DE102015203697B3 - Laser length measuring system - Google Patents

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Klaus Wendt
Frank Härtig
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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 EP 2 620 742 ist ein absolut messendes Laser-Längenmesssystem bekannt, bei dem mittels eines Frequenzkamms eine Reihe von synthetischen Wellenlängen erzeugt wird, anhand derer der Abstand eines Retroreflektors absolut gemessen werden kann. From the EP 2 620 742 is an absolute measuring laser length measuring system is known in which by means of a frequency comb, a series of synthetic wavelengths is generated, by means of which the distance of a retroreflector can be measured absolutely.

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 DE 10 2010 032 407 B3 und der US 5,838,485 sind jeweils ein Laser-Längenmesssystem bekannt, bei dem zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz verwendet werden, um aus den gemessenen optischen Weglängen die tatsächliche Weglänge zu berechnen. Nachteilig an einem derartigen System ist, dass es nicht absolut messen kann.From the DE 10 2010 032 407 B3 and the US 5,838,485 In each case a laser length measuring system is known in which two laser beams of different frequencies are used to calculate the actual path length from the measured optical path lengths. The disadvantage of such a system is that it can not measure absolutely.

Aus der US 5,694,216 ist ein Heterodyn-Interferometer bekannt, bei der Lichtstrahl eines Lasers in zwei räumlich getrennte Teilstrahlen aufgespalten wird. Jeder der beiden Teilstrahlen wird dann in einen Strahl, der ein Objekt abtastet, und einen Referenzstrahl. Mit einem solchen System ist keine Messung des absoluten Abstands möglich.From the US 5,694,216 is a heterodyne interferometer is known in which the light beam of a laser is split into two spatially separated sub-beams. Each of the two sub-beams is then transformed into a beam scanning an object and a reference beam. With such a system, no measurement of the absolute distance is possible.

Aus der EP 2 789 969 A1 ist ein absolut messendes, brechzahlkompensiertes Mehrwellenlängen-Heterodyn-Interferometer bekannt, bei dem drei verschiedene Wellenlängen verwendet werden, die jeweils auf eine Absorptionszelle stabilisiert sind. Nachteilig an diesem System ist der vergleichsweise komplexe Aufbau.From the EP 2 789 969 A1 is an absolute measuring, refractive power compensated multi-wavelength heterodyne interferometer known using three different wavelengths, each stabilized on an absorption cell. A disadvantage of this system is the comparatively complex structure.

In der DE 103 34 350 B3 ist ein brechzahlkompensiertes Mehrwellenlängen-Heterodyn-Interferometer, das aber keine absolute Längenmessung erlaubt.In the DE 103 34 350 B3 is a refractive power compensated multi-wavelength heterodyne interferometer that does not allow absolute length measurement.

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 claim 1.

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:

1 eine Strahlerzeugungsvorrichtung eines erfindungsgemäßen Laser-Längenmesssystems und 1 a beam generating device of a laser length measuring system according to the invention and

2 ein erfindungsgemäßes Laser-Längenmesssystem mit der Strahlerzeugungsvorrichtung gemäß 1. 2 an inventive laser length measuring system with the beam generating device according to 1 ,

1 zeigt eine Strahlerzeugungsvorrichtung 10, die eine erste Laser-Lichtquelle 12, im vorliegenden Fall in Form eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers, aufweist. Die erste Laser-Lichtquelle 12 gibt erstes Laser-Licht L1 mit einer ersten Grundfrequenz vg1 und ein drittes Laser-Licht L3 mit einer dritten Grund-Frequenz vg3 = 2vg1 ab. 1 shows a jet generating device 10 which is a first laser light source 12 , in the present case in the form of a frequency-doubled Nd: YAG laser. The first laser light source 12 outputs first laser light L1 having a first fundamental frequency v g1 and a third laser light L3 having a third fundamental frequency v g3 = 2v g1 .

Die Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 umfasst zudem eine zweite Laser-Lichtquelle 14, im vorliegenden Fall ebenfalls in Form eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers, die über einen Frequenzkoppler 16 mit der ersten Laser-Lichtquelle 12 gekoppelt ist. Der Frequenzkoppler 16 synchronisiert die Laser-Lichtquellen 12, 14 über eine Schwebungsfrequenz fs. Die Schwebungsfrequenz fs1 zwischen der ersten Grund-Frequenz νg1 und der zweiten Grund-Frequenz νg2 beträgt fs = 20,01 GHz. Eine zweite Schwebungsfrequenz fs2 zwischen der dritten Grund-Frequenz νg3 und der vierten Grund-Frequenz νg4 beträgt daher in der hier gezeigten Ausführungsform fs2 = 40,02 GHz. The ray generating device 10 also includes a second laser light source 14 , in the present case also in the form of a frequency-doubled Nd: YAG laser, via a frequency coupler 16 with the first laser light source 12 is coupled. The frequency coupler 16 synchronizes the laser light sources 12 . 14 over a beat frequency f s . The beat frequency f s1 between the first fundamental frequency ν g1 and the second fundamental frequency ν g2 is f s = 20.01 GHz. A second beat frequency f s2 between the third fundamental frequency ν g3 and the fourth fundamental frequency ν g4 is therefore f s2 = 40.02 GHz in the embodiment shown here.

Die erste Laser-Lichtquelle 12 ist mit ihrer dritten Grund-Wellenlänge bei 532 nm auf eine Absorptionszelle 18 frequenzstabilisiert, im vorliegenden Fall auf eine dopplerfreie Iod-Absorptionslinie. Auf diese Weise sind beide Laser-Lichtquellen 12, 14 sowohl relativ zueinander als auch absolut hoch frequenzstabil.The first laser light source 12 is with its third fundamental wavelength at 532 nm on an absorption cell 18 frequency-stabilized, in the present case on a doppler-free iodine absorption line. In this way, both are laser light sources 12 . 14 both relative to each other and absolutely high frequency stable.

Die zweite Laser-Lichtquelle 14 emittiert ein zweites Laser-Licht L2 mit einer zweiten Grund-Frequenz νg2, die im vorliegenden Fall einer Vakuum-Wellenlänge von 1064 nm entspricht. Zudem emittiert die zweite Laser-Lichtquelle 14 ein viertes Laser-Licht L4, das eine vierte Grund-Frequenz νG4 hat, die einer Vakuum-Wellenlänge von 532 nm entspricht.The second laser light source 14 emits a second laser light L2 having a second fundamental frequency ν g2 , which in the present case corresponds to a vacuum wavelength of 1064 nm. In addition, the second laser light source emits 14 a fourth laser light L4 having a fourth fundamental frequency ν G4 corresponding to a vacuum wavelength of 532 nm.

Die Strahlerzeugungsvorrichtung 10 besitzt einen ersten Frequenzschieber AOM1 zum Verschieben der Frequenz νG3, um eine erste Hochfrequenz fAOM1, die im Ausführungsbeispiel fAOM1 = 92,5 MHz beträgt. Das so entstehende Laser-Licht wird in eine polarisationserhaltende Singlemode-Glasfaser G1 eingekoppelt. Rechts sind die Frequenzen des eingekoppelten Laser-Lichts angegeben.The jet generating device 10 has a first frequency shifter AOM1 for shifting the frequency ν G3 to a first high frequency f AOM1 , which in the exemplary embodiment f AOM1 = 92.5 MHz. The resulting laser light is coupled into a polarization-preserving singlemode glass fiber G1. On the right are the frequencies of the coupled-in laser light.

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 14 kommenden Laser-Lichts L4 durchläuft einen zweiten Frequenzschieber AOM2, dessen Hochfrequenz fAOM2 in der gezeigten Ausführungsform fAOM2 = 95 MHz beträgt. Der so entstandene Laserstrahl wird in einem Strahlteiler 20 mit dem Laserstrahl vereinigt, der von der ersten Laser-Lichtquelle 12 stammt und vom ersten Frequenzschieber AOM1 um die erste Hochfrequenz verschoben wurde. Der so erhaltene Laserstrahl wird ebenfalls in die Glasfaser G1 eingekoppelt, nachdem er ein λ/2-Plättchen und ein Polarisationsfilter durchlaufen hat.That of the second laser light source 14 The next laser light L4 passes through a second frequency shifter AOM2 whose high frequency f AOM2 in the embodiment shown is f AOM2 = 95 MHz. The resulting laser beam is in a beam splitter 20 associated with the laser beam coming from the first laser light source 12 and shifted from the first frequency shifter AOM1 by the first high frequency. The laser beam thus obtained is also coupled into the glass fiber G1 after it has passed through a λ / 2 plate and a polarizing filter.

Derjenige Anteil an Laser-Licht L4, der den zweiten Frequenzschieber AOM2 unverändert durchlaufen hat, wird in einem zweiten Strahlteiler 22 dem Laser-Licht L1 vereinigt und in die Glasfaser G2 eingekoppelt. Vor der Glasfaser G2 durchläuft das jeweilige Licht ebenfalls ein λ/2-Plättchen und ein Polarisationsfilter, der mit Pol gekennzeichnet ist.The portion of laser light L4, which has passed through the second frequency shifter AOM2 unchanged, is in a second beam splitter 22 the laser light L1 combined and coupled into the glass fiber G2. Before the glass fiber G2, the respective light also passes through a λ / 2 plate and a polarizing filter, which is marked with Pol.

Das Laser-Licht L1 wird einer drittem, polarisierenden Strahlteiler 24 zugeführt, der einen Teil des Laser-Lichts in einen vierten Frequenzschieber AOM4 umleitet. Der frequenzverschobene Strahl tritt durch einen vierten Strahlteiler und wird von einem Spiegel 28 zurück auf den vierten Frequenzschieber AOM4 reflektiert, so dass ein Lichtstrahl entsteht, der die Frequenz ν = νG1 + 2fAOM4 besitzt. Dieser wird über einen Spiegel 30 und einen fünften Strahlteiler 32 einer polarisationserhaltenden Singlemode-Glasfaser R2 zugeführt. The laser light L1 becomes a third, polarizing beam splitter 24 fed, which diverts a portion of the laser light in a fourth frequency shifter AOM4. The frequency shifted beam passes through a fourth beam splitter and is from a mirror 28 back to the fourth frequency shifter AOM4 reflected, so that a light beam is produced, which has the frequency ν = ν G1 + 2f AOM4 . This one is about a mirror 30 and a fifth beam splitter 32 a polarization-maintaining singlemode glass fiber R2 supplied.

Das Licht L1 wird zudem auf Spiegel 34, 36, Strahlteiler 38 und weitere Spiegel 40, 42 einer polarisationserhaltende Singlemode-Glasfaser R1 zugeführt.The light L1 is also on mirror 34 . 36 , Beam splitter 38 and more mirrors 40 . 42 a polarization-maintaining singlemode glass fiber R1 supplied.

Das Licht L2 wird über einen siebten, polarisierenden Strahlteiler 44 teilweise einem Frequenzschieber AOM5 zugeleitet und hinter einem achten Strahlteiler 46 auf den Frequenzschieber AOM5 zurück reflektiert, sodass sich eine doppelte Frequenzverschiebung ergibt. Das so frequenzverschobene Licht wird der Glasfaser R2 zugeführt.The light L2 is transmitted through a seventh, polarizing beam splitter 44 partially fed to a frequency shifter AOM5 and behind an eighth beam splitter 46 reflected back to the frequency shifter AOM5, resulting in a double frequency shift. The thus frequency-shifted light is supplied to the glass fiber R2.

Licht, das den Frequenzschieber AOM5 lediglich einmal durchlaufen hat, wird über einen neunten Strahlteiler 48 einen siebten Frequenzschieber AOM7 zugeführt und frequenzverschoben ebenfalls in die zweite Glasfaser R2 eingekoppelt. Das zweite Licht L2 wird teilweise nach Durchlaufen des siebten Strahlteilers 44 und einem zehnten Strahlteiler 50 über einen elften, polarisierenden Strahlteiler 52 einem sechsten Frequenzschieber AOM6 zugeleitet und nach zweimaligen Durchlaufen in die Glasfaser R1 eingekoppelt. Sowohl vor der Glasfaser R1 als auch vor der Glasfaser R2 sind jeweils ein λ/2-Plättchen und ein Polarisationsfilter angeordnet. Light which has passed through the frequency shifter AOM5 only once is passed through a ninth beam splitter 48 fed to a seventh frequency shifter AOM7 and frequency-shifted also coupled into the second optical fiber R2. The second light L2 becomes partially after passing through the seventh beam splitter 44 and a tenth beam splitter 50 via an eleventh, polarizing beam splitter 52 a sixth frequency shifter AOM6 supplied and coupled into the glass fiber R1 after passing twice. Both in front of the glass fiber R1 and in front of the glass fiber R2, a λ / 2 plate and a polarizing filter are arranged in each case.

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.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Laser-Längenmesssystem 54, das neben der Strahlerzeugungsvorrichtung 10, die schematisch eingezeichnet ist, ein Interferometer 56 und einer Auswerteeinheit 58 umfasst. Das Interferometer 56 umfasst zudem einen sphärischen Reflektor 60 und eine Fokussiervorrichtung 62 zum Fokussieren von Laser-Licht mehrerer Frequenzen auf den Reflektor 60. 2 shows a laser length measuring system according to the invention 54 , in addition to the jet-generating device 10 , which is schematically drawn, an interferometer 56 and an evaluation unit 58 includes. The interferometer 56 also includes a spherical reflector 60 and a focusing device 62 for focusing laser light of multiple frequencies on the reflector 60 ,

Die Glasfasern G1 und R2 liefern das Licht für einen Mess-Laserstrahl 63, der auf einen Retroreflektor 64 gerichtet ist. Vom Retroreflektor 64 kommt ein reflektierter Laserstrahl 65 zurück. Der Abstand l des Retroreflektors 64 von einem Krümmungskreis-Mittelpunkt M des Reflektors 60 kann mit dem Laser-Längenmesssystem 54 bestimmt werden.The glass fibers G1 and R2 provide the light for a measuring laser beam 63 looking for a retro reflector 64 is directed. From the retro reflector 64 comes a reflected laser beam 65 back. The distance l of the retroreflector 64 from a circle of curvature center M of the reflector 60 can with the laser length measuring system 54 be determined.

Das Licht aus der Glasfaser G1 wird über einen zwölften, polarisierenden Strahlteiler 66 und im vorliegenden Fall über einen Fresnel-Rhombus 68 zur Fokussiervorrichtung 62 geleitet. Der Lichtstrahl wird am Reflektor 60 auf sich selbst reflektiert und gelangt als Teil des Mess-Laserstrahls 63 zum Retroreflektor 64 und ist ab dort Teil des reflektierten Laserstrahls 65.The light from the fiberglass G1 is transmitted through a twelfth, polarizing beam splitter 66 and in this case a Fresnel rhombus 68 to the focusing device 62 directed. The light beam is at the reflector 60 reflected on itself and passes as part of the measuring laser beam 63 to the retro reflector 64 and is from there part of the reflected laser beam 65 ,

Der reflektierte Laserstrahl 65 wird über einen dreizehnten, polarisierenden Strahlteiler 70 auf einen vierzehnten Strahlteiler 72 geleitet. Dort interferiert der Strahl mit dem Licht aus der Glasfaser G2, der über einen fünfzehnten Strahlteiler zugefügt wird. Es entstehen Schwebungsfrequenzen fSchweb, die von einem ersten Detektor 76 erfasst werden. Vor den Detektor 76 ist ein Filter 78 angeordnet, der das Licht aus den Glasfasern G1 und G2 durchlässt, das Licht aus den Glasfasern R1 und R2 aber nicht. The reflected laser beam 65 is via a thirteenth, polarizing beam splitter 70 on a fourteenth beam splitter 72 directed. There, the beam interferes with the light from the glass fiber G2, which is added via a fifteenth beam splitter. There are beating frequencies f Schweb , by a first detector 76 be recorded. In front of the detector 76 is a filter 78 arranged, which transmits the light from the glass fibers G1 and G2, but not the light from the glass fibers R1 and R2.

In einem sechzehnten Strahlteiler 80 werden die aus den Glasfasern G1 und G2 stammenden Lichtstrahlen vereinigt, die nicht zum Retroreflektor 64 gelaufen sind. Es entstehen Schwebungsfrequenzen, die als Referenz dienen.In a sixteenth beam splitter 80 the light rays originating from the glass fibers G1 and G2 are combined, which are not the retroreflector 64 have gone. It creates beat frequencies that serve as a reference.

Auf dem vierzehnten Strahlteiler 72 interferieren zudem die Lichtstrahlen, die aus den Glasfasern R1 und R2 stammen und über dieselben Wege wie das Licht aus G1 und G2 gelaufen sind. Das Entstehen der Schwebungssignale wird von einem zweiten Detektor 82 erfasst, vor dem ein zweiter Filter 84 angeordnet ist. Der zweite Filter 84 lässt das Licht aus den Fasern R1 und R2 durch, das Licht aus G1 und G2 nicht.On the fourteenth beam splitter 72 In addition, the light rays originating from the glass fibers R1 and R2 and passing through the same paths as the light from G1 and G2 also interfere. The generation of the beat signals is from a second detector 82 detected, before a second filter 84 is arranged. The second filter 84 lets the light from the fibers R1 and R2 through, the light from G1 and G2 not.

Die Lichtstrahlen, die aus den Glasfasern R1 und R2 zugeführt werden und nicht zum Retroreflektor 64 gelaufen sind, interferieren auf den Strahlteiler 80 und werden von einem dritten Detektor 86 erfasst, vor dem ein Filter 88 angeordnet ist, der den Filter 84 entspricht. Ein vierter Detektor 90 erfasst die Schwebungssignale, die von der Überlagerung der Lichtstrahlen aus den Glasfasern G1 und G2 stammen. Ein Strahlengang vor dem vierten Detektor 90 angeordneter Filter 92 entspricht dem Filter 78. The light rays that are supplied from the glass fibers R1 and R2 and not the retroreflector 64 have run, interfere with the beam splitter 80 and are from a third detector 86 captured, before a filter 88 is arranged, the filter 84 equivalent. A fourth detector 90 detects the beat signals resulting from the superposition of the light rays from the glass fibers G1 and G2. A beam path in front of the fourth detector 90 arranged filter 92 corresponds to the filter 78 ,

Die von einem gestrichelten Kasten umgebenen optischen Komponenten sind an einer vereinfacht eingezeichneten Laserstrahl-Nachführvorrichtung 79 befestigt, die um Krümmungskreis-Mittelpunkt M schwenkbar ist und ausgebildet ist, um den Mess-Laserstrahl 63 dem Retroreflektor 64 automatisch nachzuführen. Eine solche Laserstrahl-Nachführvorrichtung 79 gehört zum Stand der Technik und ist hier daher nicht näher beschrieben.The optical components surrounded by a dashed box are on a simplified laser beam tracking device 79 fixed, which is pivotable about the circle of curvature center M and is adapted to the measuring laser beam 63 the retro reflector 64 track automatically. Such a laser beam tracking device 79 belongs to the prior art and is therefore not described here.

Die Auswerteeinheit 58 ist mit den vier Detektoren 76, 82, 86, 90 verbunden. Die Berechnung der und errechnet eine erste optische Weglänge w1 anhand der ersten Grund-Frequenz und der zweiten Grund-Frequenz und eine zweite optische Weglänge w2 aus der dritten Grund-Frequenz und der vierten Grund-Frequenz wird im Folgenden beschrieben.The evaluation unit 58 is with the four detectors 76 . 82 . 86 . 90 connected. The calculation of and computes a first optical path length w 1 from the first fundamental frequency and the second fundamental frequency and a second optical path length w 2 from the third fundamental frequency and the fourth fundamental frequency will be described below.

Im Interferometer 56 werden zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen zur Interferenz gebracht. Ein Strahl durchläuft dabei die zu messende Strecke. Die Interferenz erzeugt dabei auf den Detektoren 76, 90 eine Wechselspannungssignal mit der Schwebungsfrequenz in Form der Differenzfrequenz beider Laserstrahlen. Die Phase Φ dieser Schwebungsfrequenz ist proportional zur Länge l der durchlaufenden Strecke (n – Brechzahl der Luft, λ – Wellenlänge des Lichts): Φ = 4π / λnl (1) In the interferometer 56 two laser beams with different frequencies are brought into interference. A beam passes through the route to be measured. The interference is generated on the detectors 76 . 90 an alternating voltage signal with the beat frequency in the form of the difference frequency of both laser beams. The phase Φ of this beat frequency is proportional to the length l of the continuous path (n - refractive index of the air, λ - wavelength of the light): Φ = 4π / λnl (1)

Die Länge ergibt sich damit zu: l = Φ / πλ / n (2) The length is thus: l = Φ / πλ / n (2)

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:

Figure DE102015203697B3_0002
mit
Figure DE102015203697B3_0003
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:
Figure DE102015203697B3_0002
With
Figure DE102015203697B3_0003

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 equation 1, wherein the synthetic wavelength Λ is greater than the two used optical wavelengths λ 1 , λ 2 and wherein the refractive index n is changed. An absolute Distance measurement is thus possible within half the synthetic wavelength. The distance interval within which the absolute distance measurement is possible is referred to as uniqueness interval.

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: l = N λ / 2n + Φ / 4πλ / n (4) If the uncertainty is not too great, the interference order N of an optical wavelength can be determined with the length measured from the synthetic wavelength. The "more accurate" length then results from the phase of the optical wavelength according to equation 2 and N times the half optical wavelength: l = N λ / 2n + Φ / 4πλ / n (4)

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.

3 zeigt die Dispersion, also die Abhängigkeit der Brechzahl von der Wellenlänge. 3 shows the dispersion, ie the dependence of the refractive index on the wavelength.

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): n(λ, t, p, x, pw) – 1 = K(λ)·D(t, p, x) – pw·g(λ) (5) mit

Figure DE102015203697B3_0004
und g(λ) = 10–10(3.802 – 0.0384/(λ2/μm)2) (7) und
Figure DE102015203697B3_0005
From the two optical path lengths of w 1, w 2, the influence of the refractive index can be compensated to the measured length. The refractive index can be represented by an equation of the following structure (t - temperature, p - air pressure, x - CO 2 content of the air, pw - water vapor partial pressure in the air): n (λ, t, p, x, p w ) - 1 = K (λ) · D (t, p, x) - p w · g (λ) (5) With
Figure DE102015203697B3_0004
and g (λ) = 10 -10 (3,802 - 0.0384 / (λ 2 / μm) 2 ) (7) and
Figure DE102015203697B3_0005

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: l = w1 – A(w2 – w1) (9) mit

Figure DE102015203697B3_0006
If the optical path lengths n 1 l and n 2 l, designated w 1 and w 2 , can be given for dry air (pw = 0) the following relationship for the true distance l: l = w 1 -A (w 2 -w 1 ) (9) With
Figure DE102015203697B3_0006

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 wavelengths 532 nm and 1064 nm mentioned in the exemplary embodiment, ≈65 applies. The measurement uncertainty in the difference between the two optical path lengths w 1 and w 2 increases by this factor.

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:

Figure DE102015203697B3_0007
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:
Figure DE102015203697B3_0007

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. Größe Standard Kompensiert Temperatur Δt = +1 °C –1 × 10–6 - Druck Δp = +1 hPa +2.7 × 10–7 - Relative Feuchte ΔRH = +1 % –1 × 10–8 –2.4 × 10–8 Table 1 below illustrates the effect of changes in air on the measured length, unless compensated by a corresponding measurement. Interferometry with only one wavelength shows the dependence of the refractive index on the air parameters. In the case of the compensated method, the validity of the above-mentioned approximation formulas leaves no dependence on temperature, pressure and CO 2 content. size default compensated Temperature Δt = +1 ° C -1 x 10 -6 - Pressure Δp = +1 hPa +2.7 × 10 -7 - Relative humidity ΔRH = +1% -1 × 10 -8 -2.4 × 10 -8

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 1 unten gezeigte Aufbau verwendet. For the laser light with the first and second fundamental frequency, in the present case, the infrared light, in principle a same structure could be used. But since more wavelengths are to be generated with the AOMs, the in 1 used construction shown below.

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 12. The four beating frequencies in the measuring beam result in six combinations for synthetic wavelengths. In Table 2 below, all combinations are listed. The frequencies mentioned in the first column relate to the frequency of the first laser light source 12 ,

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:

Figure DE102015203697B3_0008
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:
Figure DE102015203697B3_0008

Eine dieser weiteren Wellenlängen beträgt ca. 40 m und liefert ein Eindeutigkeitsintervall von 20 m für die absolute Distanzmessung. Frequenz/MHz Δ1/MHz Λ1/m Δ2/MHz Λ2/m Δ3/MHz Λ3/m –5 185 190 1,578 20002,5 20007,5 0,014984 19817,5 0,015128 20200 20205 0,014838 20015 0,014978 197,5 1,518 Tabelle 2: Frequenzkombinationen und synthetische Wellenlängen für das Laser-Licht mit der ersten und der dritten Grund-Frequenz (hier: 1064 nm) One of these other wavelengths is about 40 m and provides a uniqueness interval of 20 m for the absolute distance measurement. Frequency / MHz Δ 1 / MHz Λ 1 / m Δ 2 / MHz Λ 2 / m Δ 3 / MHz Λ 3 / m -5 185 190 1,578 20,002.5 20,007.5 0.014984 19,817.5 0.015128 20200 20205 0.014838 20015 0.014978 197.5 1,518 Table 2: Frequency combinations and synthetic wavelengths for the laser light with the first and the third fundamental frequency (here: 1064 nm)

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 67, 86 an, für das infrarote jeweils vier Schwebungsfrequenzen an den Detektoren 83, 92. Mittels Lock-In-Technik werden alle sechs zugehörigen Phasenwerte simultan gemessen.Due to the different heterodyne frequencies, ie the frequencies by which the fundamental frequencies were effectively shifted, there are two beat frequencies at the detectors for the green light 67 . 86 on, for the infrared four beats at the detectors 83 . 92 , Using lock-in technology, all six associated phase values are measured simultaneously.

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 58 die Interferenzordnung der 7,5 mm langen synthetischen Wellenlänge bei 532 nm. Um Fehler in der Bestimmung der Ordnung durch die Dispersion zu vermeiden, wird die optische Länge im Infraroten mit Standardwerten für die Brechzahl in die optische Länge im Grünen umgerechnet.The evaluation unit determines from this length 58 the interference order of the 7.5 mm long synthetic wavelength at 532 nm. To avoid errors in the determination of the order by the dispersion, the optical length is converted in the infrared with standard values for the refractive index in the optical length in the green.

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

Claims (10)

Laser-Längenmesssystem (54) mit (i) 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 der ersten Grund-Frequenz (νg1) entspricht, (b) 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 der zweiten Grund-Frequenz (νg2) entspricht, (c) 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, (d) wobei die Hochfrequenzen (fAOM1, fAOM2, fAOM3) so gewählt sind, dass durch Überlagern von Laser-Licht zumindest zwei unterschiedliche Schwebungsfrequenzen (fSchweb) erzeugbar sind, (ii) einem Interferometer (56) zum Überlagern von Laser-Licht (L1, L2, L3, L4), so dass die Schwebungsfrequenzen (fSchweb) entstehen und (iii) einer Auswerteeinheit (58), die eingerichtet ist zum automatischen Berechnen der absoluten, brechzahlkompensierten optischen Weglänge aus den Phasen der Schwebungsfrequenzen (fSchweb).Laser length measuring system ( 54 ) with (i) a jet generating device ( 10 ) which (a) is a first laser light source ( 12 ) for - first laser light (L1) of a first fundamental frequency (ν g1 ) and - third laser light (L3) having a third fundamental frequency (ν g3 ) which is a multiple of the first fundamental frequency (L1) ν g1 ), (b) at least one second laser light source ( 14 ) for - second laser light (L2) of a second fundamental frequency (ν g2 ) and - fourth laser light (L4) having a fourth fundamental frequency (ν g4 ) which is a multiple of the second fundamental frequency (L2) ν g2 ), (c) at least one frequency shifter (AOM1, AOM2, AOM3) for shifting frequencies of laser light (L1, L2, L3, L4) by - a first high frequency (f AOM1), - a second radio frequency (f AOM2), and - at least a third high frequency (f AOM3) comprises, (d) wherein the high frequencies (f AOM1, f AOM2, f AOM3) are selected such that at least two different beat frequencies (f hover ) can be generated by superimposing laser light, (ii) an interferometer ( 56 ) for superimposing laser light (L1, L2, L3, L4) so that the beat frequencies (f hover ) arise and (iii) an evaluation unit ( 58 ) arranged to automatically calculate the absolute refractive index compensated optical path length from the phases of the beat frequencies (f hover ). Laser-Längenmesssystem (54) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Grund-Frequenz (νg3) dem Doppelten der ersten Grund-Frequenz (νg1) entspricht.Laser length measuring system ( 54 ) According to claim 1, characterized in that the third fundamental frequency (ν g3) corresponding to twice the first fundamental frequency (ν g1). Laser-Längenmesssystem (54) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch (a) einen zumindest abschnittsweise konvex sphärischen Reflektor (60), der einen Krümmungskreis-Mittelpunkt (M) und einen Krümmungskreis-Radius (R) hat, (b) eine Fokussiervorrichtung (62) zum Fokussieren von Laser-Licht, insbesondere des ersten Laser-Lichts (L1), auf den Reflektor (60), so dass ein erster Mess-Laserstrahl (63) entsteht, (c) einen Retroreflektor (64) zum Reflektieren des ersten Mess-Laserstrahls (63), so dass ein reflektierter Laserstrahl (65) entsteht, und (d) eine Laserstrahl-Nachführvorrichtung (79), die zumindest um den Krümmungskreis-Mittelpunkt (M) schwenkbar ist und ausgebildet ist, um den Mess-Laserstrahl (63) dem Retroreflektor (64) automatisch nachzuführen.Laser length measuring system ( 54 ) according to one of the preceding claims, characterized by (a) an at least partially convex spherical reflector ( 60 ) having a circle of curvature center (M) and a radius of curvature radius (R), (b) a focusing device (FIG. 62 ) for focusing laser light, in particular of the first laser light (L1), onto the reflector ( 60 ), so that a first measuring laser beam ( 63 ), (c) a retroreflector ( 64 ) for reflecting the first measuring laser beam ( 63 ), so that a reflected laser beam ( 65 ), and (d) a laser beam tracking device ( 79 ), which is pivotable at least about the circle of curvature center (M) and is adapted to the measuring laser beam ( 63 ) the retroreflector ( 64 ) automatically track. Laser-Längenmesssystem (54) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Laserlichtquellen, insbesondere auf eine Absorptionszelle (18), frequenzstabilisiert ist.Laser length measuring system ( 54 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the laser light sources, in particular an absorption cell ( 18 ), frequency stabilized. Laser-Längenmesssystem (54) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laserlichtquelle (12) und die zweite Laserlichtquelle (14) synchronisiert sind. Laser length measuring system ( 54 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first laser light source ( 12 ) and the second laser light source ( 14 ) are synchronized. Laser-Längenmesssystem (54) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laserlichtquelle (12) und die zweite Laserlichtquelle (14) frequenzstabilisiert sind.Laser length measuring system ( 54 ) according to claim 5, characterized in that the first laser light source ( 12 ) and the second laser light source ( 14 ) are frequency stabilized. Laser-Längenmesssystem (54) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laserlichtquelle (12) und die zweite Laserlichtquelle (14) über zumindest eine Schwebungsfrequenz (fS) synchronisiert sind, die zumindest 20 GHz beträgt.Laser length measuring system ( 54 ) according to claim 5, characterized in that the first laser light source ( 12 ) and the second laser light source ( 14 ) are synchronized over at least one beat frequency (f S ) which is at least 20 GHz. Laser-Längenmesssystem (54) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzen (fAOM1, fAOM2, fAOM3, fAOM4) so gewählt sind, dass weitere synthetische Wellenlängen entstehen, die so gestaffelt sind, dass die halbe längste Wellenlänge einen vorgegebenen Messbereich abdeckt und die Messunsicherheit der Längenmessung mit einer dieser synthetischen Wellenlängen ausreicht, um sukzessive die Interferenzordnungen von jeweils kürzeren synthetischen Wellenlängen zu bestimmen.Laser length measuring system ( 54 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the high frequencies (f AOM1 , f AOM2 , f AOM3 , f AOM4 ) are chosen so that further synthetic wavelengths arise, which are staggered so that half the longest wavelength covers a predetermined measuring range and the measurement uncertainty of the length measurement with one of these synthetic wavelengths is sufficient to successively determine the interference orders of shorter synthetic wavelengths. Laser-Längenmesssystem (54) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (56) ein Heterodyn-Interferometer ist.Laser length measuring system ( 54 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the interferometer ( 56 ) is a heterodyne interferometer. Laser-Längenmesssystem (54) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (58) eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Ermitteln einer ersten optischen Weglänge (W1) anhand der ersten Grund-Frequenz (νg1) und/oder der zweiten Grund-Frequenz (νg2), (ii) Ermitteln einer zweiten optischen Weglänge (W2) anhand der dritten Grund-Frequenz (νg3) und/oder der vierten Grund-Frequenz (νg4) und (iii) Berechnen eines Abstands (d) zwischen dem Laser-Längenmesssystem (54) und dem Retroreflektor (64) aus der ersten optischen Weglänge (W1) und der zweiten optischen Weglänge (W2) durch Kompensieren des Einflusses der Luftbrechzahl über die Dispersion.Laser length measuring system ( 54 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 58 ) is arranged to automatically perform a method comprising the steps of: (i) determining a first optical path length (W 1 ) based on the first fundamental frequency (ν g1 ) and / or the second fundamental frequency (ν g2 ), (ii) Determining a second optical path length (W 2 ) on the basis of the third fundamental frequency (ν g3 ) and / or the fourth fundamental frequency (ν g4 ) and (iii) calculating a distance (d) between the laser length measuring system ( 54 ) and the retroreflector ( 64 ) From the first optical path length (W 1) and the second optical path length (W 2) by compensating the influence of the refractive index of air over the dispersion.
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