DE1937355A1

DE1937355A1 - Length measurement with a laser interferometer

Info

Publication number: DE1937355A1
Application number: DE19691937355
Authority: DE
Inventors: Bertil Colding; Abramson Nils Hugo Leopold
Original assignee: ABRAMSON NILS HUGO LEOPOLD
Current assignee: ABRAMSON NILS HUGO LEOPOLD
Priority date: 1968-07-26
Filing date: 1969-07-23
Publication date: 1970-01-29
Also published as: SE320201B

Description

Längenmessung mit einem Laser-Interferometer Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Längenmessung mit Hilfe eines Laser-Interferometers sowie ein Interferometer zur Durchführung- dieses Verfahrens. Length measurement with a laser interferometer The invention relates to a method for length measurement using a laser interferometer as well an interferometer to carry out this procedure.

Es ist vorgeschlagen worden, Laser-Interferometer fvr Prazisionsmessungen von optischen Längen zu verwenden. Die verfügbaren Meßlängen der vorgeschlagenen Interferometer sind jedoch durch die Kohärenlänge der Laserstrahlung begrenzt. Deshalb sind sehr kostspielige, in einem Mode strahlende Laser erforderlich, wenn die auszumessenden Längen mehr als ein paar Dezimeter betragen sollen.It has been proposed to use laser interferometers for precision measurements of optical lengths to be used. The available measuring lengths of the proposed However, interferometers are limited by the coherence length of the laser radiation. That's why very costly, single-mode lasers are required if those to be measured Lengths should be more than a few decimeters.

Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Interferometer vorzusehen, das einen einzigen Laser von verhältnismaßig kurzer Kohärenzlänge aufweist, und das aber trotzdem zur Längenmessung von mehreren Knetern verwendet werden kann.The object of this invention is to provide an interferometer, which has a single laser of relatively short coherence length, and but it can still be used to measure the length of several kneaders.

Das vorstehend beschriebene Ziel wird unter Verwendung einer Schaltmethode beispielsweise auf optischem Wege erreicht, indem kurze Meßlängen zu einem "Maßstab" addiert werden eine Länge von mehreren Metern hat Wenn die bewegliche Reflexionsvorrichtung bei herkömmlichen Elichelson'schen Interferometern verschoben wird, wird das In terferenzbild immer undeutlicher und verschwindet schließlich ganz. Dies erklärt sich aus der Tatsache, daß die kohärenten Zonen der zwei getrennten Laserteilstrahlen nicht mehr zusammenfallen. Bei einer weiteren Verschiebung fallen andere kohärente Zonen zusamiflen, und das Interferenzbild wird wieder deutlich erkennbar usw.The objective described above is achieved using a switching method for example achieved by optical means by short measuring lengths to a "scale" added to have a length of several meters if the movable reflection device is shifted in conventional Elichelson interferometers, the In The interference image becomes more and more indistinct and finally disappears completely. This explains from the fact that the coherent zones of the two separate laser sub-beams no longer collapse. If there is a further shift, other coherent ones fall Zones merge, and the interference pattern is clearly recognizable again, etc.

Es ist entdeckt worden, daß der Ve.rschiebungsabstand bei Vorliegen von deutlichen und undeutlichen oder nicht vorhandenen Interferenzbildern eine optische Länge von etwa einer halben Laserlänge ausmacht. Folglich beträgt der Abstand zwischen deutlichen Bildern annähernd eine Laserlänge.It has been discovered that the displacement distance in the presence of clear and indistinct or nonexistent interference images an optical one Length of about half a laser length. Hence the distance between clear images almost a laser length.

Die Erfindung geht von dieser Entdeckung aus.The invention is based on this discovery.

Zunächst wird gemäß der Erfindung ein Verfahren für die Länge messung mittels eines Laser-Interferometers, das auf dem Michelson' schen Interferometerprinzip beruht, vorgesehen, dessen besonderes Merkmal darin besteht, daß die optische Länge zwiscen der halbtransparenten reflektierenden Fläche des Interferometers und der ortsfesten reflektierenden Referenzvorrichtung des Interferometers periodisch zwischen zwei festen Wert ten varriert wird, die in einem Abstand von 2 t1 + 2 n) voneinander entfernt liegen, wobei L die Laserlänge bedeutet und n gleich Null oder eine ganze Zahl ist.First, according to the invention, a method for length measurement by means of a laser interferometer based on Michelson's interferometer principle is based, provided, the special feature of which is that the optical length between the semi-transparent reflective surface of the interferometer and the stationary reflective reference device of the interferometer periodically between two fixed values that are varied at a distance of 2 t1 + 2 n) from each other away, where L is the laser length and n is zero or a whole Number is.

Ferner wird gemäß der Erfindung ein auf dem Michelson' schen Interferometerprinzip beruhendes Interferometer vorgesehen, dessen Merkmal darin besteht, daß zu der ortsfesten reflektierenden Referenzvorrichtung des Interferometers zwei reflektierende Referenzflächen gehören, die nebeneinander angeordnet und aber gegeneinander derart verschoben sind, daß die Differenz der Entfernungen von den reflektierenden Referenzflächen zu der halbtransparsnten reflektierenden Fläche des Interferometers L/2 (1 + 2 n) ist, wobei L die Laserlänge bedeutet und n gleich Null oder eine ganze Zahl ist, wodurch bewirkt wird, daß die von dem Teil des Laserstrahls, welcher von der ortsfesten reflektierenden Yorrichtung.auf die Interferenzbiid-Anzeige-Vorrichtung des Interferometers reflektiert wird, zurückgelegte Entfernung variabel ist, indem die optische Länge zwischen der halbtransparenten Fläche und deii beiden Referenzflächen periodisch variiert wird, so daß die Interferenzbild-Anzeigevorrichtung ständig deutlich erkennbare Interferenzlinien abbildet, wenn die bewegliche Reflexionsvorrichtung des Interferometers in einem Bereich von mehreren Metern verschoben wird.Furthermore, according to the invention, an interferometer principle based on Michelson's principle is used based interferometer provided, the characteristic of which is that to the stationary reflective reference device of the interferometer two reflecting reference surfaces belong, which are arranged next to each other but against each other are shifted such that the difference in the distances from the reflective Reference surfaces to the semi-transparent reflecting surface of the interferometer L / 2 (1 + 2 n), where L is the laser length and n is zero or a whole Number is causing the portion of the laser beam which passes from the fixed reflective device on the interference image display device of the interferometer is reflected, the distance traveled is variable by the optical length between the semi-transparent surface and the two reference surfaces is varied periodically so that the interference image display device is constantly maps clearly recognizable interference lines when the movable reflection device of the interferometer is shifted in a range of several meters.

Es ist zu bemerken, daß der in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendete Begriff "Laserlänge" als die Entfernung zwischen den reflektierenden Flächen, die den Laserhohlraum begrenzen, definiert ist.It should be noted that in the description and claims used term "laser length" as the distance between the reflective Areas delimiting the laser cavity is defined.

Weitere Einzelneiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele.Further individual pages, features and advantages of the invention result from the following description of the schematically shown in the drawing Embodiments.

In dor Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Laservorriciltung, wie beispielsweise einen länglichen Laser mit einer tnge von 30 cm, bei dem z. B. alle Moden innerhalb der doppelverbreiterten Laserlinienbreite möglich sind und der eine Kohärenzlänge ton etwa 15 cm hat Das interferometer ist mit einer beweglichen Reflexionsvorrichtung 2 und einer ortsfesten reflektierenden Referenzvorrichtung versehen, deren reflektierende Flich-e in zwei Abschnitte unterteilt ist zwischen denen ein Abstand von rund einer halben Laserlänge oder einem Vielfachen davon besteht. Weiter gehört zu dem Interferometer eine halbtransparente reflektierende Fläche und eine Interferenzbild-Anzeigevorrichtung 5a, 5b. Durch die Unterteilung der Referenzvorrichtung in zwei Abschnitte kann die Entfernung, die der auf dio Referenzvorrichtung 3 fallende und von dieser zu der Interferenzbild-Anzeigevorrichtung 5n, b reflektierte Teil des Laserstrahis zurückgelegt -dieser Laserstrahlteil soll tnit dem Strahl von der beweglichen Refloxionsvorrichtung 2 am Ort der Interferenzbild-Anzeigevorrichtung Sa, b intorferieren - um eine Laserlänge vergrößert oder verkleinert werden, was zur Folge hat, daß Längen im Bereich von mehreren Netern gemessen werden können.In the figure, the reference numeral 1 denotes a laser device, such as an elongated laser with a length of 30 cm, in which z. B. all modes are possible within the double-broadened laser line width and which has a coherence length of about 15 cm. The interferometer is movable with a Reflection device 2 and a fixed reflective reference device provided, the reflective surface of which is divided into two sections between those there is a distance of around half a laser length or a multiple thereof. The interferometer also has a semitransparent reflective surface and an interference image display device 5a, 5b. By dividing the reference device The distance falling on the reference device 3 can be divided into two sections and part reflected therefrom to the interference image display device 5n, b of the laser beam - this part of the laser beam is to be used with the beam from the movable reflection device 2 at the location of the interference image display device Sa, b intorferieren - to be enlarged or reduced by a laser length, what As a result, lengths in the range of several Netern can be measured.

Die Anzeigevorrichtung besteht aus zwei Hälften 5a und 5b, damit die Interferenzbilder jeder der beiden reflektierenden Referenzflächen dargestellt worden können. Es kann ein mechanisches oder elektronisches Schaltgerät vorgesehen werden, um periodisch ein Fühlerorgan zwischen die beiden Hälften zu schalten und/oder periodisch und abwechselnd eine der reflektieronden Referenzflächen zu aktivieren. Dieses Schaltgerät ist jedoch nicht Bestandteil der Erfindung und wird de"eiiä'lb" nicht beschrieben oder dargestellt.The display device consists of two halves 5a and 5b so that the Interference images of each of the two reflective reference surfaces have been shown can. A mechanical or electronic switching device can be provided, to periodically switch a sensor element between the two halves and / or periodically and alternately to activate one of the reflective reference surfaces. This switching device however, it does not form part of the invention and is not described in the "eiiä'lb" or shown.

Die Interferenzbilder auf den beiden Hälften de@ Anzeige vorrichtung sind komplementär, d. h. wenn auf einer der beiden Flächen deutlich erkennbare Interferenzlinien erscheinen, sind auf der anderen Hälfte verschwommene Interferenzlinien abgebildet und umgekehrt. Auf dem Interferenzanzeiger ergibt sich also eine fortlaufende Reihe von Interferenzlinien, die zur Bestimmung optischer Längen von mehreren Metern ausgezählt werden können.The interference patterns on the two halves of the display device are complementary, d. H. if there are clearly recognizable interference lines on one of the two surfaces appear, blurred interference lines are shown on the other half and vice versa. So there is a continuous row on the interference indicator of interference lines, which are counted to determine optical lengths of several meters can be.

Der optimale periodische Wechsel der optischen Länge von der Referenzvorrichtung 3 zu der halbtransparenten Vorrichtung 4 ergibt sich dann, wenn der periodische Wechsel in dem Moment erfolgt, wo die Differenz zwischen den optischen Längen von der beweglichen Reflexionsvorrichtung 2 und von der ortsfesten Reflexionsvorrichtung 3 zu der halbtransparenten Reflexionsvorrichtung 4 gerade L (n + 1 beträgt, wobei L die Laserlänge 2 bedeutet und n gleich Null oder eine andere ganze Zahl ist.The optimal periodic change in the optical length from the reference device 3 to the semitransparent device 4 arises when the periodic change occurs at the moment where the difference between the optical Lengths from the movable reflecting device 2 and from the fixed reflecting device 3 to the semitransparent reflection device 4 is just L (n + 1, where L means the laser length 2 and n is zero or another whole number.

Die Stellung, in der der Wechsel erfolgt, braucht jedoch nur auf etwa einen Zentimeter genau bestimmt zu werden, da ein Verluste einer Interferenzlinie Je Wechsel zulässig ist.The position in which the change takes place, however, only needs to about to be determined with an accuracy of one centimeter, since there is a loss of an interference line Each change is permitted.

Zum Auszählen der Interferenzlinien kann ein photoelektrisches System verwendet werden, bei dem Photodetektoreinrichtungen einschließlich Photodioden, Photoelektronenvervielfachern und ähnlichem, die gegeneinander um ein Viertel des Linienabstandes versetzt sind, mit einem reversiblen Zählgerat verbunden sind.A photoelectric system can be used to count the interference lines be used in which photodetector devices including photodiodes, Photoelectron multipliers and the like, which are opposed to each other by a quarter of the Line spacing are offset, are connected to a reversible counter.

Das Längenmaß kann in Strahlungswellenlängen bestimmt werden, und die Umrechnung in Meter kann mit Hilfe einer Tabelle oder eines elektronischen Zählers erfolgen, der das Ergebnis sofort in Metern angibt.The length measure can be determined in radiation wavelengths, and the conversion to meters can be done with the help of a table or an electronic counter which immediately gives the result in meters.

Die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Interferometermessungen ist größer als t 5 pm (Mikrometer) Je Meter, ohne daß komplizierte und teuere Kompensations- und 5 teuerungsmaßnahwen erforderlich sind.The accuracy of the interferometer measurements according to the invention is greater than t 5 pm (micrometer) per meter, without complicated and expensive compensation and 5 expensive measures are required.

Ansprüche:Expectations:

Claims

A n 5 p r ü c Ii e 1. A method for long measurement by means of a laser interferometer based on the Michelson interferometer principle, d a d u r c h e k e n n -z e i c h n e t that the optical length between the semi-transparent reflective surface (4) of the interferometer and the stationary reflective reference device (3) of the interferometer periodically between two fixed values varied at a distance of L,. (1 + 2 n) from each other away, where L means the laser 2 long and n is zero or one is an integer.

2. Ancestors according to claim l, d a d u r c h g e k e n n -z e i c n e t that the periodic switchover takes place between the two fixed values, when the difference between the optical lengths from the movable reflection device (2) of the interferometer and of the stationary reflection device (3) in the semi-transparent reflection device (4) is just L / 2 (n + ½), where L is the Means laser length and n is zero or an integer.

Interferometer based on the Michelson interferometer principle, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that to the stationary reflective reference device (3) the interferometer has two reflective reference surfaces that are adjacent to each other arranged and but shifted from one another in such a way that the difference of the Distances from the reflective reference surfaces to the semi-transparent reflective Area (4) of interferometer 2 is (i + 2 n), where L is the laser length and n is zero or an integer, thereby causing the Part of the laser beam from the fixed reflecting device (3) on the interference image display device (5a, 5b) of the interferometer reflects is, the distance traveled is variable by changing the optical length between the semi-transparent surface (4) and the two reference surfaces varied periodically so that the interference image display device (5a, 5b) is always clearly visible Maps interference lines when the movable reflection device (2) of the interferometer is moved within a range of several meters.

L e r s e i t e