DE19857929A1 - Method and equipment for optical distance measurement between two planes employing transmission or reflection type etalons - Google Patents

Method and equipment for optical distance measurement between two planes employing transmission or reflection type etalons

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Harald Schulz
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Abstract

The etalon (4) partly transparent mirrors (3,5) are positioned in parallel with the planes to measure the distance Lme (7). Smoothly changing the wave length from l1 to l2 of a time coherent laser (1) beam beamed on the mirrors produces intensity signals Ime(l) periodic with the wavelength at the etalon output. The resultant number of intensity signal periods nme monitored by detector (6) is counted and from it and wavelengths l1,l2 the distance is calculated.

Description

1. Anwendungsgebiet1. Field of application

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand ist die berührungslose Abstandsmessung zwischen zwei Ebenen. Der Abstand im Bereich von einigen Zentimeter bis einige Meter soll mit hoher Genauigkeit, bis herunter zu einem Mikrometer, absolut gemessen werden.The invention relates to a method and an apparatus according to the The subject of the first claim is the contactless distance measurement between two levels. The distance in the range of a few centimeters to a few Meters should be absolute with high accuracy, down to a micrometer be measured.

2. Stand der Technik2. State of the art

Berührungslose Abstandsmessungen über große Entfernungen mit einer Meß­ genauigkeit von einem Mikrometer werden in der Regel mit Interferometern ausgeführt. Meist wird zur Messung Licht mit einer exakt bekannten Wellenlänge, z. B. Laserlicht, verwendet. Die Wellenlänge des Lichts dient als Maßstab.Non-contact distance measurements over large distances with one measuring Accuracy of one micron is usually with interferometers executed. Usually, light with a precisely known wavelength is used for the measurement, e.g. B. laser light used. The wavelength of light serves as a yardstick.

3. Nachteile des Standes der Technik3. Disadvantages of the prior art

Interferometer mit einer Wellenlänge können jedoch nur bei einer mechanischen Veränderung des Abstandes der beiden Ebenen eine relative Längenänderungen messen, also nur die gegenseitige Verschiebung der Ebenen, nicht den Absolut­ abstand. Der Eindeutigkeitsbereich liegt bei einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts, also bei ca. 0,3 µm. Durch Verwendung von zwei oder mehreren Wellenlängen simultan, läßt sich der Eindeutigkeitsbereich auf einige Millimeter ausdehnen. Die erreichbare Meßgenauigkeit hängt dann empfindlich von der Kenntnis und der Stabilität der Wellenlängen ab.Interferometers with a wavelength can only be used with a mechanical one Changing the distance between the two levels made a relative change in length measure, so only the mutual shift of the levels, not the absolute distance. The uniqueness range is half a wavelength of the  light used, i.e. at about 0.3 µm. By using two or several wavelengths simultaneously, the uniqueness range can be reduced to a few Extend millimeters. The achievable measurement accuracy then depends on knowledge and the stability of the wavelengths.

Andere Verfahren, die sich prinzipiell für absolute Messungen eignen, z. B. Triangulation oder die Messung der Lichtlaufzeit zwischen den beiden Ebenen, erreichen Genauigkeiten von einem Mikrometer nicht oder nur mit extrem hohen Aufwand.Other methods that are suitable in principle for absolute measurements, e.g. B. Triangulation or the measurement of the light transit time between the two levels, do not achieve accuracies of one micron or only with extremely high ones Expenditure.

4. Aufgabe der Erfindung4. Object of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die den Abstand zwischen zwei Ebenen berührungslos absolut mißt ohne daß die Ebenen zum Zweck der Messung bewegt werden. Zur Durchführung der Messung dürfen keine materiellen Gegenstände zwischen den Ebenen eingefügt werden, es können jedoch Körper, z. B. Spiegel, in die Ebenen eingelassen werden, welche den Maßbezug herstellen. Der Raum zwischen den Ebenen kann mit einem optisch transparenten Medium ganz oder teilweise ausgefüllt sein. Die optischen Eigen­ schaften des Mediums, insbesondere die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts muß in diesem Fall hinreichend genau bekannt sein. Andernfalls wird eine Referenzstrecke mit den optischen Eigenschaften des transparenten Mediums für die Messung benötigt.The object of the invention is to provide a method and an apparatus which measures the distance between two planes absolutely without contact Levels are moved for the purpose of measurement. To carry out the measurement no material objects may be inserted between the levels, it however, bodies, e.g. B. mirrors, are inserted into the levels, which the Establish dimensional reference. The space between the levels can be visual completely or partially filled in the transparent medium. The optical eigen of the medium, especially the speed at which light travels in this case it must be known with sufficient accuracy. Otherwise, one Reference route with the optical properties of the transparent medium for the measurement needed.

Der Abstand der Ebenen liegt in einem Bereich von einigen Zentimetern bis einige Meter. Dieser Abstand soll mit hoher Genauigkeit, bis herunter zu einem Mikrometer bestimmt werden. Ausgehend von einem näherungsweisen bekannten Abstand, soll die hohe absolute Meßgenauigkeit im Bedarfsfall auch über einen großen Meßbereich, also eine Variation des Abstands von einigen Zentimetern, mit einem einzigen Meßverfahren erreicht werden können.The distance between the levels ranges from a few centimeters to a few Meter. This distance should be with high accuracy, down to a micrometer be determined. Starting from an approximately known distance, should the high absolute measurement accuracy, if necessary, even over a large one Measuring range, i.e. a variation of the distance of a few centimeters, with a only measurement method can be achieved.

5. Lösung der Aufgabe5. Solution of the task

Die beiden zu messenden Ebenen werden als optischer Resonator (Etalon) ausgeführt, z. B. durch Anbringung von je einem teildurchlässigen Planspiegel, der parallel zur zu messenden Ebene ausgerichtet ist. Gemessen wird der Abstand Lmeß zwischen den spiegelnden Schichten der beiden Planspiegel. Wird zeitlich kohärentes Licht, z. B. Laserlicht, näherungsweise senkrecht zu den Spiegeln eingestrahlt, so tritt je nach Wellenlänge λ konstruktive oder destruktive Interferenz auf. Bei kontinuierlicher Veränderung der Wellenlänge entsteht somit an beiden Ausgängen des Etalons ein mit der Wellenlänge periodisches Intensitätssignal Imeß(λ). Dieses kann mit einem Detektor gemessen werden. Zur Messung des Abstands Lmeß wird nun die Wellenlänge des Lichts von der Wellenlänge λ1 bis zur Wellenlänge λ2 durchgestimmt. Während des Durchstimmens wird die Anzahl nmeß der Perioden des Intensitätssignal am Ausgang des Etalons gezählt. Aus diesen drei Größen läßt sich der Abstand zwischen den beiden Spiegeln berechnen, es gilt:
The two levels to be measured are designed as an optical resonator (etalon), e.g. B. by attaching a partially permeable plane mirror, which is aligned parallel to the plane to be measured. The distance L meas between the reflecting layers of the two plane mirrors is measured. Is temporally coherent light, e.g. B. laser light, approximately perpendicular to the mirrors, so occurs depending on the wavelength λ constructive or destructive interference. If the wavelength changes continuously, an intensity signal I measure (λ) that is periodic with the wavelength is produced at both outputs of the etalon. This can be measured with a detector. To measure the distance L measure , the wavelength of the light is now tuned from the wavelength λ 1 to the wavelength λ 2 . During the tuning , the number n of the periods of the intensity signal at the output of the etalon is counted. The distance between the two mirrors can be calculated from these three values, the following applies:

λ1-λ2 = (λ1 2nmeß)/(Lmeß(1+(nmeßλ1)/2Lmeß))).
λ 1 -λ 2 = (λ 1 2 n measure ) / (L measure (1+ (n measure λ 1 ) / 2L measure ))).

6. Vorteile der Erfindung6. Advantages of the invention

Das besagte Verfahren und die Vorrichtung bietet folgende Vorteile:
The said method and the device offer the following advantages:

  • - Der Maßbezug zu den zu messenden Ebenen ist ausschließlich durch die in die Ebenen eingelassenen Spiegel gegeben.- The dimensional reference to the levels to be measured is exclusively through the in the Given levels embedded mirror.
  • - Die weiteren Komponenten, wie durchstimmbare Lichtquelle, Meßsysteme zur Bestimmung der Wellenlänge und Detektor, müssen nicht in mechanischem Kontakt zu den beiden zu messenden Ebenen stehen. Damit lassen sich störende Einflüsse des Meßgeräts auf das Meßobjekt wie z. B. Gewicht, Wärme, Vibrationen, Turbulenzen, Bauvolumen minimieren.- The other components, such as tunable light source, measuring systems for Determination of the wavelength and detector, do not have to be mechanical Contact the two levels to be measured. This can be annoying Influences of the measuring device on the measurement object such as. B. weight, heat, Minimize vibrations, turbulence, construction volume.
  • - Die Meßgenauigkeit hängt von der Anfangs- und Endwellenlänge λ1, λ2 und von der Anzahl der Perioden nmeß ab. Es sei erwähnt, daß die Periodenzahl nicht ganzzahlig zu sein braucht. Bei Auswertung des Intensitätsverlaufs während des Durchstimmens kann nmeß auf einen Bruchteil einer Periode genau bestimmt werden. Mit derzeit kommerziell erhältlichen Komponenten lassen sich Absolutmessungen über z. B. 1 m Abstand mit einer Genauigkeit von 1 µm realisieren.- The measuring accuracy depends on the start and end wavelength λ 1 , λ 2 and the number of periods n meas . It should be noted that the period number need not be an integer. When evaluating the intensity curve during the tuning , n measure can be determined precisely to a fraction of a period. With currently commercially available components, absolute measurements of e.g. B. 1 m distance with an accuracy of 1 micron.
7. Beschreibung von Ausführungsbeispielen7. Description of exemplary embodiments

Eine Lichtquelle 1 (Fig. 1) mit ausreichender Kohärenzlänge von mindestens 2 Lmeß mit kontinuierlich veränderbarer Wellenlänge strahlt nach Passieren der Strahlformungsoptik 2 durch das Etalon 4, welches durch die beiden teildurchlässigen Spiegel 3 und 5 gebildet ist. Diese beiden Spiegel sind in den Ebenen eingelassen, deren Abstand Lmeß 7 es zu bestimmen gilt. Der Detektor 6 befindet sich hinter dem zweiten teildurchlässigen Spiegel 5. Die Lichtquelle kann z. B. mit einem durchstimmbaren Laserdiodensystem realisiert werden.A light source 1 ( FIG. 1) with a sufficient coherence length of at least 2 L measuring with continuously variable wavelength radiates after passing through the beam shaping optics 2 through the etalon 4 , which is formed by the two partially transparent mirrors 3 and 5 . These two mirrors are embedded in the planes whose distance L measure 7 has to be determined. The detector 6 is located behind the second partially transparent mirror 5 . The light source can e.g. B. can be realized with a tunable laser diode system.

Das Etalon arbeitet auch in Reflexion, d. h. das von den Spiegeln zurückreflektierte Licht läßt sich z. B. mit einem teildurchlässigen Spiegel auf den Detektor führen. Der Detektor befindet sich somit mit den Komponenten der Lichterzeugung auf der selben Seite des Meßobjekts. Die ist aus Handhabungsgründen meist vorteilhafter.The etalon also works in reflection, i.e. H. that reflected back from the mirrors Light can be z. B. with a semi-transparent mirror on the detector. The The detector is thus located on the with the components of the light generation same side of the measurement object. This is usually more advantageous for handling reasons.

Die Lichtführung von Lichtquelle zum Meßobjekt und vom Meßobjekt zum Detektor kann als Freistrahl oder geführt in Lichtleitfasern erfolgen. Die Führung in Licht­ leitfasern ermöglicht eine einfache Ankopplung des Meßkopfs an das Meßobjekt ohne aufwendige Justagen. Am Meßobjekt muß in diesem Fall nur eine Strahlformungsoptik angebracht sein, welche das divergierende Licht am Austritt der Lichtleitfaser näherungsweise in ein Parallelbündel umformt.The routing of light from the light source to the measurement object and from the measurement object to the detector can be done as a free beam or guided in optical fibers. The guidance in light Conductive fibers enables the measuring head to be easily connected to the test object without complex adjustments. In this case, only one must be on the measurement object Beam shaping optics can be attached, which the diverging light at the exit of the Optical fiber approximately transformed into a parallel bundle.

Falls die beiden zu messenden Ebenen in unbekannter Weise gegeneinander verkippt sind, läßt sich ein Retroreflektor anstelle des in der einen Ebene eingelassenen Planspiegel verwenden.If the two levels to be measured face each other in an unknown way are tilted, a retroreflector can be used instead of one level use the embedded plane mirror.

Eine hohe Meßgenauigkeit erfordert die genaue Kenntnis der Anfangs- und der Endwellenlänge λ1 und λ2. Zweigt man einen Teil des Lichts ab, schickt dieses durch ein Referenzetalon 12 (Fig. 2) bekannter Länge Lref, und bestimmt die Anzahl der Perioden nref durch eine Intensitätsmessung Iref(λ) am Ausgang des Referenzetalons, so ergibt sich besonders einfacher Zusammenhang:
A high level of measurement accuracy requires precise knowledge of the start and end wavelengths λ 1 and λ 2 . If a part of the light is branched off, this is sent through a reference etalon 12 ( FIG. 2) of known length Lref, and the number of periods n ref is determined by an intensity measurement I ref (λ) at the exit of the reference etalon, a particularly simple relationship results :

Lmeß = Lrefnmeß/nref.L meas = L ref n meas / n ref .

Die Wellenlängen selbst müssen nicht mehr bekannt sein. Es müssen während des Durchstimmens lediglich die beiden Periodenzahlen aus den beiden Intensitäts­ signalen mit Hilfe der Detektoren 6 und 16 bestimmt werden. Befinden sich innerhalb der beiden Etalons dieselben Dielektrika, z. B. Luft, unter den selben Umgebungsbedingungen, so tritt keinerlei Verfälschung des Meßergebnisses ein. Bei den üblichen interferometrischen Verfahren ist im Falle vom Präzisionsmessungen der Einfluß der Luft gesondert zu berücksichtigen.The wavelengths themselves no longer have to be known. It is only necessary to determine the two period numbers from the two intensity signals with the aid of detectors 6 and 16 during tuning. Are the same dielectrics within the two etalons, e.g. B. air, under the same environmental conditions, there is no falsification of the measurement result. In the usual interferometric methods, the influence of air must be taken into account separately in the case of precision measurements.

Ein Ausführungsform, welche eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften kombiniert, ist in Fig. 2 dargestellt: Der Meßkopf 8 beinhaltet ein Diodenlasersystem 1, das Referenzetalon 12, und die beiden Detektoren 6 und 16. Das Referenzetalon 12 wird durch den teildurchlässigen Spiegel 13 und den Spiegel 9 gebildet. Der Strahlengang ist hier mit den beiden Spiegeln 10 und 11 gefaltet dargestellt, um eine große optische Weglänge in einem kleinem Bauraum unterzubringen. Die Lichtführung erfolgt mit Glasfasern 14, die Lichtverzweigungen durch Y-Koppler 15. Der Detektor 16 mißt das reflektierte Licht Iref(λ) des Referenzetalons 12. Die beiden Spiegel 3 und 17 bilden das Meßetalon 4 wie in Fig. 1, mit dem Unterschied, daß der Endspiegel 17 ein Vollspiegel sein kann. Der Meßkopf 8 wird über nur eine flexible Glasfaser an das Meßobjekt angeschlossen. Am Meßobjekt befindet sich die Strahlformungsoptik 2. Der Detektor 6 mißt das zurückreflektierte Licht Imeß(λ) der Meßetalons 4.An embodiment which combines a number of advantageous properties is shown in FIG. 2: The measuring head 8 contains a diode laser system 1 , the reference etalon 12 , and the two detectors 6 and 16 . The reference etalon 12 is formed by the partially transparent mirror 13 and the mirror 9 . The beam path is shown folded with the two mirrors 10 and 11 in order to accommodate a large optical path length in a small installation space. The light is guided by glass fibers 14 , the light branches by Y-couplers 15 . The detector 16 measures the reflected light I ref (λ) of the reference acetone 12 . The two mirrors 3 and 17 form the Messetalon 4 as in Fig. 1, with the difference that the end mirror 17 can be a full mirror. The measuring head 8 is connected to the measurement object via only a flexible glass fiber. The beam shaping optics 2 are located on the measurement object. The detector 6 measures the back- reflected light I measurement (λ) of the measuring metal 4 .

8. Beschreibung der Figuren8. Description of the figures Fig. 1: Abstandsmessung mit Etalon in Transmission Fig. 1: Distance measurement with etalon in transmission

11

Diodenlaser mit veränderbarer Wellenlänge
Diode laser with variable wavelength

22nd

Strahlformungsoptik
Beam shaping optics

33rd

Teildurchlässiger Spiegel des Meßetalons Partially transparent mirror of the Messetalon

44th

44th

Meßetalon
Trade fair salon

55

Teildurchlässiger Spiegel des Meßetalons Partially transparent mirror of the Messetalon

44th

66

Detektor
detector

77

Meßabstand Measuring distance

Fig. 2: Abstandsmessung mit Etalon in Reflexion und mit Referenzetalon Fig. 2: Distance measurement with etalon in reflection and with reference etalon

88th

Meßkopf
Measuring head

99

Endspiegel des Referenzetalons End mirror of the reference acetone

1212th

1010th

Faltungsspiegel
Folding mirror

1111

Faltungsspiegel
Folding mirror

1212th

Referenzetalon
Reference salon

1313

Teildurchlässiger Spiegel des Referenzetalons Partially transparent mirror of the reference acetone

1212th

1414

Glasfaser zur Lichtführung
Glass fiber for light guidance

1515

Y-Koppler zur Lichtverzweigung
Y coupler for light branching

1616

Detektor zur Messung der Lichtintensität des Referenzetalons Detector for measuring the light intensity of the reference acetone

1212th

1717th

Endspiegel des Meßetalons End mirror of the Messetalon

44th

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung des Abstandes zwischen zwei Ebenen, dadurch gekennzeichnet, daß in die beiden Ebenen je ein vollständig oder teilweise reflektierendes optisches Bauelement eingelassen ist, welche zusammen einen optischen Resonator bilden, und der Abstand zwischen den optischen Bauelementen bestimmt wird durch Zählen der Intensitätsperioden am Ausgang des Resonators bei kontinuierlicher Veränderung der Wellenlänge des eingestrahlten, ausreichend kohärenten Lichts ausgehend von einer bekannten Anfangswellenlänge λ1 bis zu einer bekannten Endwellenlänge λ2.1. A method for measuring the distance between two planes, characterized in that a completely or partially reflective optical component is let into the two planes, which together form an optical resonator, and the distance between the optical components is determined by counting the intensity periods at the output of the resonator when the wavelength of the incident, sufficiently coherent light changes continuously, starting from a known starting wavelength λ 1 to a known ending wavelength λ 2 . 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Verwendung von bekannten Wellenlängen λ1 und λ2 ein Teil des Licht abgezweigt und durch einen optischen Referenzresonator bekannter Länge geleitet wird und sich der zu bestimmende Abstand aus dem Quotienten der Intensitätsperiodenzahlen an den Ausgängen beider Resonatoren und der bekannten Länge des Referenzresonators bei der kontinuierlichen Veränderung der Wellenlänge ergibt.2. The method according to claim 1, characterized in that instead of using known wavelengths λ 1 and λ 2 , part of the light is branched off and passed through an optical reference resonator of known length and the distance to be determined from the quotient of the intensity period numbers to the Outputs of both resonators and the known length of the reference resonator results in the continuous change in wavelength. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor zur Messung der Intensitätsperioden auf der selben Seite wie die Lichtquelle bezüglich des Meßobjekts sitzt.3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the Detector for measuring the intensity periods on the same side as that Light source sits with respect to the measurement object. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Lichtweges in Lichtleitfasern geführt sind.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that parts of the light path are guided in optical fibers.
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