DE1798308B1

DE1798308B1 - Interferential length measuring device with laser source and downstream quarter-wave lamella

Info

Publication number: DE1798308B1
Application number: DE19681798308
Authority: DE
Inventors: Raymond Marcy
Original assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Current assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Priority date: 1967-09-29
Filing date: 1968-09-24
Publication date: 1971-06-09
Also published as: NL6813757A; FR93696E; BE721491A

Description

Die Erfindung betrifft ein interferentielles Längenmeßgerät mit Laserquelle und nachgeschalteterviertelwellenlamelle zur Ausleuchtung eines herkömmlichen Meßinterferometers, dem ein halbdurchlässiger Spiegel zugeordnet ist, der das aus dem Interferometer austretende Strahlenbündel gleichzeitig auf zwei jeweils vor zwei Lichtempfängern aufgestellte Analysatoren richtet. The invention relates to an interferential length measuring device with a laser source and downstream quarter-wave lamella for illuminating a conventional measuring interferometer, to which a semitransparent mirror is assigned, the one from the interferometer emerging bundles of rays at the same time on two each in front of two light receivers set up analyzers.

Es sind bereits zahlreiche Interferometer-Anordnungen zur genauen Messung einer Strecke bzw. There are already numerous interferometer arrangements for precise Measurement of a distance or

Länge bekannt. Diese Anordnungen werden sehr häufig innerhalb der reinen Meßtechnik zur Durchführung bzw. Kontrolle von Bewegungsmessungen verwendet. Zusammen mit Präzisions-Werkzeugmaschinen verwendet, tragen diese Anordnungen dazu bei, diese Maschinen oder auch automatische Bearbeitungsvorgänge zu steuern, wobei diese Bearbeitungsvorgänge voll programmiert ablaufen können.Length known. These arrangements are very common within the pure measurement technology used to carry out or control movement measurements. Used in conjunction with precision machine tools, these arrangements add to this at to control these machines or automatic machining processes, whereby these machining processes can be fully programmed.

Unter diesen interferentiellen Längenmeßgeräten haben insbesondere diejenigen, die als Lichtquelle eine Laserquelle verwenden, gegenüber den bisher in der Meßtechnik verwendeten Interferometer-Anordnungen den Vorteil höherer Präzision, größerer maximaler Meßstrecken, sowie leichterer Bedienung. Längenmeßgeräte dieser Art besitzen jedoch andererseits den Nachteil, daß sie einen Ursprung als Bezugspunkt benötigen und zur Durchführung einer Messung eine gleichförmige Bewegung eines ihrer Organe z. B. eines beweglichen Prismas zwischen diesem festen Ursprung und dem Meßpunkt (Ende der zu messenden Länge L) stattfinden muß. Dieser Umstand führt zwangläufig zu einer Beeinträchtigung der Messung, sobald das Gerät während dieser Bewegung irgendeine Störung erfährt, z. B. erschüttert wird, da z B. bei der Auswerteschaltung ein Nullpunkt bei der Plus-Minus-Rechenoperation der Lichtintensitäts-Nullpunkte unberücksichtigt bleibt. Among these interferential length measuring devices, in particular those who use a laser source as a light source compared to the previous ones Interferometer arrangements used in measurement technology have the advantage of higher precision, larger maximum measuring distances, as well as easier operation. Length measuring devices this On the other hand, Art have the disadvantage that they have an origin as a reference point and require a uniform movement of one of their to perform a measurement Organs z. B. a movable prism between this fixed origin and the measuring point (End of the length to be measured L) must take place. This fact inevitably leads to an impairment of the measurement as soon as the device during this movement experiences some malfunction, e.g. B. is shaken because, for example, in the evaluation circuit a zero point in the plus-minus arithmetic operation of the light intensity zero points remains unconsidered.

Es ist auch bereits ein Verfahren zur interferentiellen Längenmessung bekannt, bei dem mit einer nicht monochromatischen Lichtquelle gearbeitet wird, die zwei oder mehr Strahlenbündel jeweils verschiedener Wellenlänge aussendet (» Images Optiques«, 3. Auflage, 1962, S. 277, von P. F 1 e u r y und J. P. It is also already a method for interferential length measurement known to work with a non-monochromatic light source, which emits two or more bundles of rays, each with a different wavelength (» Images Optiques ", 3rd edition, 1962, p. 277, by P. F 1 e u r y and J. P.

M a t h i e u). Ein Gerät zur Auswertung der nach diesem Verfahren erhaltenen Ergebnisse ist jedoch sehr kompliziert aufgebaut, so daß Messung und Auswertung nicht gleichzeitig, sondern nacheinander erfolgen müssen, was zu einem erheblichen Zeitbedarf bis zum Vorliegen des numerischen Meßergebnisses führt.M a t h i e u). A device for evaluating the results of this procedure obtained results is very complicated, so that measurement and Evaluation must not be carried out simultaneously, but one after the other, resulting in a considerable time is required before the numerical measurement result is available.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf der Interferenz von Laserstrahlen beruhendes Längenmeßgerät zu schaffen, bei dem keine kontinuierliche Verschiebung eines seiner Organe, z. B. eines beweglichen Prismas zwischen einem festen Ursprung und dem zu messenden Punkt stattzufinden braucht und das sofort das numerische Meßergebnis liefert. The invention is based on the object on the interference to create a length measuring device based on laser beams, in which there is no continuous Displacement of one of its organs, e.g. B. a movable prism between a fixed origin and the point to be measured needs to take place and that immediately supplies the numerical measurement result.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Meßinterferometer gleichzeitig von zwei auf verschiedenen Wellenlängen arbeitenden Laserquellen ausgeleuchtet wird und das aus dem Interferometer austretende Strahlenbündel jeweils von zwei Auswahl-Lichtfiltern aufgenommen wird, die die Strahlungen der jeweiligen Wellenlänge der beiden Laserquellen auswählen und zwei getrennten Gruppen von Analysatoren sowie Lichtempfängern zuleiten, deren Ausgangsströme in einer elektronischen Meßschaltung so kombiniert werden, daß an ihrem Aus- gang ein der gesuchten Länge proportionaler sinusförmiger Strom quadratischen Wertes entsteht. According to the invention, this object is achieved in that the measuring interferometer simultaneously illuminated by two laser sources working on different wavelengths is and the beam emerging from the interferometer of two Selection light filters are added, which the radiations of the respective wavelength Select of the two laser sources and two separate groups of analyzers as well Passing light receivers, their output currents in an electronic measuring circuit be combined in such a way that input proportional to the length sought sinusoidal current with a square value arises.

Dieses Längenmeßgerät ist nicht nur gegen Erschütterungen unempfindlich, sondern hat als weiteren Vorteil gegenüber den intefferentiellen Längenmeßgeräten bekannter Art einen erheblich größeren Meßbereich von bis zu einigen zehn Metern. wobei sich in diesem Falle die statische Arbeitsweise, d. h. der Entfall von Hand zu bewegender Teile, als besonders günstig erweist. This length measuring device is not only insensitive to vibrations, but has a further advantage over the intefferential length measuring devices known type a considerably larger measuring range of up to a few tens of meters. in this case the static mode of operation, d. H. the elimination by hand parts to be moved, proves to be particularly favorable.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Längenmeßgerätes zeichnet sich dadurch aus. daß der Meßschaltung ein N Stufen umfassender Impulshöhen-Diskriminator nachgeschaltet ist. An advantageous embodiment of the length measuring device is distinguished thereby from. that the measuring circuit comprises a pulse height discriminator comprising N stages is downstream.

Eine weitere vorteilhafte A usführungsforin besteht darin, daß es mit einer optischen Bragg-Schaltung zur Frequenzumsetzung der von einer Laserquelle ausgehenden Strahlung und zur Speisung des Meßinterferometers mit den erhaltenen Lichtstrahlen ausgerüstet ist. Another advantageous A execution form is that it with an optical Bragg circuit for frequency conversion from a laser source outgoing radiation and for feeding the measuring interferometer with the received Light beams is equipped.

Zweckmäßig ist ferner eine Ausführungsform. bei der die beiden Auswahl-Lichtfilter durch zwei Spiegel ersetzt werden, die eine räumliche Trennung der Bündel am Ausgang des Meßinterferometers vornehmen. An embodiment is also expedient. at which the two selection light filters be replaced by two mirrors, which spatially separate the bundles at the exit of the measuring interferometer.

Eine besonders einfache Verarbeitung der elektrischen Signale der Lichtempfänger wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dadurch erzielt. daß die hleßschaltung zur Auswertmlg der von den Lichtempfängern gelieferten Ströme zwei gleiche Kanäle enthält. die ein gemeinsames Summierglied speisen. wobei diese Kanäle aus zwei l ; Umsetzgliedern bestehen, die mit einem ersten Summierglied und anschließend über ein Trennglied oder einen Separator mit einem zweiten Multiplikator verbunden sind. A particularly simple processing of the electrical signals of the According to a further advantageous embodiment, the light receiver is thereby achieved. that the heating circuit for evaluating the currents supplied by the light receivers contains two equal channels. which feed a common summing element. where these Channels from two l; There are conversion elements with a first summing element and then via a separator or a separator with a second multiplier are connected.

Ebenso hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß die aus den Lichtempfängern austretenden Ströme gleichzeitig an den jeweiligen Eingängen zweier Meßschaltungen liegen. die sich untereinander lediglich durch die Zuordnung ihrer Eingänge unterscheiden, wobei die aus diesen Schaltungen austretenden, sich überlappenden Signale quadratischen Wertes einer logischen Schaltung zugeführt werden, die mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler verbunden ist, dessen anderer Eingang eines dieser Signale quadratischen Wertes empfängt. It has also proven to be useful that the light receivers emerging currents simultaneously at the respective inputs of two measuring circuits lie. which differ from each other only in the assignment of their inputs, the overlapping signals emerging from these circuits being quadratic The value of a logic circuit is supplied with an up-down counter is connected, the other input of which is one of these signals with a quadratic value receives.

In der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Längenmeßgerät an Hand von beispielsweise gewählten Ausführungsformen und Diagrammen schematisch veranschaulicht. Es zeigt F i g. 1 ein Laser-Nleßinterlerometer bekannter Art mit nur einer Laserquelle. The length measuring device according to the invention is shown in the drawing illustrated schematically by, for example, selected embodiments and diagrams. It shows F i g. 1 a laser measurement interlerometer of known type with only one laser source.

F i g. 2 den grundsätzlichen Aufbau eines mit zwei Laserquellen arbeitendal Längenmeßgerätes. F i g. 2 shows the basic structure of a working with two laser sources Length measuring device.

F i g. 3 das Blockschaltbild der Meßschaltung zur Verarbeitung der von den Lichtempfängern des Längenmeßgerätes nach F i g. 2 gelieferten Ströme, F i g. 4 den Verlauf des quadratischen Wertes 12 des am Ausgang der in F i g. 3 gezeigten Schaltung erhaltenen Stromes in Abhängigkeit eines sich proportional zur Mefientfernung L verhaltenden Parameters A, F i g. 5 den jeweiligen Verlauf des quadratischen Wertes 12 des Stromes in Abhängigkeit von der Entfernung L bei zwei unterschiedlichen Abständen der Wellenlängen der Laserquellen des Längenmeßgerätes nach Fig. 2, F i g. 6 das Blockschaltbild einer Regelschleife zur Konstanthaltung der mittleren Intensität eines Gas-Lasers, F i g. 7 das Schema eines Geräts zur Umsetzung der Frequenz f eines Lasers um den Betrag 1 F i g. 8 das Schema einer Schaltung zur Differenzierung der beiden Lichtbündel X und Y mit einem sehr geringen Frequenzabstand l f, F i g. 9 eine weitere Ausführungsform des Längenmeßgerätes nach F i g. 2. F i g. 3 shows the block diagram of the measuring circuit for processing the of the light receivers of the length measuring device according to FIG. 2 supplied streams, F i g. 4 shows the course of the square value 12 of the output of the in FIG. 3 shown Circuit received current as a function of a proportional to the Mefientfernung L behavioral parameter A, F i g. 5 the respective course of the square value 12 of the current as a function of the distance L at two different distances of the wavelengths of the laser sources of the length measuring device according to FIG. 2, F i g. 6 that Block diagram of a control loop for Keeping the middle one constant Intensity of a gas laser, FIG. 7 the scheme of a device for implementing the Frequency f of a laser by the amount 1 F i g. 8 the schematic of a circuit for Differentiation of the two light bundles X and Y with a very small frequency spacing l f, F i g. 9 shows a further embodiment of the length measuring device according to FIG. 2.

Das in F i g. 1 gezeigte Meßinterferometer bekannter Art enthält eine Einkanal-Laserquelle 1. Diese Laserquelle leuchtet ein herkömmliches Meßinterferometer 2 aus, wobei es sich beispielsweise um ein Fabry-Perot-Interferometer mit einem feststehenden Spiegel 21 und einem beweglichen Prisma 22 handelt. The in Fig. 1 shown measuring interferometer of known type contains a single-channel laser source 1. This laser source illuminates a conventional measuring interferometer 2, for example a Fabry-Perot interferometer with a fixed mirror 21 and a movable prism 22 is.

Eine Viertelwellenlamelle 10 wandelt die vom Laser 1 gelieferte linear polarisierte Welle in eine zirkular polarisierte Welle um, die dann in das Interferometer 2 gelangt. Fernerhin befindet sich eine Achtelwellenlamelle 23 in dem Strahlengang des von dem beweglichen Prisma 22 reflektierten Lichtstrahles. Bei einer bestimmten Stellung dieser Achtelwellenlamelle 23 wird das Lichtbündel in zwei (quadratisch) linear polarisierte Wellen zerlegt, die wiederum zwei Systemen von einander durchsetzenden Streifen gleicher Amplitude entsprechen. Ein halbdurchlässiger Spiegel 3 überträgt diese beiden senkrecht zueinander polarisierten Wellen auf zwei Analysatoren 411 und 412, die jeweils nur ein Bündel'auf die dahinter befindlichen Lichtempfänger 511 und 512 gelangen lassen. Diese beiden Lichtempfänger wandeln die Lichtintensitätsschwankungen in die Stromschwankungen 111 und 112 um. Andert sich die Lage des beweglichen Prismas 22 und damit der Abstand L zwischen der Spitze des Prismas und dem feststehenden Spiegel 21, so wandern die vom Interferometer 2 erzeugten Streifen. Die von den Lichtempfängern 511 und 512 gelieferten elektrischen Signale 111 und 112 zeigen nunmehr die gleiche zeitabhängige Amplitudenschwankung wie die sich gegenseitig überlappenden Streifen. Je nach der Bewegungsrichtung des beweglichen Prismas 22 nimmt die Entfernung L zu oder ab, wobei die Umkehr der Phasenverschiebung zwischen den Signalen 111 und 112 die Steuerung einer mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 7 verbundenen logischen Schaltung 6 ermöglicht. Dieser Vorwärts- Rückwärts-Zähler addiert die vorbeiwandernden Streifen bei Zunahme der Entfernung L bzw. subtrahiert diese, sofern sich die Entfernung L verringert. Eine derartige Auswertung der Signale 111 und 112 ermöglicht die Messung der Anderungen der Entfernung L, und zwar abhängig von der Bewegungsrichtung des Prismas 22. Das Meßquantum ergibt sich demnach durch die Verschiebung dieses Prismas 22, das wiederum das Vorbeiwandern der Streifen bewirkt. Durch Veränderung der Stellung der Achtelwellenlamelle gegenüber dem Planspiegel 21 ergeben sich verschiedene Werte für die Phasenverschiebung zwischen den beiden von den Analysatoren 411 und 412 ausgewählten Streifensystemen. Insbesondere ist es möglich, eine Phasenverschiebung von zu Z/2 zu erhalten, bei der in Abhängigkeit von der Entfernung L die Anderungen der von den Lichtempfängern 511 und 512 gelieferten Ströme folgende Form annehmen (unter der Voraussetzung, daß es sich bei den Lichtempfängern um Fotomultiplikatoren handelta : - - Io besitzt hierbei einen sich proportional zur mittleren Intensität der vom Laser 1 abgegebenen Strahlung verhaltenden Wert und Ä drückt die Wellenlänge dieser Strahlung aus. Die Messung der Länge L erfolgt somit durch eine Additions-Subtraktions-Rechnung unter Verwendung der Maxime und der Lichtintensitäts-Nullpunkte. Hierzu muß das bewegliche Prisma 22 kontinuierlich zwischen einem festen Ursprung und dem Ende der zu messenden Länge Lverschoben werden. Kommt es nun während dieser Bewegung zu irgendeiner Störung, so kann der Fall eintreten, daß ein Maximum bzw. ein Nullpunkt bei der Addition oder Subtraktion unberücksichtigt bleibt, was wiederum die Meßgenauigkeit beeinträchtigt.A quarter-wave lamella 10 converts the linearly polarized wave supplied by the laser 1 into a circularly polarized wave, which then reaches the interferometer 2. Furthermore, an eighth-wave lamella 23 is located in the beam path of the light beam reflected by the movable prism 22. At a certain position of this eighth-wave lamella 23, the light beam is broken down into two (square) linearly polarized waves, which in turn correspond to two systems of mutually penetrating strips of the same amplitude. A semitransparent mirror 3 transmits these two waves, polarized perpendicular to one another, to two analyzers 411 and 412, each of which only allows a bundle to reach the light receivers 511 and 512 located behind it. These two light receivers convert the light intensity fluctuations into the current fluctuations 111 and 112. If the position of the movable prism 22 changes and thus the distance L between the tip of the prism and the fixed mirror 21, the strips generated by the interferometer 2 migrate. The electrical signals 111 and 112 supplied by the light receivers 511 and 512 now show the same time-dependent amplitude fluctuation as the mutually overlapping strips. Depending on the direction of movement of the movable prism 22, the distance L increases or decreases, the reversal of the phase shift between the signals 111 and 112 enables a logic circuit 6 connected to an up / down counter 7 to be controlled. This up / down counter adds the stripes passing by as the distance L increases or subtracts them when the distance L decreases. Such an evaluation of the signals 111 and 112 enables the changes in the distance L to be measured, depending on the direction of movement of the prism 22. The measurement quantum is thus obtained from the displacement of this prism 22, which in turn causes the stripes to move past. By changing the position of the eighth-wave lamella relative to the plane mirror 21, different values result for the phase shift between the two strip systems selected by the analyzers 411 and 412. In particular, it is possible to obtain a phase shift from to Z / 2 in which, depending on the distance L, the changes in the currents supplied by the light receivers 511 and 512 take the following form (provided that the light receivers are photomultipliers acts: - - Io has a value proportional to the mean intensity of the radiation emitted by the laser 1, and λ expresses the wavelength of this radiation. The length L is thus measured by an addition-subtraction calculation using the maxim and the light intensity zero points. For this purpose, the movable prism 22 must be shifted continuously between a fixed origin and the end of the length L to be measured. If there is any disturbance during this movement, the case may arise that a maximum or a zero point is not taken into account in the addition or subtraction, which in turn impairs the measurement accuracy.

Dieser Beeinträchtigung wird nach der Erfindung durch Wegfall der Additions-Subtraktions-Rechenoperation sowie durch Verzicht auf die kontinuierliche Verschiebung des Prismas 22 von einem Ursprung aus vermieden. Hierzu wird gemäß F i g. 2 mit Hilfe der ersten Laserquelle 11 und gleichzeitig der zweiten Laserquelle 12 einer Wellenlänge von R + z1 i das Meßinterferometer 2 ausgeleuchtet. Am Ausgang zweier weiterer Lichtempfänger 521 und 522, die den Analysatoren 421 und 422 zugeordnet sind, erhält man Ströme der nachstehenden Form: Das in F i g. 2 gezeigte Längenmeßgerät enthält ferner die Lichtfilter 81 und 82, die die Strahlenbündel der Wellenlängen Ä und i + z1 R auswählen. Werden mit Hilfe der Meßschaltung C die von den vier Lichtempfängern 511, 512, 521 und 522 gelieferten Ströme kombiniert, so erhält man den quadratischen Wert eines Stromes I, und zwar vorteilhaft mit einer Abhängigkeit von der Entfernung L in Form einer Cosinus-Kurve. Dieses Ergebnis wird beispielsweise mit Hilfe der in F i g. 3 gezeigten elektronischen Schaltung erzielt. Die durchgeführte algebraische Rechenoperation wird durch die folgende Gleichung dargestellt: Eine Schaltung dieser Form umfaßt Umsetzglieder T, Summierglieder S, Trennglieder R sowie Multiplikatoren M. Das mit mehreren Laserquellen arbeitende Längenmeßgerät, dem diese Schaltung zugeordnet ist, ermöglicht die Messung der EntfernungL, ohne daß hierbei ein Verschieben der einzelnen Organe, insbesondere des Prismas 22, erforderlich ist.This impairment is avoided according to the invention by eliminating the addition-subtraction arithmetic operation and by dispensing with the continuous displacement of the prism 22 from an origin. For this purpose, according to FIG. 2 with the aid of the first laser source 11 and at the same time the second laser source 12 of a wavelength of R + z1 i, the measuring interferometer 2 is illuminated. At the output of two further light receivers 521 and 522, which are assigned to the analyzers 421 and 422, currents of the following form are obtained: The in Fig. The length measuring device shown in FIG. 2 also contains the light filters 81 and 82 which select the bundles of rays of the wavelengths λ and i + z1 R. If the currents supplied by the four light receivers 511, 512, 521 and 522 are combined with the aid of the measuring circuit C, the quadratic value of a current I is obtained, advantageously with a dependence on the distance L in the form of a cosine curve. This result is shown, for example, with the aid of the FIG. 3 achieved electronic circuit shown. The algebraic arithmetic operation performed is represented by the following equation: A circuit of this form comprises conversion elements T, summing elements S, separators R and multipliers M. The length measuring device, which works with several laser sources and to which this circuit is assigned, enables the distance L to be measured without shifting the individual organs, in particular the prism 22, is required.

Die Durchlaßbandbreiten für die Videofrequenzen der in F i g. 3 gezeigten Schaltungselemente können demnach gering gehalten werden, was wiederum die Verwendung von nach dem Hall-Effekt arbeitenden Multiplikatoren M sinnvoll macht, die eine ausreichende Genauigkeit gewährleisten und hohe Frequenzen nicht ubertragen. Der quadratische Wert des hieraus resultierenden und am Ausgang der in F i g. 3 gezeigten Schaltung vorliegenden Stromes besitzt die nachstehende Form: wobei für gesetzt wird.The pass bandwidths for the video frequencies of the FIG. 3 can therefore be kept small, which in turn makes the use of multipliers M working according to the Hall effect sensible, which ensure sufficient accuracy and do not transmit high frequencies. The quadratic value of the resulting and at the output of the in F i g. The current circuit shown in Figure 3 has the following form: where for is set.

Der Wert A stellt den Parameter des erhaltenen Kurvennetzes dar, wobei dieser Parameter vom Wellenlängenunterschied der beiden verwendeten Laserquellen 11 und 12 abhängt. The value A represents the parameter of the curve network obtained, where this parameter depends on the wavelength difference between the two laser sources used 11 and 12 depends.

Eine dieser Kurven ist in F i g. 4 dargestellt. Kennt man somit den quadratischen Wert des Stromes I, so bestimmt man die dazugehörige Entfernung L beispielsweise mit Hilfe eines N Stufen umfassenden Impulshöhen-Diskriminators D, der eine Anzahl von N Wertebereichen für die Entfernung L definiert. In F i g. 4 ist beispielsweise N = 6 gewählt. Um den Meßunsicherheiten zu begegnen, die der Cosinus-Änderung des quadratischen Wertes 12 des Stromes in Abhängigkeit von der zu messenden Entfernung L anhaften, muß diese Entfernung L unterhalb eines durch die nachstehende Beziehung definierten Wertes Lo bleiben: was wiederum zu der folgenden Bedingung führt: #2 #2 ## = die nur geringfügig von ## = 8 Lo - # 8 Lo abweicht, da 8 Lo in jedem Falle wesentlich über A liegt.One of these curves is shown in FIG. 4 shown. Thus, if the square value of the current I is known, the associated distance L is determined, for example, with the aid of a pulse height discriminator D comprising N levels, which defines a number of N value ranges for the distance L. In Fig. 4, for example, N = 6 is selected. In order to counter the measurement uncertainties that are inherent in the cosine change of the square value 12 of the current as a function of the distance L to be measured, this distance L must remain below a value Lo defined by the following relationship: which in turn leads to the following condition: # 2 # 2 ## = which deviates only slightly from ## = 8 Lo - # 8 Lo, since 8 Lo is significantly above A in each case.

Die maximale Länge der zu messenden Entfernung L ist demnach Lo = Somit wird, ausgehend von zwei durch unterschiedliche Laserquellen 11 und 12 erzeugten Streifensystemen, mit den jeweiligen Wellenlängen ; und A zu + liW ein drittes Streifensystem erzeugt, dessen Ganghöhe um so größer ist, je kleiner der Abstand des Wellenlängenunterschiedes Z ist. The maximum length of the distance L to be measured is therefore Lo = Thus, starting from two different laser sources 11 and 12 are generated Strip systems, with the respective wavelengths; and A to + liW a third system of stripes generated, the pitch of which is greater, the smaller the distance between the wavelength difference Z is.

Erhöht man diesen Abstand ##, ausgehend von sehr geringen Werten, nacheinander in einem Verhältnis N, so definiert man hierdurch immer kleiner werdende und ebenfalls in einem Verhältnis N sich ändernde Maximal-Meßentfernungen, wodurch die Messung der Entfernung L verbessert wird. Während jeder dieser aufeinanderfolgenden Meßschritte bestimmt man mit Hilfe eines Impulshöhen-Diskriminators D automatisch den Bereich von Lo, innerhalb dessen sich das Ende der zu messenden Entfernung L befindet. If you increase this distance ##, starting from very low values, one after the other in a ratio N, this defines smaller and smaller ones and also in a ratio N changing maximum measuring distances, whereby the measurement of the distance L is improved. During each of these consecutive Measuring steps are determined automatically with the aid of a pulse height discriminator D. the area of Lo within which the end of the distance to be measured L is located.

In F i g. 5 sind die sich auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems beziehenden Kurven dargestellt Die Kurve E stellt die Änderung des quadratischen Wertes 12 des sich in Abhängigkeit von der Länge L des Interferometers 2 ergebenden Stromes dar. und zwar bei einem Abstand zwischen den Wellenlängen gleich 1 A wobei diese Kurve auf eine Maximallänge Lo beschränkt ist, die aus einer Cosinus-Halbperiode besteht. Entsprechend dem erreichten Niveau bestimmt der Impulshöhen-Diskriminator D auf dieser Länge Lo denjenigen unter den N Bereichen, der dem Ende der zu messenden Entfernung L entspricht. In Fig. 5 are based on an embodiment of the invention Curves relating to the system shown The curve E represents the change in the quadratic Value 12 of the resultant as a function of the length L of the interferometer 2 Current at a distance between the wavelengths equal to 1 A where this curve is limited to a maximum length Lo that consists of a cosine half-period consists. The pulse height discriminator determines the level reached D on this length Lo those of the N areas that correspond to the end of the area to be measured Distance L corresponds.

Wählt man nunmehr einen Wellenlängenabstand gleich N l A. so erhält man die Kurve F, deren zuge-Lt> hörige Maximallänge gleich N ist. Hier bestimmt der Impulshöhen-Diskriminator D für jede Halbperiode dieser Kurve die Endstellung der zu messenden Entfernung L mit einer N-mal höheren Genauigkeit.If one now chooses a wavelength spacing equal to N I A. then one obtains the curve F, the associated maximum length of which is equal to N. Definitely here the pulse height discriminator D the end position for each half period of this curve the distance L to be measured with an accuracy that is N times higher.

Um Meßunsicherheiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Halbperioden der Kurve F auszuschließen, kehrt man beispielsweise die Bereichsaufteilung des Impulshöhen-Diskriminators D jedesmal dann um, wenn während der vorhergehenden Messung die zu messende Länge einem geradzahligen Bereich dieses Impulshöhen-Diskriminators entspricht. Diese Umschaltung kann während des Betriebs automatisch mit Hilfe von bekannten logischen Schaltkreisen erfolgen. Die Kurve C zeigt hierbei das Ergebnis dieser Umschaltung. Wiederholt man nun den beschriebenen Vorgang mehrere Male, so wird die Messung weiterhin verbessert und somit die erforderte Genauigkeit erreicht. About measurement uncertainties between two consecutive half-periods Exclude curve F, for example, the division of the area is reversed Pulse height discriminator D every time during the previous measurement the length to be measured is an even range of this pulse height discriminator is equivalent to. This switchover can be carried out automatically during operation with the help of known logic circuits. Curve C shows the result this switchover. If you now repeat the process described several times, so the measurement is further improved and the required accuracy is thus achieved.

Das in F i g. 2 gezeigte Längenmeßgerät erfordert hierfür entweder die Verwendung von mehreren, unterschiedlichen und auf verschiedenen Wellenlängen arbeitenden Lasern oder aber die Benutzung von nur zwei Lasern, wobei die Wellenlänge sehr rasch mittels elektronischer Steuerung verändert wird. The in Fig. 2 shown length measuring device requires either the use of several, different and on different wavelengths working lasers or the use of only two lasers, whereby the wavelength is changed very quickly by means of electronic control.

Um sicherzustellen, daß genaue Verschiebungsmessungen durchgeführt werden können, empfiehlt es sich, Einkanal-Laser zu verwenden, deren Lichtintensität mit Hilfe einer Regelschaltung stabilisiert wird. To ensure accurate displacement measurements are made it is advisable to use single-channel lasers that match their light intensity is stabilized with the help of a control circuit.

Ein Beispiel einer solchen Regelschaltung ist in F i g. 6 dargestellt. Sie besteht aus einem halbdurchlässigen Spiegel 35, der einen Teil der Strahlung der Laserquelle 1 auf eine Fotodiode 13 reflektiert. Der aus dieser Fotodiode austretende Strom gelangt an einen Eingang eines Differenzverstärkers 14, dessen anderer Eingang mit einem Spannungsnormal 15 verbunden ist. Der Ausgang dieses Differenzverstärkers 14 ist mit einem Verstärker 16 verbunden, der die Änderungen der mittleren Intensität der sehr hohen Spannung 17 der Laserquelle 1 steuert.An example of such a control circuit is shown in FIG. 6 shown. It consists of a semitransparent mirror 35, which part of the radiation the laser source 1 is reflected on a photodiode 13. The one emerging from this photodiode Current arrives at one input of a differential amplifier 14, the other input of which is connected to a voltage standard 15. The output of this differential amplifier 14 is connected to an amplifier 16, the changes in the mean intensity the very high voltage 17 of the laser source 1 controls.

Liegt der gewünschte Abstand Ä zwischen den beiden Wellenlängen zu hoch, um durch Kombination der Wellenlängen der einzelnen Laserquellen erzielt werden zu können, so ist dies beispielsweise mit Hilfe der in F i g. 7 dargestellten optischen Anordnung ohne Schwierigkeiten möglich. Diese Anordnung beruht auf dem Braggschen Effekt. Durch Uberlagerung eines Lichtbündels der Frequenz f mit Ultraschallwellen der Frequenz f, die sich in einem durchlässigen Medium 18 ausbreiten, erhält man die Umsetzung der Frequenz der Lichtwelle auf einen Wert f - If. Die Ultraschallwellen werden im Medium 18 mit Hilfe einer Ultraschallquelle 19 erzeugt, die wiederum durch eine Spannungsquelle 20 gesteuert wird, wobei diese Spannungsquelle eine sinusförmige Spannung mit der Frequenz I f liefert. Mit Hilfe der Spiegel 36 und 25 wird ein Teil der Laserstrahlung der Frequenz f ausgeblendet, bevor diese in das Medium 18 eintritt. Am Ausgang dieser Anordnung erscheinen nunmehr zwei verschiedene Lichtbündel X und Y, die untereinander um den Wert 3 f frequenzverschoben sind. Das durchlässige Medium 18 kann entweder ein fester Körper, z. B. ein Quarzkristall, oder eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, sein. If the desired distance lies between the two wavelengths high to be achieved by combining the wavelengths of the individual laser sources to be able to do so, for example, with the aid of the in FIG. 7 illustrated optical Arrangement possible without difficulties. This arrangement is based on Bragg's Effect. By superimposing a light beam of frequency f with ultrasonic waves the frequency f propagating in a permeable medium 18 is obtained the conversion of the frequency of the light wave to a value f - If. The ultrasonic waves are generated in the medium 18 with the aid of an ultrasound source 19, which in turn is produced by a voltage source 20 is controlled, this voltage source being sinusoidal Voltage with the frequency I f supplies. With the help of the mirrors 36 and 25 is a Part of the laser radiation of frequency f is masked out before it enters the medium 18 entry. At the exit of this arrangement now appear two different ones Light bundles X and Y, which are frequency shifted by the value 3 f. The permeable medium 18 can either be a solid body, e.g. B. a quartz crystal, or a liquid, e.g. B. water.

Infolge ihres geringen Frequenzabstandesilf erschwert die Verwendung der Bündel Xund Y zur Ausleuchtung des Meßinterferometers 2 ihre Trennung mit Hilfe der beiden Lichtfilter 81 und 82 der in F i g. 2 gezeigten Anordnung. In diesem Falle empfiehlt es sich, eine räumliche Trennung dieser beiden Bündel mit Hilfe einer in F i g. 8 dargestellten Anordnung vorzunehmen, die die Reflexion der beiden Lichtbündel am Prisma 22 des Interferometers 2 ausnutzt. Their use is difficult due to their small frequency spacing the bundle X and Y for illuminating the measuring interferometer 2 their separation with the help of the two light filters 81 and 82 in FIG. 2 arrangement shown. In this Case it is advisable to use a spatial separation of these two bundles one in FIG. 8 make the arrangement shown, the reflection of the two Light bundle on the prism 22 of the interferometer 2 exploits.

Die in F i g. 7 dargestellte Frequenzumsetzanordnung ermöglicht die Bestimmung der Werte von .Lo innerhalb einiger Millimeter und einiger Meter. Für gewisse Fälle kann es jedoch von Vorteil sein, ein herkömmliches Meßinterferometer nach F i g. 1 zur Durchführung einer ersten Bestimmung der Lage des beweglichen Prismas 22 zu verwenden, um im Anschluß daran, diese Messung mit Hilfe eines mehrere Laserquellen umfassenden Gerätes, wie dem in F i g. 2 dargestellten, zu verbessern, das die Durchführung der Messung mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von einem Mikron ermöglicht. Eine solche Kombination der beiden Systeme ist insbesondere deshalb sehr einfach, weil alle Bauelemente der in F i g. 1 gezeigten Anordnung, außer den Elementen 5 und 7, auch in dem mehrere Laserquellen verwendenden Gerät nach F i g. 2 wiederzufinden sind. The in F i g. 7 illustrated frequency conversion allows Determination of the values of .Lo within a few millimeters and a few meters. For In certain cases, however, it can be advantageous to use a conventional measuring interferometer according to FIG. 1 to carry out a first determination of the position of the movable Prism 22 to be used in order to subsequently carry out this measurement with the aid of one of several Device comprising laser sources, such as the one shown in FIG. 2 illustrated, to improve that enables the measurement to be carried out with an accuracy of the order of magnitude of one micron. Such a combination of the two systems is particular therefore very simple, because all components of the in F i g. 1 arrangement shown, in addition to elements 5 and 7, also in the device using multiple laser sources according to FIG. 2 can be found again.

Das vorstehend beschriebene Längenmeßgerät gestattet die Meßauflösung in einem großen Bereich zu verändern und sie an das jeweils gestellte meßtechnische Problem anzupassen. The length measuring device described above allows the measurement resolution to change in a large area and adapt them to the respective measurement technology Adjust problem.

Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Auswertung der von dem Längenmeßgerät nach F i g. 2 gelieferten Ströme nach folgender Gleichung vorgenommen werden: Dabei folgt die Änderung des quadratischen Wertes des von der Entfernung L abhängigen Stromes statt einer Cosinus- eine Sinuskurve.According to a further embodiment, the evaluation of the length measuring device according to FIG. 2 currents supplied can be made according to the following equation: The change in the square value of the current dependent on the distance L follows a sine curve instead of a cosine curve.

Ferner gestattet die in F i g. 9 dargestellte Ausführungsform des Längenmeßgerätes die Auswertung der von den jeweiligen Lichtempfängern 511, 512, 521, 522 abgegebenen Ströme 111, 112, 121, 122 eine schrittweise Längenmessung. In F i g. 9 entspricht C 1 der in F i g. 2 und 3 dargestellten elektronischen Meßschaltung C, während C2 einer anderen Ausführungsform dieser Meßschaltung C entspricht, die an ihrem Ausgang einen sinusförmigen Strom quadratischen Wertes abgibt. Man erhält somit zwei Ströme quadratischen Wertes, die am Ausgang dieser Meßschaltungen C1 und C2 um den Betrag 22 phasenverschoben sind, und zwar: 112 = -2(l+cos2:rAL) und Io2 122 = (1 + sin 2 # AL). Furthermore, the in F i g. 9 illustrated embodiment of Length measuring device the evaluation of the respective light receivers 511, 512, 521, 522 emitted currents 111, 112, 121, 122 a step-by-step length measurement. In Fig. 9 corresponds to C 1 in FIG. 2 and 3 illustrated electronic measuring circuit C, while C2 corresponds to another embodiment of this measuring circuit C, which emits a sinusoidal current of square value at its output. You get thus two currents of square value, which at the output of these measuring circuits C1 and C2 are phase shifted by the amount 22, namely: 112 = -2 (l + cos2: rAL) and Io2 122 = (1 + sin 2 # AL).

2 Zur Durchführung einer schrittweisen Verschiebungsmessung sind zwei sich überlappende Signale notwendig, d. h. Signale, die zueinander phasenverschoben sind und zwei Systemen von um den Betrag 7/2 phasenverschobenen Interferenzstreifen entsprechen. 2 There are two ways to perform an incremental displacement measurement overlapping signals necessary, d. H. Signals that are out of phase with each other and two systems of interference fringes out of phase by the amount 7/2 correspond.

Bei der Messung werden nur mehr die Streifen eines der beiden Streifensysteme gezählt. During the measurement, only the strips of one of the two strip systems are used counted.

Aus diesem Grunde werden bei dem Längenmeßgerät nach F i g. 9 Ströme 111, 112, 121 und 122 anschließend in der gleichen Weise verarbeitet wie die Ströme 111 und 112 bei dem bekannten Längenmeßgerät nach F i g. 1. Durch Umkehr ihrer Phasenverschiebung wird eine logische Schaltung 6 gesteuert, die mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 7 verbunden ist, der außerdem den Strom 112 erhält. Dieser Zähler 7 addiert die vorbeiwandernden Streifen, sofern die Entfernung L zunimmt, und subtrahiert diese, wenn diese Entfernung abnimmt. Die Meßeinheit ist hierbei durch die Verschiebung des Prismas 22 des Interferometers 2 gegeben, die das Vorbeiwandern eines Interferenzstreifens erzeugt. Diese Meßeinheit , 2 beträgt hier 2 Lo = 4Ax, wobei Lo einer Halbperiode der sinusförmigen Signale 112 und 122 entspricht, A die Wellenlänge der Laserquelle mit der kleinsten Wellenlänge und d Ä der Abstand zwischen den Wellenlängen der beiden Laserquellen 11 und 12 ist. Man kann demnach durch Wahl von Ä und 1 A der Meß einheit einen vorher gewählten Wert 2Lo geben, der an das besondere Meßproblem angepaßt ist. Je nach der Wahl der den Laserhohlraum bildenden Spiegel kann man folglich einen Gas-Laser HeNe im Prinzip auf fünfzehn verschiedene Wellenlängen arbeiten lassen, so daß mit Hilfe verschiedener Kombinationen dieser fünfzehn Wellenlängen maximal 210 verschiedene Werte für 2Lo gewählt werden können. For this reason, in the length measuring device according to FIG. 9 streams 111, 112, 121 and 122 are then processed in the same way as the streams 111 and 112 in the known length measuring device according to FIG. 1. By reversing their phase shift a logic circuit 6 is controlled with an up-down counter 7 is connected, which also receives the current 112. This counter 7 adds up the stripes wandering past, provided that the distance L increases, and subtracts this, as this distance decreases. The unit of measurement is here by the displacement of the prism 22 of the interferometer 2 given the passing of an interference fringe generated. This unit of measurement, 2 is here 2 Lo = 4Ax, where Lo is a half-period of sinusoidal signals 112 and 122, A is the wavelength of the laser source with the smallest wavelength and d Ä the distance between the wavelengths of the two laser sources 11 and 12 is. Accordingly, by choosing Ä and 1 A the Measure unit give a previously selected value 2Lo, which corresponds to the particular measuring problem is adapted. Depending on the choice of the mirror forming the laser cavity, one can consequently a gas laser HeNe in principle at fifteen different wavelengths let work so that using various combinations of these fifteen wavelengths a maximum of 210 different values can be selected for 2Lo.

Die Laserquelle 11 kann z B. nur mit A = 6,328 Ä und die Laserquelle 12 mit A = 7,305 Ä arbeiten. In diesem Fall erhält man für Lo etwa 5 Mikron, was einer Meßeinheit von 10 Mikron entspricht. Ein solcher Wert kann in keinem Falle mit herkömmlichen Interferometern erreicht werden, da deren maximale Meßeinheiten nicht über 0,15 Mikron liegen. Höhere Werte wären zwar mit Hilfe eines CO2-Gaslasers erreichbar, wobei jedoch der Aufbau des Meßgeräts wesentlich komplizierter würde und außerdem die bekannten Lichtempfänger nicht verwendet werden könnten, während für die Laserquelle ein Kühlsystem erforderlich wäre. The laser source 11 can, for example, only with A = 6.328 Å and the laser source 12 work with A = 7.305 Å. In this case you get about 5 microns for Lo, what corresponds to a unit of measurement of 10 microns. Such a value can in no case can be achieved with conventional interferometers, since their maximum measuring units not exceed 0.15 microns. Higher values would be with the help of a CO2 gas laser achievable, but the structure of the measuring device would be much more complicated and also the known light receivers could not be used while a cooling system would be required for the laser source.

Das Längenmeßgerät nach F i g. 9 besitzt gegenüber denjenigen nach F i g. 1 den wesentlichen Vorteil, daß Messungen in Schritten vorgenommen werden können, deren Meßeinheit 2Lo innerhalb eines großen Bereiches wählbar ist, wobei lediglich bekannte und unproblematische Bauteile verwendet werden. The length measuring device according to FIG. 9 possesses over those after F i g. 1 has the essential advantage that measurements are made in steps can, whose unit of measurement 2Lo can be selected within a large range, with only known and unproblematic components are used.

Bei allen Ausführungsformen des beschriebenen Längenmeßgeräts kann das Fabry- Perot-Interferometer beispielsweise durch ein Michelson-Interferometer ersetzt werden. In all embodiments of the length measuring device described can the Fabry-Perot interferometer, for example, by a Michelson interferometer be replaced.

Claims

Claims: 1. Interferential length measuring device with laser source and downstream quarter-wave lamella for illuminating a conventional measuring interferometer, to the a semitransparent mirror is assigned to the emerging from the interferometer Beams of rays set up simultaneously on two in front of two light receivers Analyzers set up, characterized in that the measuring interferometer (2) simultaneously illuminated by two laser sources (11, 12) operating at different wavelengths + 2 is and the beam emerging from the interferometer of two Selection light filters (81, 82) are recorded, which the radiations of the respective Select the wavelength of the two laser sources and two separate groups of analyzers (411, 412, or 421, 422) and light receivers (511, 512, or 521, 522), whose output currents are combined in an electronic measuring circuit (C, Ci, C2) be that at their output one of the sought length (L) proportional sinusoidal A current of square value (12) arises.

2. Length measuring device according to claim 1, characterized in that the Measuring circuit (C) is followed by a pulse height discriminator (D) comprising N stages is.

3. Length measuring device according to claim 1, characterized in that at least one of the laser sources (11, 12) can be frequency-switched.

4. Length measuring device according to claim 1, characterized in that a Control circuit for regulating the average light intensity of the laser sources (11 and 12) is provided (Fig. 6).

5. Length measuring device according to claim 1, characterized in that it with an optical Bragg circuit for frequency conversion from a laser source (1) outgoing radiation and for feeding the measuring interferometer (2) with the restrained Light beams (X and Y) is equipped.

6. Length measuring device according to claim 1 and 5 * characterized. that the two selection light filters (81, 82) are replaced by two mirrors (241, 242) that a spatial separation of the bundles (X and Y) at the output of the measuring interferometer (2).

7. Length measuring device according to claim 1 and 2, characterized in that that the measuring circuit (C) for evaluating the from the light receivers (511, 512, 521, 522) supplied streams (111, 112, 121, 122) contains two identical channels, which one common summing element (S) feed, these channels from two conversion elements (T) exist with a first summing element (S) and then via an isolating element or a separator (R) are connected to a second multiplier (M) (F i G. 3).

8. Length measuring device according to one of claims 1 2 and 7, characterized. that the multipliers (never) are preferably Hall multipliers.

9. Length measuring device according to one of claims 1 2 and 8, characterized in that that the square value of the current arriving at the pulse height discriminator (D) (12) a cosine change curve as a function of the distance to be measured (L) describes.

10. Length measuring device according to claim 1, characterized in that the Currents (111, 112, 121, 122) emerging from the light receivers (511,512,521,522) are at the same time at the respective inputs of two measuring circuits (C1 and C2), which differ from each other only in the assignment of their inputs. being the exiting from these circuits. square overlapping signals Value (112 and 122) are fed to a logic circuit (6) which is connected to a Up-down counter (7) is connected, the other input of which is one (112) receives these quadratic signals.