DE19613303A1 - Verfahren und Einrichtung zur absoluten Distanzmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur absoluten Distanzmessung mit durchstimmbarer Wellenlänge mit zwei Lasern geringfügig unterschiedlicher oder gleicher Frequenz gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Bekannte Verfahren der absoluten interferometrischen Distanzmessung verwenden mindestens einen Laser. Die einzelnen Verfahren hierzu unterscheiden sich in der Art und Weise der Detektion der Phasenänderung. Anordnungen mit zwei Lasern nutzen dabei das Heterodynsignal und führen die notwendige Phasendifferenzbildung mittels Analogschaltungen, wie Mischer und Filter, durch. Bei den bekannten Anordnungen werden den Lasern nachgeordnete akustooptische Modulatoren (AOM) verwendet, um die Frequenz der Laserstrahlung zu verschieben. Optische Elemente als Koppelelemente in Form von Prismen sind ferner vorgesehen zur kolinearen Überlagerung und Führung der Laserstrahlen. Fotoelektrische Empfänger registrieren die zwischen den Strahlen generierten Schwebungssignale, aus denen nach elektronischer Mischung und Filterung periodische Signale erzeugt werden, deren Phasenänderung bei Änderung von mindestens einer Laserfrequenz dem innerhalb des Interferometers realisierten optischen Gangunterschied proportional ist. Es sind weitere Interferometereinheiten vorgesehen, die sich jedoch in ihren optischen Weglängen unterscheiden und als Refe­ renz- bzw. Vergleichsinterferometer dienen. Elektronische Misch- und Filterstufen ermöglichen eine Verknüpfung der unterschiedlichen Interferometersignale dahingehend, daß solche Signale gewonnen werden, die unabhängig von den AOM-Frequenzen alle durch Laserfrequenzvariation bedingten und von den Reflektorentfernungen abhängigen Phasenwinkeländerungen anzeigen. Über elektronische A-D-Wandler werden die Signale zur Weiterverarbeitung und Auswertung an einen Rechner weitergeleitet.

Für die absolute Distanzinterferometrie (ADI) haben sich besonders Verfahren als vorteilhaft erwiesen, die von einer variablen, durch optische Überlagerung mindestens zweier kohärenter Strahlen erzeugten synthetischen Wellenlänge durch obengenannte Heterodynanordnungen ausgefiltert und deren Phasen mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Die synthetische Wellenlänge A ergibt sich aus der Beziehung Λ = λ₁ · λ₂/Δλ, wobei λ₁ und λ₂ die Wellenlängen der beiden Laser sind.

Vorauszusetzen ist stets, daß die Strahlen mit Wellenlängen λ_i identische optische Wege durchlaufen und daß insbesondere während der Durchstimmung keine relativen Verlagerungen der Strahlenachsen stattfinden. Durch die optische und elektronische Überlagerung der Interferenzsignale entstehen Zwischenfrequenzen, die die distanzproportionale Phaseninformation enthalten. Die optische Wellenlänge λ sollte über einen großen Bereich durchstimmbar sein, da der Durchstimmbereich Δλ und die Phasenmeßgenauigkeit ΔΦ das Auflösungsvermögen AM des Verfahrens bestimmen. Die Zwischenfrequenzen liegen in der Größenordnung bei 100 MHz.

In US-PS 4 907 886; DE 41 39 839 und einem vorgeschlagenen Interferometer sind Anordnungen dargestellt, die zur Bildung der Heterodynsignale zwei in ihren Frequenzen unterschiedliche AOM umfassen. Dadurch ist u. a. eine Signalbildung möglich, die auch bei nicht monotonem Durchstimmvorgang z. B. infolge eines Frequenzjitters eine exakte Phasenmessung erlaubt. Der Nachteil der bekannten Interferometer besteht jedoch darin, daß die optische Strahlführung und die elektronische Signalauswertung mit einem hohen technischen Aufwand verbunden sind. Insbesondere besteht das Problem, daß mit dem Einsatz von zwei AOM auch zwei verschiedene Strahlteilungspunkte innerhalb der Interferometeranordnung existieren. Dadurch können unkontrollierbare Phasenfluktuationen der Interferometersignale resultieren, die sich aus den unterschiedlichen Bedingungen in den einzelnen Teilabschnitten bzw. Strahlenbündeln der Interferometeranordnung ergeben. Aus diesem Grunde ist bei den Anordnungen des Standes der Technik ein Referenzinterferometer notwendig, auf das die Signale aller übrigen verwendeten Interferometer bezogen werden. Der technische Aufwand zur Signalbildung und -analyse reduziert sich, wenn eine monotone Durchstimmung realisiert werden kann.

Alle diese Interferometer besitzen den Nachteil, daß sie technisch sehr aufwendig sind, weil HF-Verstärker, HF-Filter und -mischer sowie akustooptische Modulatoren und deren Ansteuerschaltungen zum Einsatz kommen.

Aus der DD-PS 1 58 187 ist ein Zweistufeninterferometer insbesondere für Längenmessungen bekannt, welches eine Lichtquelle, einen Strahlenteiler mit einer strahlenteilenden teilverspiegelten, als Interferenzebene dienenden Fläche zur Erzeugung zweier getrennter Lichtbündel, einen im Lichtweg des ersten Lichtbündels angeordneten Meßreflektor und einen im Lichtweg eines zweiten Lichtbündels angeordneten Referenzreflektor umfaßt. Der Strahlenteiler besitzt beiderseits seiner die Interferenzebene bildenden strahlenteilenden Fläche jeweils eine weitere strahlenteilende teilverspiegelte Fläche, wobei diese Flächen symmetrisch zur Interferenzfläche liegen. An dem dem Meß- und dem Referenzreflektor zugewandten Ende des Strahlenteilers ist ein einteiliges oder aus mehreren unabhängig voneinander justierbaren Einzelprismen zusammengesetztes Umlenkelement angeordnet. Das Umlenkelement besitzt optisch wirksame, dies Lichtbündel parallel richtende Reflexionsflächen, welche vorzugsweise mit der Interferenzebene gleiche Winkel einschließen. Die Strahlenaustrittsflächen der Umlenkelemente verlaufen vorteilhaft senkrecht zur Interferenzebene.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine interferometrische Einrichtung zur absoluten Distanzmessung mit variabler synthetischer Wellenlänge zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik weitgehend beseitigt und welche einen wesentlich geringeren technischen Aufwand erfordern und bei denen durch die Unterschiede in den einzelnen optischen Strahlenverläufen und durch die elektronischen Auswerteschaltungen bedingte Fehlereinflüsse auf die Phase und die Amplitude der Nutzsignale weitestgehend ausgeschaltet sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur absoluten Distanzmessung mit den Mitteln des kennzeichnenden Teils des ersten Anspruches gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind eine Einrichtung zur absoluten Distanzmessung mit variabler synthetischer Wellenlänge und weitere Ausgestaltungen der Erfindung dargelegt.

Bei den interferometrischen Verfahren zur absoluten Distanzmessung werden im Gegensatz zu den inkrementellen Interferometern, bei denen der Meßreflektor verschoben wird, beide Reflektoren der Interferometer im Meß- und Korrekturstrahlengang im Moment der Messung fixiert. Verändert wird nur die Wellenlänge mindestens eines der Laser, indem seine Resonatorlänge durchgestimmt wird. Unter diesen Bedingungen konstanter optischer Wege werden in den einzelnen Strahlengängen der Interferometer Interferenzsignale erzeugt, die mit Hilfe der fotoelektrischen Empfänger elektrische Signale gewandelt und digitalisiert werden. Im nachgeordneten Rechner werden die zu den einzelnen Lasern gehörenden Phasenmeßwerte voneinander subtrahiert, wodurch die Distanzmeßwerte von Reflektorvibrationen unabhängig werden.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die distanzabhängigen Interferenzsignale von den zu den jeweiligen Lasern gehörenden Übertragungskanälen so zu den nachgeschalteten Zählern übertragen werden, daß sich keine unterschiedlichen Phasenlaufzeiten ergeben.

Vorteilhaft ist ferner, daß die Durchstimmung der frequenzvariablen Laser mit geringem Anfangs- und Endgradienten, etwa nach einer cos-Funktion, durchgeführt wird und daß mit Beginn und Ende der Durchstimmung der Laser die Zähler getriggert werden.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt

• - zwei in ihrer Frequenz durchstimmbare Laser als Lichtquellen, welche linear polarisiertes Licht hinreichender Kohärenz aussenden,
• - optische Isolatoren und gegebenenfalls Kollimatoren, die den Lasern jeweils nachgeordnet sind,
• - einen Strahlenkoppler zum Mischen der orthogonal zueinander polarisierten Lichtbündel der Laser und zur Aufteilung der gemischten Lichtbündel in zwei Ausgangsstrahlenbündel
• - und den Ausgängen des Strahlenkopplers nachgeordnete, den Polarisationszustand der gemischten Lichtbündel erhaltende Lichtleiter, wobei jeweils ein erster Lichtleiter den einen Ausgang des Strahlenkopplers mit einem Meßkanal und ein zweiter Lichtleiter den zweiten Ausgang des Strahlenkopplers mit einem Korrekturkanal verbindet und in einem jeden dieser beiden Kanäle ein zugeordnetes Interferometer vorgesehen ist.

Diese den Kanälen zugeordneten Interferometer sind identisch aufgebaut sind und je mit einen Interferometerteiler zur Aufspaltung der Lichtbündel in einem Meßzweig mit einem Meßreflektor und in einen Referenzzweig mit einem Referenzreflektor versehen, wobei die Interferometerteiler beidseitig zu ihrer strahlenteilenden, die Interferenzebene umfassenden Fläche jeweils eine weitere Teilerfläche besitzen und an dem dem Meß- und Referenzreflektor zugewandten Ende eines jeden Interferenzteilers jeweils die Strahlen parallel richtende Umlenkelemente vorgesehen sind. Diesen Umlenkelementen sind polarisationsneutrale Strahlenteiler zur Teilung und Parallelversetzung der die Strahlenteiler passierenden Lichtbündel unmittelbar nachgeordnet. An den den fotoelektrischen Empfängern zugewandten Endflächen der Interferometerteiler sind Polarisationsstrahlenteiler vorgesehen, die die Strahlenbündel mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen voneinander trennen und in gesonderten Empfangskanälen und den einzelnen nachgeordneten, fotoelektrischen Empfängern zuordnen. Die fotoelektrischen Empfänger stehen über nachgeschaltete Impedanzwandler und Verstärker mit Interpolatoren zur Digitalisierung der Signale in Verbindung. Es sind diesen Interpolatoren nachgeordnete Zähler vorgesehen, deren Ausgänge an den Eingängen eines Rechners anliegen.

Vorteilhaft ist bei dieser Einrichtung, daß die Erzeugung von optischen Zwischenfrequenzen bei den Strahlenbündeln mit Hilfe von AOM nicht mehr notwendig ist. Durch die orthogonale Polarisation der verstimmbaren Laserstrahlung ist unter Beibehaltung identischer optischer Wege eine getrennte Gewinnung und Verarbeitung der Interferenzsignale beider Laser möglich. Die synthetische Wellenlänge entsteht erst nach der digitalen Messung der Einzelphasen der Wellen λ_i im Rechner; es erfolgt also in Wirklichkeit eine Überlagerung der Information der Laserstrahlen nach digitaler Phasenmessung in Form digitaler Differenzbildung und Verrechnung der Werte.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der technische Aufwand der Einrichtung verringert wird, indem HF-Filter und Mischer sowie AOM einschließlich ihrer aufwendigen Ansteuereinrichtungen gänzlich vermieden werden können.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 den Aufbau der im Meß- und Korrekturkanal angeordneten Interferometer und

Fig. 3 anhand eines Blockschaltbildes die Signalverarbeitung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Messen von Strecken und Verschiebungen umfaßt zwei Laser 1 und 2, welche orthogonal polarisiertes Licht aussenden und von denen mindestens einer in seiner Frequenz durchstimmbar ist. Die von den Lasern 1 und 2 ausgesendeten Laserlichtbündel werden u. a. über optische Isolatoren 3 und 4, die Licht in einer Richtung durch lassen und verhindern, daß reflektiertes Licht zurück in die Laser gelangt, und gegebenenfalls über Kollimatoren 5 und 6 einem diesen Teilen nachgeordneten, polarisationsneutralen Strahlenkoppler 7 mit einer teildurchlässigen Strahlenteilerfläche 8 zugeführt und durch diesen Strahlenkoppler 7 in zwei Ausgangsstrahlenbündel 9 und 10 aufgespalten. Das Licht eines jeden dieser Ausgangsstrahlenbündel 9 und 10 besitzt orthogonal polarisierte Lichtanteile, die von den Laser 1; 2 ausgestrahlt werden. Den beiden Ausgängen des Strahlenkopplers 7 sind Lichtleiter 11 und 12 mit Einkoppelglieder 13; 14 und Auskoppelglieder 15; 16 nachgeordnet, wobei die Lichtleiter 11 und 12 den Polarisationszustand der weitergeleiteten Ausgangsstrahlenbündel 9 und 10 nicht verändern. Die Auskoppelglieder 15 und 16 mit jeweils einem Einkoppelglied 17 und 18 von Interferometern 19 und 20 in Verbindung. Dabei ist das Interferometer 19 einem Meßkanal M und das Interferometer 20 einem Korrekturkanal K zugeordnet.

Die Interferometer 19 und 20, von denen ersteres in Fig. 2 in zwei Ansichten dargestellt ist, sind identisch aufgebaut und umfassen je einen polarisationsneutralen Interferometerteiler 19.1 und 20.1 mit je einer strahlenteilenden Fläche 19.2 und 20.2 zur Aufspaltung des durch das jeweilige Einkoppelglied 17; 18 in die Interferometer 19 und 20 eingekoppelten Strahlenbündels in einen Meß- und Referenzzweig. Die die Interferometer 19 und 20 über Umlenkelemente 19.3; 19.4 und 20.3; 20.4 parallelgerichtet verlassen den Strahlenbündel werden über polarisationsneutrale Strahlenteiler 21 und 22 Retroreflektoren 23; 24; 25; 26 zugeleitet. Nach Reflexion durch diese Retroreflektoren 23; 24; 25; 26 werden die zurückgeworfenen Strahlenbündel in den Strahlenteilern 21 und 22 erneut geteilt, parallel versetzt und an den strahlenteilenden Flächen 19.2 und 20.2 der Interferometerteiler 19.1 und 20.1 zur Interferenz gebracht. Dabei interferiert das Licht der Laser 1 und 2 an den gleichen strahlenteilenden Flächen 19.2; 20.2.

Es entstehen für jede Polarisation jeweils vier optische Interferenzsignale O_Mi und O_Ki (i = 1 . . . 4), die die Interferometerteiler 19.1 und 20.1 verlassen und diesen in Lichtrichtung nachgeordneten Polarisationsteilern 27; 28; 29; 30 zugeleitet werden. Durch die Polarisationsteiler 27; 28; 29; 30 werden die optischen Interferenzsignale O_Mi und O_Ki beider Laser 1; 2 nach ihrem Polarisationszustand getrennt und, wie in Fig. 3 dargestellt, fotoelektrischen Empfängern 31 bis 38 und 39 bis 46 zugeführt und durch diese in elektrische Signale Φ_Mj und Φ_Kj (j = 1 . . . 8) umgewandelt.

Diese den optischen Phasenwerten entsprechenden elektrischen Signale werden über Transimpedanzwandler 47; 48; 49; 50 und Verstärker 51; 52; 52; 54 nachgeschalteten Interpolatoren 55; 56; 57; 58 zur Digitalisierung zugeführt. Die digitalisierten Signale werden den mit dem Ausgang der Interpolatoren 55 bis 58 verbundenen Zählern 59; 60; 61; 62 zugeleitet. Die Zähler 59 bis 62 sind mit einem nachgeordneten Prozessor 63 verbunden, welcher die Zählergebnisse übernimmt und zu Distanzmeßwerten weiterverarbeitet. Dabei wird in bekannter Weise hinreichende Ähnlichkeit der Umweltbedingungen im Meß- und Korrekturkanal vorausgesetzt und zur Ermittlung der Distanzwerte die an sich bekannte Verhältnismessung nach der Gleichung

M_S/K_S=Z_M/Z_K

angewendet, wobei M_S die Streckenlänge und K_S die Vergleichsstreckenlänge und Z_M; Z_K die Zählergebnisse der Zähler 59 bis 62 im Meß- und Korrekturkanal beim Durchstimmen der Laser 1 und 2 sind. Vorteilhaft wird der Anfangspunkt der Meßstrecke so gelegt, daß er mit dem Invarianzpunkt (Interferenzpunkt) des Interferometers im Meßkanal zusammenfällt.

Als Phasenmeßwerte stehen die elektrischen Signale Φ_ÿ an den jeweils zugeordneten Zählern an und es gelten folgende Beziehungen:

Φ_1M - Φ_2M ⇒ Z_1M - Z_2M = Z_M
Φ_1K - Φ_2K ⇒ Z_1K - Z_2K = Z_K.

Da K_S als Vergleichstrecke bekannt ist, ergibt sich die gesuchte Streckenlänge M_S nach der Beziehung

M_S = K_S • Z_M/Z_K.

Claims (4)

1. Verfahren zur absoluten Distanzmessung mittels mit variablen Wellenlängen arbeitender, durch Lichtleiter gekoppelter Laserinterferometer, wobei die von durchstimmbaren frequenzvariablen Lasern ausgesandten orthogonal polarisierten Lichtbündel einem Strahlenkoppler zugeführt und, durch diesen in zwei polarisationsmäßig gemischte Ausgangsstrahlenbündel aufgespalten, über Lichtleiter jeweils dem Interferometer eines Meß- und eines Korrekturkanals zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß dem jeweils einen Interferometer (19; 20) des Meß- und Korrekturkanals (M; K) über die den Polerisationszustand des übertragenen Lichtes nicht verändernden Lichtleiter (11; 12) gleichzeitig zwei durch orthogonale Polarisationsrichtungen unterscheidbare Strahlenbündel zugeleitet werden, wobei diese Strahlenbündel in diesen Interferometern (19; 20) identische geometrisch-optische Wege durchlaufen,
• - daß in den Interferenzpunkten dieser Interferometer (19; 20) die Strahlenbündel gleichen Polarisationszustandes zur Interferenz gebracht und distanzabhängige optische Interferenzsignale erzeugt werden,
• - daß diese distanzabhängigen Interferenzsignale durch die den Interferometern (19; 20) zugeordneten Polarisationsteiler (27; 28; 29; 30) jeweils nach ihrem Polarisationszustand getrennt und in separaten Empfangskanälen nachgeordneten fotoelektrischen Empfängern (31 bis 38 und 39 bis 46) zugeführt und von diesen in elektrische Signale umgewandelt werden
• - daß diese distanzabhängigen und optischen Phasenwerten entsprechenden elektrischen Signale über Impedanzwandler (47; 48; 49; 50) und nach einer Verstärkung durch vorgesehene Verstärker (51; 52; 53; 54) in Interpolatoren (55; 56; 57; 58) digitalisiert und in digitaler Form Zählern (59; 60; 61; 62) zugeführt werden
• - und daß die erhaltenen Zählergebnisse einem nachgeschalteten Rechner (63) zugeführt und zu einem der zu ermittelnden Streckenlänge M_S proportionalen Distanzmeßwert gemäß der Beziehung M_S = K_S • Z_M/Z_Sweiterverarbeitet werden, wobei M_S die Streckenlänge, K_S die Vergleichsstreckenlänge, Z_M und Z_S die Zählergebnisse der Zähler sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die distanzabhängigen Interferenzsignale in gesonderten Empfangskanälen mit gleichen elektrischen Übertragungseigenschaften zu den einzelnen fotoelektrischen Empfängern (31 bis 46) übertragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchstimmung der frequenzvariablen Laser mit geringem Anfangs- und Endgradienten etwa nach einer cos-Funktion durchgeführt wird und daß mit Beginn und Ende der Durchstimmung der Laser die Zähler (59; 60; 61; 62) getriggert werden.

4. Einrichtung zum Messen von Strecken mittels mit variablen Wellenlängen arbeitender, durch Lichtleitfasern gekoppelter Laserinterferometer, umfassend

• - zwei in ihrer Frequenz durchstimmbare Laser als Lichtquellen, welche orthogonal polarisiertes Licht aussenden,
• - optische Isolatoren und gegebenenfalls Kollimatoren, die den Lasern jeweils nachgeordnet sind,
• - einen Strahlenkoppler zum Mischen der Lichtbündel der Laser und zur Aufteilung der gemischten Lichtbündel in zwei Ausgangsstrahlenbündel,
• - den Ausgängen des Strahlenkopplers nachgeordnete, den Polarisationszustand der gemischten Lichtbündel erhaltende Lichtleiter, wobei jeweils ein erster Lichtleiter den einen Ausgang des Strahlenkopplers mit einem Meßkanal und ein zweiter Lichtleiter den zweiten Ausgang des Strahlenkopplers mit einem Korrekturkanal verbindet und in einem jeden dieser beiden Kanäle ein zugeordnetes Interferometer vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
• - daß diese den Kanälen (M; K) zugeordneten Interferometer (19 und 20) nahezu identisch aufgebaut sind und je einen Interferometerteiler (19.1; 20.1) zur Aufspaltung der Lichtbündel in einem Meßzweig mit einem Meßreflektor und in einen Referenzzweig mit einem Referenzreflektor umfassen, wobei die Interferometerteiler (19.1; 20.1) beidseitig zu ihrer strahlenteilenden, die Interferenzebene umfassenden Fläche (19.2; 20.2) jeweils eine weitere Teilerfläche besitzen und an dem dem Meß- und Referenzreflektor zugewandten Ende eines jeden Interferometerteilers (19.1, 20.1) jeweils die Strahlen parallel richtende Umlenkelemente (19.3; 20.3) vorgesehen sind und diesen Umlenkelementen (19.3; 20.3) polarisationsneutrale Strahlenteiler (21; 22) zur Teilung und Parallelversetzung der die Strahlenteiler (21; 22) passierenden Lichtbündel unmittelbar nachgeordnet sind,
• - daß an den den fotoelektrischen Empfängern (31 bis 38 und 39 bis 46) zugewandten Endflächen der Interferometerteiler (19.1; 20.1) Polarisationsstrahlenteiler (27; 28; 29; 30) vorgesehen sind, die die Strahlenbündel mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen voneinander trennen und in gesonderten Empfangskanälen den einzelnen nachgeordneten, fotoelektrischen Empfängern (31 bis 38 und 39 bis 46) zuordnen,
• - und daß die fotoelektrischen Empfänger (31 bis 38 und 39 bis 46) über nachgeschaltete Impedanzwandler (47; 48; 49; 50) und Verstärker (51; 52; 53; 54) mit Interpolatoren (55; 56; 57; 58) zur Digitalisierung der Signale verbunden sind und diesen Interpolatoren (55; 56; 57; 58) nachgeschaltete Zähler (59; 60; 61; 62) vorgesehen sind, deren Ausgänge mit einem Rechner (63) in Verbindung stehen.