in the distances to the absolute position of the retroreflector relative to the interferometers.
Aus der
Aus der
Aus der
In der
Im Artikel „Scanning differential-heterodyne-interferometer with acousto-optic deflectors”, Optics Communications 123 (1996) 34–40 von Tiziani et al ist ein Heterodyn-Interferometer beschrieben, das als Profilometer ausgebildet ist. Eine absolute Wegmessung ist damit nicht möglich. The article "Scanning differential-heterodyne-interferometer with acousto-optical reflectors", Optics Communications 123 (1996) 34-40 by Tiziani et al describes a heterodyne interferometer, which is designed as a profilometer. An absolute distance measurement is therefore not possible.
Der Artikel „Refractive index determintion in length measurement by two-colour interferometry“, Measurement Science and Technology 19 (2008) 084004 (5pp), von Meiners-Hagen und Abou-Zeid wird die Bestimmung des Brechungsindex mittels Zwei-Wellenlängen-Interferometrie beschrieben. Eine absolute Wegmessung ist damit nicht möglich. The article "Refractive Index Determination in Length Measurement by Two-Color Interferometry", Measurement Science and Technology 19 (2008) 084004 (5pp) by Meiners-Hagen and Abou-Zeid describes the determination of the refractive index by means of two-wavelength interferometry. An absolute distance measurement is therefore not possible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine absolute, brechzahlkompensierte Abstandsmessung mit einfacheren Mitteln zu ermöglichen.The invention is based on the object to enable an absolute, refractive index compensated distance measurement with simpler means.
Die Erfindung löst das Problem durch ein Laser-Längenmesssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1.The invention solves the problem by a laser length measuring system with the features of
Ein derartiges Laser-Längenmesssystem ist in der Lage, absolut zu messen und gleichzeitig temperaturbedingte Fehler weitgehend eliminieren zu können. Das führt zu einer hohen Messgenauigkeit bei gleichzeitig hoher Messgeschwindigkeit. Such a laser length measuring system is able to measure absolutely while at the same time largely eliminating temperature-related errors. This leads to a high measuring accuracy and a high measuring speed.
Es ist ein Vorteil, dass eine Unterbrechung eines oder mehrerer der Lichtstrahlen nicht dazu führt, dass das Längenmesssystem neu eingemessen werden muss.It is an advantage that an interruption of one or more of the light beams does not mean that the length measuring system has to be re-measured.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Merkmal, dass zumindest ein Frequenzschieber zum Verschieben von Frequenzen von Laser-Licht vorhanden ist, insbesondere verstanden, dass Laser-Licht aus einer Laserlichtquelle in seiner Frequenz verschoben wird. Es kommt nicht darauf an, welche Frequenz, insbesondere welche Grund-Frequenz um welche Hochfrequenz verschoben wird, solange die resultierenden synthetischen Wellenlängen zum Ermitteln der optischen Weglänge geeignet sind.In the context of the present description, the feature that at least one frequency shifter for shifting frequencies of laser light is present, in particular means that laser light is shifted from a laser light source in its frequency. It does not matter which frequency, in particular which fundamental frequency is shifted by which high frequency, as long as the resulting synthetic wavelengths are suitable for determining the optical path length.
Unter dem Laser-Licht wird das von einer Laserlichtquelle ausgesandte und gegebenenfalls um eine Hochfrequenz verschobene Licht verstanden. In anderen Worten wird das Laser-Licht auch nach Verschieben der Frequenz als das gleiche Laser-Licht betrachtet, um eine einfache Nomenklatur zu erreichen. The laser light is understood to be the light emitted by a laser light source and possibly shifted by a high frequency. In other words, even after shifting the frequency, the laser light is regarded as the same laser light to achieve a simple nomenclature.
Unter dem Merkmal, dass die Weglänge aus den Schwebungsfrequenzen berechnet wird, wird insbesondere verstanden, dass die Phasen der Schwebungsfrequenzen zwischen Laser-Licht in einem Referenzzweig des Interferometers und einem Messzweig des Interferometers ausgewertet werden. Das Laser-Licht im Messzweig ist vorzugsweise zu einem Retroreflektor gelaufen, das Laser-Licht im Referenzzweig ist vorzugsweise nicht zu diesem Retroreflektor gelaufen.The feature that the path length is calculated from the beat frequencies is understood in particular to mean that the phases of the beat frequencies between laser light in a reference branch of the interferometer and a measuring branch of the interferometer are evaluated. The laser light in the measuring branch has preferably traveled to a retroreflector, the laser light in the reference branch has preferably not run to this retroreflector.
Unter dem Merkmal, dass aus den Phasen der Schwebungsfrequenzen die Weglänge bestimmt wird, ist zu verstehen, dass aus den Phasen der elektromagnetischen Wellen, die die jeweilige Schwebungsfrequenz haben, die Weglänge bestimmt wird. By the feature that the path length is determined from the phases of the beat frequencies, it is to be understood that the path length is determined from the phases of the electromagnetic waves having the respective beat frequency.
Es ist möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass die Strahlerzeugungsvorrichtung zum Abgeben von erstem Laser-Licht mit einer ersten Grund-Frequenz, die sich um zumindest 20 GHz von der zweiten Grund-Frequenz unterscheidet. Beispielsweise hat das dritte Laser-Licht die doppelte erste Grund-Frequenz.It is possible, and is a preferred embodiment, for the beam generating device to output first laser light having a first fundamental frequency that differs by at least 20 GHz from the second fundamental frequency. For example, the third laser light has twice the first fundamental frequency.
Im Interferometer wird insbesondere solches Laser-Licht, das in seinem davor liegenden Lichtpfad eine Laufstrecke zu einem Retroreflektor zurückgelegt hat, mit Laser-Licht überlagert, das eine feste Wegstrecke zurückgelegt hat. So kann der Abstand des Retroreflektors relativ zu einem Fixpunkt des Laser-Längenmesssystems berechnet werden. In the interferometer, in particular such laser light, which has traveled in its preceding light path a running distance to a retroreflector, superimposed with laser light, which has traveled a fixed distance. Thus, the distance of the retroreflector relative to a fixed point of the laser length measuring system can be calculated.
Ganz günstig ist es, wenn Frequenzschieber vorhanden sind, die neben der Erzeugung der Heterodynfrequenzen weitere synthetische Wellenlängen liefern. Diese synthetischen Wellenlängen sind vorzugsweise so gewählt, dass sie Eindeutigkeitsintervalle besitzen, die so zueinander liegen, dass eine absolute optische Weglänge bestimmbar ist.It is quite favorable if frequency shifters are present which, in addition to the generation of the heterodyne frequencies, provide further synthetic wavelengths. These synthetic wavelengths are preferably chosen such that they have uniqueness intervals which lie relative to one another such that an absolute optical path length can be determined.
Günstig ist es, wenn sich die zweite Hochfrequenz von der ersten Hochfrequenz unterscheidet. Vorzugsweise unterscheidet sich zudem die dritte Hochfrequenz sowohl von der ersten Hochfrequenz als auch von der zweiten Hochfrequenz.It is favorable if the second high frequency differs from the first high frequency. In addition, the third high frequency preferably differs from both the first high frequency and the second high frequency.
Günstig ist es, wenn das Laser-Längenmesssystem einen Retroreflektor zum Reflektieren eines Mess-Laserstrahls und ein Laserstrahl-Nachführvorrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um den Mess-Laserstrahl in dem Retroreflektor nachzuführen. It is advantageous if the laser length measuring system has a retroreflector for reflecting a measuring laser beam and a laser beam tracking device, which is designed to track the measuring laser beam in the retroreflector.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Laser-Längenmesssystem (a) einen zumindest abschnittsweise konvex sphärischen Reflektor, der einen Krümmungskreis-Mittelpunkt und einen Krümmungskreis-Radius hat, (b) eine Fokussiervorrichtung zum Fokussieren von Laser-Licht, insbesondere des ersten Laser-Lichts, auf den Reflektor, sodass ein erster Mess-Laserstrahl entsteht, (c) einen Retroreflektor zum Reflektieren des ersten Mess-Laserstrahls, sodass ein erster reflektierter Laserstrahl entsteht, und (d) eine Laserstrahl-Nachführvorrichtung, die zumindest auch um den Krümmungskreis-Mittelpunkt schwenkbar ist und ausgebildet ist, um den Mess-Laserstrahl dem Retroreflektor nachzuführen. Der Retroreflektor wird beispielsweise an dem Objekt befestigt, dessen Position bestimmt werden soll. Es kann dann die Position des Objekts mit hoher Genauigkeit relativ zum Krümmungskreis-Mittelpunkt bestimmt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Laserlichtquelle und die zweite Laserlichtquelle frequenzstabilisiert. Die Messunsicherheit der Längenmessung gemessen mit einer synthetischen Wellenlänge ist um den Faktor synthetische Wellenlänge als Zähler zur optischen Wellenlänge als Nenner größer als die Messunsicherheit der Längenmessung mit einer optischen Wellenlänge. Für kurze synthetische Wellenlängen ist daher eine zweite Laserlichtquelle vorteilhaft, deren Frequenz relativ zur ersten Laserlichtquelle gut bekannt ist.According to a preferred embodiment, the laser length measuring system comprises (a) an at least partially convex spherical reflector having a radius of curvature center and a radius of curvature radius, (b) a focusing device for focusing laser light, in particular the first laser light, (c) a retroreflector for reflecting the first measuring laser beam to form a first reflected laser beam, and (d) a laser beam tracking device pivotable at least about the circle of curvature center is and is adapted to track the measuring laser beam to the retroreflector. The retroreflector is attached, for example, to the object whose position is to be determined. It can then be determined the position of the object with high accuracy relative to the circle of curvature center. According to a preferred embodiment, the first laser light source and the second laser light source are frequency-stabilized. The measurement uncertainty of the length measurement measured with a synthetic wavelength is larger than the measurement uncertainty of the length measurement with an optical wavelength by the factor synthetic wavelength as a numerator to the optical wavelength as a denominator. For short synthetic wavelengths, therefore, a second laser light source is advantageous whose frequency is well known relative to the first laser light source.
Unter dem Merkmal, dass eine Laserlichtquelle frequenzstabilisiert ist, wird insbesondere verstanden, dass die Schwankung der Frequenz so gering ist, dass die jeweilige Messunsicherheit so klein ist, dass die Bestimmung der Interferenzordnung der gestaffelten synthetischen Wellenlängen möglich ist. Zumeist ist es ausreichend, wenn Δν/ν höchstens 10–10 beträgt, wobei ν ist die Frequenz ist. The feature that a laser light source is frequency-stabilized means, in particular, that the fluctuation of the frequency is so small that the respective measurement uncertainty is so small that the determination of the interference order of the staggered synthetic wavelengths is possible. In most cases it is sufficient if Δν / ν is at most 10 -10 , where ν is the frequency.
Vorzugsweise ist zumindest eine der Laser-Lichtquellen auf eine Absorptionszelle frequenzstabilisiert. Beispielsweise ist eine Laser-Lichtquelle auf eine dopplerfreie Iod-Absorptionslinie frequenzstabilisiert. Auf diese Weise wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht.Preferably, at least one of the laser light sources is frequency-stabilized on an absorption cell. For example, a laser light source is frequency stabilized to a doppler-free iodine absorption line. In this way, a high accuracy of measurement is achieved.
Günstig ist es, wenn die erste Laserlichtquelle auf eine erste Absorptionszelle frequenzstabilisiert und die zweite Laserlichtquelle auf eine zweite Absorptionszelle frequenzstabilisiert ist, wobei die Absorptionslinien der beiden Absorptionszellen sich unterscheiden. Vorzugsweise unterscheiden sich die Absorptionslinien um zumindest 0,5 THz, insbesondere zumindest 5 THz, wobei zumindest 15 THz besonders günstig sind. It is favorable if the first laser light source is frequency stabilized on a first absorption cell and the second laser light source is frequency stabilized on a second absorption cell, the absorption lines of the two absorption cells differing. Preferably, the absorption lines differ by at least 0.5 THz, in particular at least 5 THz, with at least 15 THz being particularly favorable.
Alternativ ist es möglich, dass die erste Laser-Lichtquelle und die zweite Laser-Lichtquelle über eine Schwebungsfrequenz synchronisiert sind, die vorzugsweise zumindest 1 GHz, insbesondere 10 GHz, beträgt. Vorzugsweise beträgt die Schwebungsfrequenz höchstens 100 GHz. Ist eine der Laser-Lichtquellen frequenzstabilisiert, wird durch die konstante Schwebungsfrequenz zudem die Grund-Frequenz der zweiten Laser-Lichtquelle ebenfalls frequenzstabilisiert. Es ergibt sich so eine besonders hohe Messgenauigkeit. Existieren mehrere Schwebungsfrequenzen, beispielsweise weil die Laserlichtquellen frequenzvervielfacht sind, bezieht sich der angegebene Bereich stets auf die kleinste Schwebungsfrequenz.Alternatively, it is possible that the first laser light source and the second laser light source are synchronized via a beat frequency, which is preferably at least 1 GHz, in particular 10 GHz. Preferably, the beat frequency is at most 100 GHz. If one of the laser light sources is frequency-stabilized, the basic beat frequency of the second laser light source is also frequency-stabilized by the constant beat frequency. This results in a particularly high measurement accuracy. If several beat frequencies exist, for example because the laser light sources are frequency-multiplied, the specified range always refers to the smallest beat frequency.
Vorzugsweise sind die Hochfrequenzen so gewählt, dass zumindest eine synthetische Wellenlänge entsteht, die zumindest einen Meter, insbesondere zumindest 10 Meter, beträgt. Besonders günstig ist es, wenn die Hochfrequenzen so gewählt sind, dass zumindest eine synthetische Wellenlänge zumindest 30 Meter beträgt. Auf diese Weise können Abstände absolut bestimmt werden, so lange, insbesondere auf Basis anderer Messungen, bis auf die halbe synthetische Wellenlänge bekannt ist, wie groß der absolut zu messende Abstand ist.Preferably, the high frequencies are chosen so that at least one synthetic wavelength is formed which is at least one meter, in particular at least 10 meters. It is particularly favorable if the high frequencies are chosen such that at least one synthetic wavelength is at least 30 meters. In this way distances can be determined absolutely, as long as, in particular on the basis of other measurements, to half the synthetic wavelength is known, how large is the absolute distance to be measured.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Ermitteln einer ersten optischen Weglänge anhand der ersten Grund-Frequenz und/oder der zweiten Grund-Frequenz, (ii) Ermitteln einer zweiten optischen Weglänge anhand der dritten Grund-Frequenz und/oder der vierten Grund-Frequenz und (iii) Berechnen eines Abstands zwischen dem Laser-Längenmesssystem und dem Retroreflektor aus der ersten optischen Weglänge und der zweiten optischen Weglänge durch Kompensieren des Einflusses der Luftbrechzahl über die Dispersion.Preferably, the evaluation unit is configured to automatically perform a method comprising the steps of (i) determining a first optical path length based on the first fundamental frequency and / or the second fundamental frequency, (ii) determining a second optical path length based on the third fundamental frequency and / or the fourth fundamental frequency, and (iii) calculating a distance between the laser length measuring system and the retroreflector from the first optical path length and the second optical path length by compensating the influence of the air refractive index over the dispersion.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:In the following the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Showing:
Die Strahlenerzeugungsvorrichtung
Die erste Laser-Lichtquelle
Die zweite Laser-Lichtquelle
Die Strahlerzeugungsvorrichtung
Der Lichtstrahl, der den ersten Frequenzschieber AOM1 unverschoben passiert, gelangt mit dem Teilstrahl, der den zweiten Frequenzschieber AOM2 unverschoben passiert hat, in einen dritten Frequenzschieber AOM3, dessen dritte Hochfrequenz fAOM3 in der gezeigten Ausführungsform fAOM3 = 100 MHz beträgt. Das so erhaltene Laser-Licht wird in eine zweite polarisationserhaltende Singlemode-Glasfaser G2 eingekoppelt. Diese Strahlen dienen im weiter unten beschriebenen Interferometer als Lokaloszillator. Sie ergeben im vorliegenden Fall Heterodynsignale von 5 MHz und 7,5 MHz. The light beam which passes the first frequency shifter AOM1 unshifted, with the sub-beam which has passed the second frequency shifter AOM2 unshifted, in a third frequency shifter AOM3, the third high frequency f AOM3 in the embodiment shown f AOM3 = 100 MHz. The resulting laser light is coupled into a second polarization-maintaining singlemode glass fiber G2. These beams are used in the below described interferometer as a local oscillator. They result in the present case heterodyne signals of 5 MHz and 7.5 MHz.
Das von der zweiten Laser-Lichtquelle
Derjenige Anteil an Laser-Licht L4, der den zweiten Frequenzschieber AOM2 unverändert durchlaufen hat, wird in einem zweiten Strahlteiler
Das Laser-Licht L1 wird einer drittem, polarisierenden Strahlteiler
Das Licht L1 wird zudem auf Spiegel
Das Licht L2 wird über einen siebten, polarisierenden Strahlteiler
Licht, das den Frequenzschieber AOM5 lediglich einmal durchlaufen hat, wird über einen neunten Strahlteiler
Durch die angegebenen Bauteile ergeben sich die Frequenzen, die benachbart zu den Glasfasern G1, G2, R1, R2 angegeben sind.By the specified components, the frequencies that are adjacent to the glass fibers G1, G2, R1, R2 are given.
Die Glasfasern G1 und R2 liefern das Licht für einen Mess-Laserstrahl
Das Licht aus der Glasfaser G1 wird über einen zwölften, polarisierenden Strahlteiler
Der reflektierte Laserstrahl
In einem sechzehnten Strahlteiler
Auf dem vierzehnten Strahlteiler
Die Lichtstrahlen, die aus den Glasfasern R1 und R2 zugeführt werden und nicht zum Retroreflektor
Die von einem gestrichelten Kasten umgebenen optischen Komponenten sind an einer vereinfacht eingezeichneten Laserstrahl-Nachführvorrichtung
Die Auswerteeinheit
Im Interferometer
Die Länge ergibt sich damit zu:
Die Phase Φ wird beispielsweise aus einem Kosinus- und Sinussignal mittels der Arcustangensfunktion bestimmt. Wird die Länge l mit Licht zweier zwei Wellenlängen gemessen, ergeben sich zwei Phasen. Die Differenz ist: mit The phase Φ is determined, for example, from a cosine and sine signal by means of the arctangent function. If the length l is measured with light of two wavelengths, two phases result. The difference is: With
Gleichung 3 ähnelt der Gleichung 1, wobei die synthetische Wellenlänge Λ größer ist als die beiden verwendeten optischen Wellenlängen λ1, λ2 und wobei die Brechzahl n verändert ist. Eine absolute Distanzmessung ist damit innerhalb der halben synthetischen Wellenlänge möglich. Dasjenige Streckenintervall, innerhalb dem die absolute Distanzmessung möglich ist, wird als Eindeutigkeitsintervall bezeichnet.Equation 3 is similar to
Das Eindeutigkeitsintervall lässt sich zwar durch die Wahl der synthetischen Wellenlänge beliebig groß einstellen, dabei steigt aber die Messunsicherheit im Verhältnis synthetischer zu optischer Wellenlänge an.Although the uniqueness interval can be set arbitrarily large by the choice of the synthetic wavelength, the measurement uncertainty in the ratio of synthetic to optical wavelength increases.
Wenn die Unsicherheit nicht zu groß ist, lässt sich mit der aus der synthetischen Wellenlänge gemessenen Länge die Interferenzordnung N einer optischen Wellenlänge bestimmen. Die „genauere“ Länge ergibt dann aus der Phase der optischen Wellenlänge gemäß Gleichung 2 und dem N-fachen der halben optischen Wellenlänge:
Die Skalierung der Messunsicherheit begrenzt die eindeutig messbare Länge. Für größere Strecken lassen sich passende weitere optische Wellenlängen verwenden, die eine Kette von synthetischen Wellenlängen liefern. Die längste synthetische Wellenlänge bestimmt den eindeutigen Messbereich und die weiteren müssen so gestaffelt sein, dass sich deren Interferenzordnungen bestimmen lassen.The scaling of the measurement uncertainty limits the uniquely measurable length. For longer distances, appropriate additional optical wavelengths can be used to provide a chain of synthetic wavelengths. The longest synthetic wavelength determines the unique measurement range and the others must be staggered so that their interference orders can be determined.
Die synthetischen Wellenlängen sind vorzugsweise so gewählt, dass die Interferenzordnung einer optischen Wellenlänge bestimmt werden kann, so dass sich die Messunsicherheit eines zählenden Interferometers mit dem Eindeutigkeitsbereich der Absolutmessung ergibt.The synthetic wavelengths are preferably chosen such that the interference order of an optical wavelength can be determined so that the measurement uncertainty of a counting interferometer results with the uniqueness range of the absolute measurement.
BrechzahlkompensationRefractive index compensation
In den obigen Gleichungen geht die Brechzahl n in Luft in die Berechnung der Länge ein. Die Brechzahl hängt von der Wellenlänge des Lichts, der Lufttemperatur, dem Luftdruck, der Luftfeuchtigkeit und dem CO2-Gehalt der Luft ab. Die Parameter der Luft müssen gemessen werden, um die Länge präzise zu bestimmen.In the above equations, the refractive index n in air is included in the calculation of the length. The refractive index depends on the wavelength of the light, the air temperature, the air pressure, the humidity and the CO 2 content of the air. The parameters of the air must be measured to precisely determine the length.
Mit der oben beschriebenen Methode wird die optische Weglänge nl gemessen (siehe Gleichung 1). Wird dieselbe Strecke mit zwei verschiedenen Wellenlängen gemessen, ergeben sich aufgrund der Dispersion zwei unterschiedliche optische Weglängen w1 = n1l und w2 = n2l, wobei n1 und n2 die Brechzahlen für die beiden Wellenlängen sind. The optical path length n1 is measured by the method described above (see equation 1). If the same distance is measured with two different wavelengths resulting from the dispersion of two different optical path lengths w 1 = n 1 l and w 2 = n 2 L wherein n 1 and n 2 are the refractive indices for the two wavelengths.
Aus den beiden optischen Weglängen w1, w2 lässt sich der Einfluss der Brechzahl auf die gemessene Länge kompensieren. Die Brechzahl lässt sich durch eine Gleichung der folgenden Struktur darstellen (t – Temperatur, p – Luftdruck, x – CO2-Gehalt der Luft, pw – Wasserdampfpartialdruck in der Luft):
Werden die optischen Weglängen n1l und n2l, als w1 und w2 bezeichnet, lässt sich für trockene Luft (pw = 0) folgende Beziehung für den wahren Abstand l angeben:
Die Parameter der Luft in der Funktion D kürzen sich im Faktor A heraus, so dass sich die Länge ohne Messung dieser Parameter bestimmen lässt und der Faktor nur durch die Wellenlängen gegeben ist. The parameters of the air in function D are shortened in factor A, so that the length can be determined without measuring these parameters and the factor is given only by the wavelengths.
Der Faktor A ist verhältnismäßig groß ist. Für die im Ausführungsbeispiel genannten Wellenlängen 532 nm und 1064 nm gilt ≈65. Die Messunsicherheit in der Differenz der beiden optischen Weglängen w1 und w2 vergrößert sich um diesen Faktor. The factor A is relatively large. For the
Bei Luftfeuchtigkeit kürzen sich die Terme mit den Funktionen D und g nicht heraus, so dass eine Abhängigkeit von den Luftparametern besteht. Für feuchte Luft lässt sich folgende Lösung für die Länge l angeben: At humidity, the terms with the functions D and g do not shorten, so that there is a dependency on the air parameters. For moist air, the following solution for the length l can be specified:
Die berechnete Länge l hängt demnach nur vom Wasserdampfpartialdruck in der Luft ab und nicht von Temperatur, Druck und CO2-Gehalt. Auch wenn in Gl. 10 kein expliziter Faktor A auftaucht, bleibt der Effekt der Vergrößerung der Messunsicherheit um diesen Faktor bestehen.The calculated length l thus depends only on the partial pressure of water vapor in the air and not on temperature, pressure and CO 2 content. Although in Eq. If no explicit factor A emerges, the effect of increasing the measurement uncertainty by this factor remains.
Die unten stehende Tabelle 1 verdeutlicht den Einfluss von Änderungen in der Luft auf die gemessene Länge, sofern sie nicht durch eine entsprechende Messung kompensiert werden. Die Interferometrie mit nur einer Wellenlänge zeigt die Abhängigkeit der Brechzahl von den Luftparametern. Bei der kompensierten Methode besteht im Rahmen der Gültigkeit der oben angegebenen Näherungsformeln keine Abhängigkeit von Temperatur, Druck und CO2-Gehalt.
Aus der Schwebungsfrequenz fs zwischen der ersten Grund-Frequenz und der dritten Grund-Frequenz ergibt eine synthetische Wellenlänge von 15 mm. Für die dritte und vierte Grund-Frequenz ergibt eine synthetische Wellenlänge von 7,5 mm. Die Bestimmung der Interferenzordnung der optischen Wellenlängen ist hierbei nicht möglich, da die Unsicherheiten zu groß sind. Um das Eindeutigkeitsintervall zu vergrößern, werden mittels akusto-optischer Frequenzschieber im infraroten Laser-Licht weitere Wellenlängen erzeugt.From the beat frequency f s between the first fundamental frequency and the third fundamental frequency results in a synthetic wavelength of 15 mm. For the third and fourth fundamental frequency gives a synthetic wavelength of 7.5 mm. The determination of the interference order of the optical wavelengths is not possible here because the uncertainties are too large. To increase the uniqueness interval, further wavelengths are generated by means of acousto-optical frequency shifters in the infrared laser light.
Für das Laser-Licht mit der ersten und zweiten Grund-Frequenz, im vorliegenden Fall also das infrarote Licht, könnte prinzipiell ein gleicher Aufbau verwendet werden. Da aber weitere Wellenlängen mit den AOMs erzeugt werden sollen, wird der in
Die Schwebungsfrequenzen betragen damit fSchweb1 = 5 MHz, fSchweb2 = 7,5 MHz, fSchweb3 = 8 MHz und fSchweb4 = 13 MHz. The beat frequencies are therefore f Schweb1 = 5 MHz, f Schweb2 = 7.5 MHz, f Schweb3 = 8 MHz and f Schweb4 = 13 MHz.
Aus den vier Schwebungsfrequenzen im Messstrahl ergeben sich sechs Kombinationen für synthetische Wellenlängen. In der unten stehenden Tabelle 2 sind alle Kombinationen aufgeführt. Die in der ersten Spalte genannten Frequenzen beziehen sich auf die Frequenz der ersten Laserlichtquelle
Es ergeben sich vier synthetische Wellenlängen Λ von ca. 15 mm und zwei synthetische Wellenlängen Λ von ca. 1,5 m. Das Eindeutigkeitsintervall der Messung beträgt 0,75 m. Es lassen sich jedoch aus vier Phasen weitere, indirekte synthetische Wellenlängen ableiten: This results in four synthetic wavelengths Λ of about 15 mm and two synthetic wavelengths Λ of about 1.5 m. The uniqueness interval of the measurement is 0.75 m. However, it is possible to derive further, indirect synthetic wavelengths from four phases:
Eine dieser weiteren Wellenlängen beträgt ca. 40 m und liefert ein Eindeutigkeitsintervall von 20 m für die absolute Distanzmessung.
Durch die unterschiedlichen Heterodynfrequenzen, also diejenigen Frequenzen, um die die Grund-Frequenzen effektiv verschoben wurden, liegen für das grüne Licht zwei Schwebungsfrequenzen an den Detektoren
Zur Auswertung wird zunächst die Länge l mit der 40 m langen synthetischen Wellenlänge bestimmt und aus dieser die Interferenzordnung einer 1,5 m langen synthetischen Wellenlänge. Aus der Kombination der Interferenzordnung und der Phase der 1,5 m langen synthetischen Wellenlänge ergibt sich eine genauere Bestimmung der Länge. Mit dieser wird schließlich die Interferenzordnung einer 15 mm langen synthetischen Wellenlänge berechnet und es ergibt sich die absolute optische Weglänge für das Licht mit 1064 nm.For evaluation, first the length l with the 40 m long synthetic wavelength is determined and from this the interference order of a 1.5 m long synthetic wavelength. The combination of the order of interference and the phase of the 1.5 m long synthetic wavelength results in a more accurate determination of the length. This finally calculates the interference order of a 15 mm long synthetic wavelength and gives the absolute optical path length for the light at 1064 nm.
Aus dieser Länge bestimmt die Auswerteeinheit
Schließlich kann aus beiden optischen Längen die brechzahlkompensierte Distanz bestimmt werden. Hier ist anzumerken, dass der Faktor A für die synthetischen Wellenlängen deutlich kleiner ist als für die optischen. Gemäß Gleichung 3 ist die Gruppenbrechzahl für die synthetischen Wellenlängen effektiv. Diese unterscheidet zwar nur um größenordnungsmäßig 10–6 von der Phasenbrechzahl, hat aber eine stärkere Dispersion. Der Faktor A beträgt bei den verwendeten Wellenlängen ca. 20 statt 65.Finally, the refractive-index-compensated distance can be determined from both optical lengths. It should be noted that the factor A is significantly smaller for the synthetic wavelengths than for the optical ones. According to Equation 3, the group refractive index is effective for the synthetic wavelengths. Although this differs only on the order of 10 -6 of the phase refractive index, but has a stronger dispersion. The factor A is about 20 instead of 65 at the wavelengths used.
Ausgehend von der absoluten Distanzmessung kann die Länge weiterhin durch Zählen der Interferenzordnungen bestimmt werden. Da sich aus der absoluten Länge nicht die Interferenzordnungen der optischen Wellenlängen ableiten lassen, ergibt sich eine größere Unsicherheit für den Startwert. Die Differenzen zu diesem Wert können dagegen mit einer kleineren Unsicherheit gemessen werden.Based on the absolute distance measurement, the length can be further determined by counting the interference orders. Since the interference orders of the optical wavelengths can not be derived from the absolute length, a greater uncertainty results for the starting value. The differences to this value, however, can be measured with a smaller uncertainty.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Strahlenerzeugungsvorrichtung Ray generating device
- 1212
- erste Laser-Lichtquelle first laser light source
- 1414
- zweite Laser-Lichtquelle second laser light source
- 1616
- Frequenzkoppler frequency coupler
- 1818
- Absorptionszelle absorption cell
- 2020
- Strahlteiler beamsplitter
- 2222
- zweiter Strahlteiler second beam splitter
- 2424
- dritter, polarisierender Strahlteiler third, polarizing beam splitter
- 2626
- vierter Strahlteiler fourth beam splitter
- 2828
- Spiegel mirror
- 3030
- Spiegel mirror
- 3232
- fünfter Strahlteiler fifth beam splitter
- 3434
- Spiegel mirror
- 3636
- Spiegel mirror
- 3838
- sechster Strahlteiler sixth beam splitter
- 4040
- Spiegel mirror
- 4242
- Spiegel mirror
- 4444
- siebter Strahlteiler seventh beam splitter
- 4646
- achter Strahlteiler eighth beam splitter
- 4848
- neunter Strahlteiler ninth beam splitter
- 5050
- zehnter Strahlteiler tenth beam splitter
- 5252
- elfter, polarisierender Strahlteiler Eleventh, polarizing beam splitter
- 5454
- Laser-Längenmesssystem Laser length measuring system
- 5656
- Interferometer interferometer
- 5858
- Auswerteeinheit evaluation
- 6060
- Reflektor reflector
- 6262
- Fokussiervorrichtung focusing
- 6363
- Mess-Laserstrahl Measuring laser beam
- 6464
- Retroreflektor retroreflector
- 6565
- reflektierter Laserstrahl reflected laser beam
- 6666
- zwölfter, polarisierender Strahlteiler twelfth, polarizing beam splitter
- 6868
- Fresnel-Rhombus Fresnel rhombus
- 7070
- dreizehnter, polarisierender Strahlteiler Thirteenth, polarizing beam splitter
- 7272
- vierzehnter, polarisierender Strahlteiler Fourteenth, polarizing beam splitter
- 7474
- fünfzehnter, polarisierender Strahlteiler fifteenth, polarizing beam splitter
- 7676
- erster Detektor first detector
- 7878
- Filter filter
- 8080
- Strahlteiler beamsplitter
- 8282
- zweiter Detektor second detector
- 8484
- zweiter Filter second filter
- 8686
- dritter Detektor third detector
- 8888
- dritter Filter third filter
- 9090
- vierter Detektor fourth detector
- 9292
- Filter filter
- AOMAOM
- Frequenzschieber frequency shifter
- G1G1
- Glasfaser glass fiber
- G2G2
- Glasfaser glass fiber
- R1R1
- Glasfaser glass fiber
- R2R2
- Glasfaser glass fiber
- fs f s
- Schwebungs-Frequenz Beat Frequency
- fSchweb f hover
- Schwebungsfrequenzen Beat frequencies
- ll
- Abstand distance
- MM
- Krümmungskreis-Mittelpunkt Circle of curvature center point
- nn
- Brechzahl refractive index
- w1 w 1
- erste optische Weglänge first optical path length
- w2 w 2
- zweite optische Weglänge second optical path length
- λλ
- Wellenlänge wavelength
- ΦΦ
- Phase phase
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRAMM, LINS & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWAEL, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |