DE19522262C2 - Heterodyn-Interferometer-Anordnung - Google Patents

Heterodyn-Interferometer-Anordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Heterodyn-Interferometer-Anordnung (HIA) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese HIA besitzt zwei Laser oder eine Laserlichtquelle mit zwei Strahlkomponenten unterschiedlicher Frequenz, die eine Variation der zwischen beiden Strahlen generierbaren optischen Schwebungsfrequenz erlauben.
Für die absolute Distanzinterferometrie haben sich u. a. Verfahren als vorteilhaft erwiesen, die von einer variablen synthetischen Wellenlänge bzw. der ihr ent­ sprechenden optischen Schwebungsfrequenz Δν ausgehen. Dabei werden mit­ tels auf der Grundlage von akusto-optischen Modulatoren (AOM) arbeitenden Heterodyninterferometer (HI) durch elektrische Multiplizierer periodische Signale erzeugt, deren Phasenwinkel nicht mehr von der kleinen Laserwellenlänge abhängen, sondern von der zwischen zwei Lasern generierten Schwebungs- bzw. synthetischen Wellenlänge. Eine Änderung (Durchstimmung) der synthetischen Wellenlänge bewirkt eine Phasenwinkeländerung des syn­ thetischen Heterodynsignals, wobei die Änderungsgeschwindigkeit des Pha­ senwinkels dem Gangunterschied (Reflektordistanz) des Interferometers und der Durchstimmungsgeschwindigkeit proportional ist. Soll auf diese Weise die Reflektordistanz ermittelt werden, so muß der Frequenzabstand der Laser definiert und reproduzierbar variiert werden.
Von den klassischen Interferometern ist bekannt, daß die Kenntnis der Wellen­ länge nicht erforderlich ist, wenn gleichzeitig ein zweites Interferometer mit konstantem Gangunterschied vorgesehen ist, wie es in der DE 35 28 259 A1 beschrieben ist.
Bei der Anordnung nach der DE 41 39 839 A1 mit zwei Single-Mode-Lasern, von denen einer in seiner Wellenlänge variierbar ist, werden nicht die Änderungen der Laserwellenlänge, sondern der wesentlich größeren synthetischen Wellen­ länge genutzt. Dadurch haben Vibrationen und atmosphärische Brechzahlschwankungen nur einen geringen Einfluß auf die Messungen.
Der Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß eine Richtungsumkehr der Phasenänderung bei nicht monoton verlaufendem Durchstimmvorgang nicht in jedem Fall festgestellt werden kann, so daß die Ermittlung der Gesamtphasenänderung in der Regel fehlerhaft ist.
Einen solchen Nachteil besitzen auch das Verfahren und die Einrichtung nach der US 4 907 886 bei einem Heterodyninterferometer. Ein weiterer Nachteil die­ ses Interferometers besteht darin, daß alle Teilstrahlen zunächst kolinear zusammengeführt und in einem Michelson-Interferometer polarisationsoptisch getrennt werden. Eine solche Strahlenführung kann bei nicht idealen Polarisati­ onsteilerschichten eine unvollständige Trennung der Strahlkomponenten zur Folge haben und zu Nebensprecheffekten (Crosstalk) führen.
Weiterhin fehlen bei allen diesen bekannten Anordnungen geeignete Vorrich­ tungen, die die Frequenzgleichheit beider Laser während des Durchstimmvor­ ganges detektieren. Die in diesem Fall resultierenden niederfrequenten Schwe­ bungen wirken sich ebenfalls störend auf das Meßsignal aus.
Die vorgenannten HIA ermöglichen eine fehlerfreie absolute Distanzmessung nur dann, wenn der Idealfall der streng monotonen Durchstimmung vorliegt. Die Laserfrequenz und damit die synthetische Wellenlänge ändern sich stetig in einer Richtung. Wechseln die Phasenwinkeländerungen der Interferometersignale das Vorzeichen, ist die Ermittlung der Gesamtphasenänderung in der Regel nicht mehr fehlerfrei.
Aus der DE 42 30 748 A1 sind ein interferometrisches Meßverfahren und eine Laserinterferometeranordnung bekannt, bei welchem mindestens zwei bezüglich einer Regelstrecke kaskadenartig gegeneinander abgestufte Regelinterferometer vorgesehen sind, so daß in Abhängigkeit von den zu messenden Strecken beim Über- oder Unterschreiten einer geeigneten Signalschwelle jeweils auf das nächstfolgende Regelinterferometer umgeschaltet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heterodyn-Interferometer-Anordnung zu schaffen, die eine absolute Distanzmessung auch bei nicht idealem Durchstimmverhalten der Laserlichtquellen ermöglicht sowie von Strahlführung und Signalerfassung bedingte fehlerhafte Einflüsse minimiert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Heterodyn-Interferometer-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung ist der schematische Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt.
Die erfindungsgemäße Heterodyn-Interferometer-Anordnung HIA umfaßt zwei Laserlichtquellen 1a und 1b, deren emittierte Strahlung mit den unterschiedli­ chen optischen Frequenzen ν₁ und ν₂ auf nachgeordnete akusto-optische Modulatoren AOM 2a und 2b gerichtet und jeweils in einen frequenzverscho­ benen und einen nicht frequenzverschobenen Teilstrahl aufgespalten werden. Aus den Austrittsorten PA und PB aus den AOM 2a und 2b treten also jeweils ein gebeugter Teilstrahl ν₁ +f₁ und ν₂ +f₂ und jeweils ein ungebeugter Teil­ strahl ν₁ und ν₂ aus, wobei die gebeugten Teilstrahlen definierte Frequenzver­ schiebungen erfahren. Mittels nachgeordneter Strahlumlenker 3a; 3b sowie eines Umlenkprismas 4a erfolgt eine Zusammenführung aller die AOM 2a und 2b verlassender Teilstrahlen durch einen Strahlenteiler 5a in den Punkten PC und PE seiner Teilerfläche 5at. Unmittelbar vor dieser ersten Teilstrahlvereini­ gung werden durch eine vorgesehene λ/4-Platte 6 zwei orthogonale Polarisa­ tionsebenen in dem betreffenden Teilstrahl festgelegt, die durch die Symbole ⚫ und ↔ in der Zeichnung gekennzeichnet sind. Durch zwei in den entsprechen­ den Teilstrahlen angeordneten λ/2-Platten 7a und 7b werden die Polarisations­ ebenen der betreffenden Teilstrahlen gedreht, so daß auf beide unterschiedlich polarisierte Teilstrahlen etwa die gleiche Strahlungsleistung entfällt und sich die von der Orientierung der Polarisationsebenen abhängigen optischen Wege L ⚫AC und L↔AC zwischen den Punkten PA und PC um λ/4 unterscheiden. Die beiden in den Punkten PC und PE gebildeten Teilstrahlenpaare C und E werden in dem dem Strahlenteiler 5a nachgeordneten Interferometer, dem Referenzin­ terferometer RI, im Interferenzpunkt PR des Strahlenteilers 9 interferenzfähig überlagert. Dieser Strahlenteiler 9 hat darüber hinaus die Aufgabe, die ihn durchsetzenden Strahlenanteile bezüglich der beiden orthogonalen Polarisati­ onsebenen zu separieren und eine getrennte Registrierung der entsprechenden Interferenzsignale mittels Fotodetektoren 10a und 10b zu ermöglichen. Die Anordnung eines Polarisationsfilters 8a in Kombination mit einer λ/2-Platte 7c erlaubt dabei wiederum die Abstimmung der Strahlenleistungsanteile in den beiden Interferenzkanälen, so daß die Amplituden der durch die Fotodetekto­ ren 10a und 10b erzeugten Signale annähernd gleiche Werte besitzen. Diese Signale werden den nachgeordneten nichtlinearen elektronischen Bauelemen­ ten (Multiplizierer) und Filter 11a; 11b zugeführt.
Die mit diesen Multiplizierern und Filter 11a und 11b gewonnenen Heterodyn- Signale, deren Frequenz der Differenzfrequenz (Δν = ν₁ - ν₂) der AOM ent­ spricht, besitzen aufgrund der durch die λ/4-Platte 6 realisierten unterschiedli­ chen optischen Wege im Idealfall eine Phasenverschiebung von 90°.
Die HIA umfaßt zwei weitere Interferometer, ein VI und ein HI, wobei das VI eine konstante optische Vergleichslänge und das HI die zu ermittelnde Distanz realisieren. Dabei wird das VI über einen, dem ersten Strahlenteiler 5a nachge­ schalteten, weiteren Strahlenteiler 5b mit den beiden anderen, den Strahlentei­ ler 5a verlassenden Teilstrahlen C′ und E′ beaufschlagt. Diese Teilstrahlen C′ und E′ werden an der Teilerschicht 5bt des Strahlenteilers 5b in die Teilstrahlen C′′ und E′′ sowie C′′′ und E′′′ aufgespalten. Nachdem die Teilstrahlen C′′ und E′′ un­ terschiedliche optische Wege im VI durchlaufen haben, werden sie im Interfe­ renzpunkt PV der Teilerfläche 5ct des Strahlenteilers 5c zusammengeführt. Dabei werden der Teilstrahl C′′ über einen Retroreflektor 13a und der Teilstrahl E′′ über ein Polarisationsfilter 8b und eine λ/2-Platte 7d und eine den Strahlen­ weg verlängernde Spiegelanordnung 14 und einen weiteren Retroreflektor 13b zum Interferenzpunkt PV geführt.
Durch die Mehrfachreflexionen in der Spiegelanordnung 14 erfolgt die Reali­ sierung eines relativ langen optischen Weges für den betreffenden Teilstrahl E′′, was eine Reduzierung der Meßunsicherheit zur Folge hat. Durch das Polarisati­ onsfilter 8b wird erreicht, daß nur Interferenzen in einer der beiden bereits beschriebenen Polarisationsebenen ⚫ oder ↔ registriert werden, wobei analog zum RI, in beiden Polarisationsebenen gleichzeitig detektierbare Interferenzsi­ gnale mit entsprechender Phasenverschiebung auftreten. Die λ/2-Platte 7d dient zur Optimierung der das Polarisationsfilter 8b passierenden Strahlleistung. Das durch den Fotodetektor 10d erzeugte Signal wird an den Eingang einer elek­ tronischen Vorverarbeitungsstufe 11c gegeben, deren Ausgang mit den Misch- und Filterstufen 12a und 12b verbunden ist.
Ein drittes Interferometer, das Heterodyninterferometer HI, welchem über das Umlenkprisma 4b die Strahlenpaare C′′′ und E′′′ zugeführt werden, umfaßt einen zum oben beschriebenen VI analogen Aufbau, wie das oben beschriebene VI. Jedoch tritt an die Stelle der konstanten, durch die Spiegelanordnung 14 realisierten Vergleichsstrecke DV im Strahlenpaar E′′′ ein beweglicher Retrore­ flektor 13d, der der Vermessung der unbekannten Distanz DX dient. Die interfe­ renzfähige Überlagerung der Strahlenpaare C′′′ und E′′′ erfolgt in einem Inter­ ferenzpunkt PX auf der Teilerfläche 5dt des Strahlenteilers 5d. Auch innerhalb dieses HI wird durch die Kombination von Polarisationsfilter 8c und λ/2-Platte 7e erreicht, daß nur ein definiertes Interferenzsignal durch den Fotoempfänger 10e detektiert wird.
Die durch den Fotoempfänger 10e erzeugten Heterodynsignale werden den Misch- und Filterstufen 12a; 12b; 12c; 12d zugeführt, deren Ausgangssignale von den Analog-Digital-Wandlern 15a; 15b; 15c und 15d erfaßt und einem Rechner 18 zugeleitet werden.
Die digitalisierten Signalkurven werden von dem Rechner 18 zur weiteren numerischen Verarbeitung eingelesen. Dieser Rechner 18 hat weiterhin die Auf­ gabe, den Meßvorgang zu steuern, d. h. den Durchstimmvorgang für einen der beiden Laserlichtquellen (z. B. 1b) mittels eines Tuners 17 auszulösen.
Um eine möglichst große Gesamtänderung der optischen Schwebungsfrequenz zu erreichen, werden beide Laserfrequenzen zunächst so abgestimmt, daß die Schwebungsfrequenz Δν ≈ 0 ist. An Fotodetektor 10c wird dann zu Beginn des Durch­ stimmvorganges wegen Δν = 0 ein niederfrequentes Signal registriert, das mit­ tels einer geeigneten elektronischen Vorrichtung 16 (z. B. Tiefpaßfilter, Schwellwertschalter und Monoflop) zur Erzeugung eines Triggerimpulses führt.
Dieser kann vorteilhaft nach zeitlicher Verzögerung zur Auslösung der Meßwert­ aufnahme genutzt werden.
Nach dem Passieren der elektrischen Multiplizierer und Filter ergeben sich an den Ausgängen die bekannten Signale der Form
S ∼ cos(2πΔf · t + Θ) (1)
wobei Δf die zwischen den beiden AOM resultierenden Differenzfrequenzen und Θ ein Phasenwinkel ist, welcher von den optischen Wegen innerhalb der jeweiligen Interferometeranordnung abhängt. Durch den Einsatz doppelbre­ chender Materialien (λ/4-, λ/2-Platten) werden bezüglich der durch sie definier­ ten beiden orthogonalen Polarisationsebenen (⚫; ↔) konstante optische Weg­ unterschiede realisiert, derart, daß sich für jedes Interferometer prinzipiell zwei um 90° phasenverschobene Signale erzeugen lassen. So werden zwei phasen­ verschobene Signale des RI
SR ∼ cos(2πΔf · t + ΘR)  SR ∼ sin(2πΔf · t + ΘR) (2)
und jeweils ein Signal der anderen Interferometer HI und VI
SV ∼ cos(2πΔf · t + ΘV)  SX ∼ cos(2πΔf · t + ΘX) (3)
in elektrischen Mischstufen geeignet verknüpft (multiplikative Mischung). Nach Unterdrückung der höherfrequenten Signalanteile durch eine Tiefpaßfilterung liegen an den Mischstufen folgende Signale an:
SR * SV  SRV = cos(ΔΘRV)
SR * SV  SRV = sin(ΔΘRV)
SR * SX  SRX = cos(ΔΘRX)
SR * SX  SRX = sin(ΔΘRX) (4)
Die Phasenwinkeldifferenzen ΔΘÿ sind nur noch vom optischen Gangunter­ schied der Interferometeranordnung sowie von der variablen optischen Schwe­ bungsfrequenz abhängig.
Einfache Rechnungen ergeben:
ΔΘRV = - - - {(LEV - LCV + LCR - LER) Δϑ + (LCR - LCV) Δf}
ΔΘRX = - - - {(LEX - LCX + LCR - LER) Δϑ + (LCR - LCX) Δf} (5)
worin LEV der Lichtweg zwischen den Punkten PE und PV der Interferometeran­ ordnung usw. sind (s. Zeichnung).
Für jedes Interferometer werden somit zwei Signale erzeugt, die sich jeweils um einen konstanten Phasenwinkel von vorzugsweise 90° unterscheiden und daher geeignet sind, auch negative Phasenwinkeländerungen eindeutig zu ermitteln. Diese können sich z. B. ergeben, wenn die Monotonie des Durchstimmvorgan­ ges infolge eines Frequenzjitters gestört ist. Eine absolute Distanzmessung kann unter Verwendung eines VI mit konstanter Vergleichstrecke durchgeführt wer­ den. Das Verhältnis der Gesamtphasenänderungen entspricht dem Verhältnis aus unbekannter Reflektordistanz und Vergleichsstrecke.
Geht man davon aus, daß z. B. der Lichtweg LEX die interessierende Reflektordi­ stanz enthält, so kann bei geeigneter Wahl der Bezugspunkte der Distanzmes­ sung
LEX - LCX + LCR - LER = 2 DX (6)
und für das VI
LEV - LCV + LCR - LER = 2 DV (7)
definiert werden, wobei DX die zu vermessende Distanz und DV eine bekannte konstante Vergleichsstrecke sind.
Sind m und n die den Gesamtphasenwinkeländerungen entsprechenden Vielfa­ chen von 2π, so gilt DX/DV = 2π · m /2π · n, woraus DX leicht bestimmt werden kann und m und n ganze Zahlen sind. Um eine hohe Meßwertauflösung der Distanzmessung zu erreichen, ist es erforderlich, die Phasenbruchteile von 2π zu Beginn und am Ende des Durchstimmvorganges zu bestimmen. Dazu müssen die Signalverläufe insbesondere in diesen Bereichen mit einer hohen Abtastfre­ quenz registiert werden. Diese Anforderungen erfüllt eine z. B. mittels A-D- Wandler und Digitalspeicher realisierte Einrichtung.
Von Bedeutung ist weiterhin, daß bei der Variation der optischen Schwebungs­ frequenz der Zustand eintreten kann, daß Δν in der Nähe der AOM-Frequenzen liegt. Dadurch werden die interessierenden Meßsignale gestört. Dieser Einfluß wird dadurch beseitigt, daß die Registrierung der Signale erst dann erfolgt, wenn die optische Schwebungsfrequenz groß genug ist. Dazu ist es erforderlich, daß die Übereinstimmung der beiden Laserfrequenzen während des Durch­ stimmvorganges beispielsweise durch einen Fotodetektor mit Tiefpaßeigen­ schaften festgestellt wird und dann mit elektronischen Mitteln ein Triggerimpuls erzeugt wird, der nach geeigneter zeitlicher Verzögerung den Meßvorgang auslöst.

Claims (5)

1. Heterodyn-Interferometer-Anordnung (HIA) zur absoluten Distanzmessung,
  • - mit zwei Lasern unterschiedlicher Lichtfrequenz oder mit einem Laser mit zwei Strahlkomponenten unterschiedlicher Frequenz, die eine Variation der zwischen beiden Strahlen generierbaren Schwebungsfrequenz ermöglichen,
  • - mit akustooptischen, die Frequenz der Laserstrahlen verschiebenden Modula­ toren (AOM), die den Lasern nachgeordnet sind,
  • - mit die Strahlen umlenkenden und/oder teilenden und/oder vereinigenden optischen Elementen, die in den einzelnen, den akustooptischen Modulatoren nachgeordneten Strahlengängen vorgesehen sind,
  • - mit einem Vergleichsinterferometer mit einer konstanten Vergleichstrecke und einem Heterodyninterferometer mit einem festen Referenzreflektor und einem innerhalb einer Meßstrecke verschiebbaren Meßreflektor, wobei diese beiden Interferometer einem die Strahlenbündel der akustooptischen Modulatoren vereinenden optischen Element nachgeordnet sind,
  • - mit polarisationsoptisch wirksamen λ/4-Platten und die Phasen des Lichtes verändernden λ/2-Platten,
  • - mit Fotodetektoren zur Erzeugung elektrischer Interferometersignale und
  • - mit einer Auswerteinheit zur Verarbeitung der Signale der Fotodetekto­ ren und zur Gewinnung der Weginformationen,
    dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein, die in ihrer Frequenz verschobenen Laserstrahlen (ν₁ + f₁; ν₂ + f₂) und die in ihrer Frequenz unveränderten Laserstrahlen (ν₁; ν₂) an seiner Teilerfläche (5at) vereinender erster Strahlenteiler (5a) vorgesehen ist, welcher optisch über jeweils ein Umlenkelement (4b; 5b) mit dem Vergleichsinterferometer (VI) und dem Heterodyninterferometer (HI) verbunden ist, wobei die in ihrer Frequenz verschobenen Laserstrahlen (ν₁ + f₁; ν₂ + f₂) an einem ersten Ort (PC) der Teilerfläche (5at) und die in ihrer Frequenz unveränderten Laserstrahlen (ν₁; ν₂) an einem vom ersten Ort (PC) verschiedenen zweiten Ort (PE) der Teilerfläche (5at) vereinigt sind,
  • - daß die den ersten Strahlenteiler (5a) verlassenden, frequenzverschobenen und die nicht frequenzverschobenen Laserstrahlen (C′; E′)jeweils kolinear zu dem nachgeordneten Vergleichsinterferometer (VI) und dem Heterodyninterferometer (HI) geführt sind, wobei die frequenzverschobenen Laserstrahlen (C′) räumlich getrennt von den nicht frequenzverschobenen Laserstrahlen (E′) geführt sind,
  • - daß dem ersten Strahlenteiler (5a) ferner ein als Referenzinterferometer (RI) vorgesehenes drittes Interferometer nachgeordnet ist, das einen zweiten und einen dritten Strahlenteiler (5e; 9), polarisationsoptisch wirksame Elemente (7c; 8a) sowie Fotodetektoren (10a; 10b; 10c) aufweist und bei dem der dritte Strahlenteiler (9) als Polarisationsstrahlenteiler ausgebildet ist, welchem zwei Fotodetektoren (10a; 10b) zugeordnet sind, und
  • - daß die dem dritten Strahlenteiler (9) zugeordneten Fotodetektoren (10a; 10b) über elektronische Multiplizierer und Filter (11a; 11b) und Misch- und Filterstufen (12a; 12b; 12c; 12d) sowie Anaolg-Digital-Wandler (15a; 15b; 15c; 15d) und der dem Strahlenteiler (5e) zugeordnete Fotodetektor (10c), der Tiefpaßeigenschaften aufweist, über einen Triggersignalerzeuger (16) mit einem als Auswerteeinheit dienenden, nachgeordneten Rechner (18) verbunden sind.
2.Heterodyn-Interferometer-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen frequenzverschobenen Laserstrahl (ν₁ + f₁) eine λ/4- und eine λ/2-Platte (6; 7a) und in dem anderen frequenzverschobenen Laserstrahl (ν₂ + f₂) eine λ/2-Platte (7b) jeweils vor dem ersten Strahlenteiler (5a) angeordnet sind, derart, daß bei der Lichtausbreitung in zwei orthogonalen Polarisationsebenen ein Teilstrahl einen konstanten optischen Gangunterschied von λ/4 und der andere Teilstrahl in beiden Polarisationsebenen einen Gangunterschied von Null besitzen.
3. Heterodyn-Interferometer-Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlich getrennten, jeweils kolinear geführten Strahlkomponenten mit einer vorgegebenen Spurweite (d) parallel ausgerichtet sind.
4. Heterodyn-Interferometer-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Interferometer (HI, RI und VI) optische Elemente in Form von Strahlenteilern (5c; 5d; 9) mit Interferenzpunkten (PV; PX; PR) besitzen, in denen eine Überlagerung der bis dahin räumlich getrennt geführten Teilstrahlen erfolgt und Heterodynsignale erzeugt werden, welche durch die Fotodetektoren (10a; 10b; 10c; 10d; 10e) detektierbar sind.
5.Heterodyn-Interferometer-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der drei Interferometer (HI; VI; RI) jeweils hinter den Interferenzpunkten (PV; PX; PR) Polarisationsteiler (9) oder Polarisationsfilter (8a; 8b; 8c) angeordnet sind, mit denen eine Trennung der in den orthogonalen Polarisationsebenen anfallenden optischen Heterodynsignale durchführbar ist.
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