DE202014101699U1

DE202014101699U1 - Absolut-Entfernungs-Laserinterferometer

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Publication number: DE202014101699U1
Application number: DE202014101699.6U
Authority: DE
Original assignee: Attocube Systems AG
Current assignee: Attocube Systems AG
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2024-04-11
Also published as: US20150019160A1; JP2014228545A; JP6199801B2; EP2806246B1; EP2806246A1; US9829306B2

Abstract

Gerät zur Absolut-Entfernungsmessung, das aufweist:
eine erste durchstimmbare Lichtquelle, die ausgelegt ist, ein Licht erster Wellenlänge einer ersten durchstimmbaren Frequenz moduliert durch eine erste Modulationsfrequenz zu emittieren;
eine zweite Lichtquelle, die ausgelegt ist, ein Licht zweiter Wellenlänge einer zweiten Frequenz moduliert durch eine zweite Modulationsfrequenz zu emittieren;
einen optischen Koppler, der ausgelegt ist, das Licht erster Wellenlänge und das Licht zweiter Wellenlänge in eine Interferometerkavität einzukoppeln;
einen Interferometer-Detektor, der mit der Interferometerkavität gekoppelt ist und ausgelegt ist, ein Interferenzmesssignal basierend auf Interferometerlicht erster und zweiter Wellenlänge bereitzustellen;
eine Demodulatoreinheit, die ausgelegt ist, ein erstes Demodulationssignal basierend auf dem Interferenzmesssignal durch Demodulation mit der ersten Modulationsfrequenz und ein zweites Demodulationssignal basierend auf dem Interferenzmesssignal durch Demodulation mit der zweiten Modulationsfrequenz zu erzeugen; und
eine Recheneinheit, die ausgelegt ist, eine Absolut-Entfernung durch Auswerten des während eines Durchlaufs der ersten durchstimmbaren Frequenz erhaltenen ersten Demodulationssignals und des zweiten Demodulationssignals zu berechnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur absoluten Entfernungsmessung und insbesondere die Technologie der absoluten Entfernungsmessung durch Interferometrie.
In vielen Anwendungsbereichen ist es erforderlich, die absolute Entfernung eines Objektes mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu bestimmen. Interferometrische Messgeräte verwenden typischerweise inkrementale Verfahren zur Bestimmung des Versatzes eines Objektes mit hoher Positionsauflösung. Inkrementale Verfahren zur Positionsverfolgung eines Objektes ermöglichen es jedoch häufig nicht, die absolute Entfernung eines Objektes in wiederholbaren Messungen zu bestimmen.
EP 2 363 685 A1 offenbart ein Gerät zur Erfassung der Position mit einem konfokalen Fabry-Pérot Interferometer. Obgleich das Gerät eine hohe Genauigkeit und Messungen über lange Verschiebewege ermöglicht, erlaubt es nicht, eine absolute Entfernung in wiederholten Messungen genau zu bestimmen.
Es ist deshalb ein Ziel, ein einfaches, robustes und genaues Gerät zur Messung der absoluten Entfernung zu schaffen.
Das Ziel kann gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche erreicht werden. Variationen, Ausführungsformen und Implementierungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt kann das Gerät zur Positions- oder absoluten Entfernungsmessung eine erste durchstimmbare Lichtquelle und eine zweite Lichtquelle umfassen. Ein von der ersten durchstimmbaren Lichtquelle emittiertes Licht einer ersten Wellenlänge wird von einer ersten Modulationsfrequenz moduliert und ein von der zweiten Lichtquelle emittiertes Licht einer zweiten Wellenlänge wird von einer zweiten Modulationsfrequenz moduliert. Die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle können beispielsweise durch einen gemeinsamen Laser implementiert sein, der das Licht der ersten Wellenlänge und das Licht der zweiten Wellenlänge emittiert oder durch einen ersten Laser und einen zweiten Laser. Mittels eines optischen Kopplers werden das Licht der ersten Wellenlänge und das Licht der zweiten Wellenlänge in eine Interferometerkavität, beispielsweise eine Fabry-Pérot Interferometerkavität, gekoppelt. Ein Interferometer-Detektor ist mit der Interferometerkavität gekoppelt und ausgelegt, ein Interferenzmesssignal basierend auf den detektierten Interferenzmustern von in der Interferometerkavität erzeugten interferometrischem Licht erster und zweiter Wellenlänge zu erzeugen. Eine Demodulatoreinheit ist ausgelegt, ein erstes Demodulationssignal basierend auf dem Interferenzmesssignal durch Demodulation mit der ersten Modulationsfrequenz und ein zweites Demodulationssignal basierend auf dem Interferenzmesssignal durch Demodulation mit der zweiten Modulationsfrequenz zu erzeugen. Eine Berechnungseinheit ist ausgelegt, eine absolute Entfernung (oder Position) durch Auswerten des während eines Durchlaufs der ersten durchstimmbaren Frequenz erhaltenen ersten Demodulationssignal und durch Auswerten des zweiten Demodulationssignals zu berechnen.
Nach einem Aspekt ist eine Frequenzdurchlauf-Steuereinheit ausgelegt, die erste durchstimmbare Frequenz ein erstes Frequenzintervall durchlaufen zu lassen. Die Frequenzdurchlauf-Steuereinheit kann ausgelegt sein, eine Variation der Temperatur der ersten durchstimmbaren Lichtquelle zu steuern, um die erste durchstimmbare Frequenz durchlaufen zu lassen.
Nach einem Aspekt ist die zweite Lichtquelle (ebenfalls) eine durchstimmbare Lichtquelle, d. h. die zweite Frequenz ist eine zweite durchstimmbare Frequenz. Die Durchstimmbarkeit der zweiten Lichtquelle kann, gemäß einem Aspekt, zur Korrektur von Nichtlinearitäten von Phasenwerten, die bei Auswertung des Lichts der zweiten Längenwelle erhalten werden, eingesetzt werden. Ferner kann die Durchstimmbarkeit der zweiten Lichtquelle zur Bestimmung einer absoluten Entfernung verwendet werden oder zur Erhöhung der Genauigkeit in der Bestimmung der absoluten Entfernung.
Die beigefügten Zeichnungen sind hinzugefügt, um ein weitergehendes Verständnis von Ausführungsformen zu vermitteln. Die Zeichnungen illustrieren beispielhafte Implementierungen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung von Prinzipien der Implementierungen. Andere Implementierungen und viele der beabsichtigten Vorteile werden vollständig erkennbar, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und in Relation zueinander. Dieselben Bezugszeichen bezeichnen einander entsprechende Teile.
Nach einem Aspekt kann das Gerät zur Positions- oder Absolut-Entfernungsmessung durch Interferometrie ausgelegt sein, eine erste durchstimmbare Frequenz eines ersten Lichtes, das durch eine erste Modulationsfrequenz über ein erstes Frequenzintervall moduliert wird, durchlaufen zu lassen; das erste Licht in eine Interferometerkavität einzugeben; eine erste Phasenverschiebung durch Demodulieren eines Interferenzmesssignals, das auf einem von der Interferometerkavität erzeugten Interferometerlicht erster Wellenlänge basiert, mit der ersten Modulationsfrequenz und einer harmonischen Frequenz davon zu messen; und ein zweites Licht einer zweiten Frequenz, das von einer zweiten Modulationsfrequenz moduliert wird, in die Interferometerkavität einzugeben, wobei eine zweite Phasenverschiebung durch Demodulation eines Interferenzmesssignals, das auf einem Interferormeterlicht zweiter Wellenlänge basiert, mit der zweiten Modulationsfrequenz und einer harmonischen Frequenz davon gemessen wird; und Berechnen eines groben Wertes für die Absolut-Entfernung basierend auf dem ersten Frequenzintervall, der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung.
Das Gerät zur Positions- oder Absolut-Entfernungsmessung durch Interferometrie kann ferner ausgelegt sein, eine Interferenzmuster-Streifenzahl N_s einer synthetischen Wellenlänge Λ = λ_aλ_b/(n_aλ_b – n_bλ_a) basierend auf dem groben Wert der Absolut-Entfernung zu berechnen, wobei n_a der Brechungsindex innerhalb der Interferometerkavität bei der ersten Wellenlänge λ_a und n_b der Brechungsindex innerhalb der Interferometerkavität bei der zweiten Wellenlänge λ_b sind.
Das Gerät zur Positions- oder Absolut-Entfernungsmessung durch Interferometrie kann ferner ausgelegt sein, eine fraktionale Phase des Interferometerlichts erster Wellenlänge bei einer bekannten ersten Wellenlänge λ_a und eine fraktionale Phase des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge bei einer bekannten zweiten Wellenlänge λ_b zu messen; eine Mehrzahl von möglichen Kombinationen von N_a, N_b basierend auf dem groben Wert der Absolut-Entfernung zu bestimmen, wobei N_a die Interferenzmuster-Streifenzahl bei der bekannten ersten Wellenlänge λ_a und N_b die Interferenzmuster-Streifenzahl bei der bekannten zweiten Wellenlänge λ_b sind; und eine bestimmte Kombination von N_a, N_b aus der Mehrzahl der möglichen Kombinationen von N_a, N_b basierend auf einem Extremalprinzip und den gemessenen fraktionalen Phasen des Interferometerlichts erster und zweiter Wellenlänge zu bestimmen.
Das Gerät zur Positions- oder Absolut-Entfernungsmessung durch Interferometrie kann ferner ausgelegt sein, die zweite Frequenz der zweiten Lichtquelle ein zweites Frequenzintervall durchlaufen zu lasen; zwei fraktionale Phasen des Interferometerlichts erster Wellenlänge bei einer bekannten ersten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_a,s und einer bekannten ersten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_a,e zu messen und zwei fraktionale Phasen des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge bei einer bekannten zweiten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_b,s und eine bekannte zweiten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_a,e zu messen; und einen Satz von ersten Kombinationen von N_a,s, N_b,s und einen Satz von zweiten Kombinationen von N_a,e, N_b,e basierend auf dem groben Wert der Absolut-Entfernung zu berechnen, wobei N_a,s, N_b,s die Interferenzmusterzahlen bei dem Frequenzdurchlaufstart der ersten Wellenlänge λ_a,s bzw. dem Frequenzdurchlaufstart der zweiten Wellenlänge λ_b,s sind und wobei N_a,e, N_b,e die Interferenzmusterzahlen bei dem Frequenzdurchlaufende der ersten Wellenlänge λ_a,e bzw. dem Frequenzdurchlaufende der zweiten Wellenlänge λ_a,e sind; und eine bestimmte Kombination von N_a,s, N_b,s aus dem Satz von ersten Kombinationen und eine bestimmte Kombination von N_a,e, N_b,e aus dem Satz von zweiten Kombinationen basierend auf einem Extremalprinzip, den zwei fraktionalen Phasen des Interferometerlichts erster Wellenlänge und den zwei fraktionaler Phasen des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge zu bestimmen.
Im Folgenden wird die hier eingesetzte Interferometrie für Positions- oder Absolut-Entfernungsmessungen in beispielhafter Weise anhand eines Fabry-Pérot Interferometers, das eine Fabry-Pérot Interferometerkavität verwendet, beschrieben. Es kann jedoch ein jeglicher Typ eines Interferometers oder einer Interferometerkavität eingesetzt werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Geräts 100 für die Absolut-Entfernungsmessung.
2 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung eines Gerätes 200 für eine Absolut-Entfernungsmessung.
3 zeigt einen Graph, der einen Wellenlängendurchlauf durch Durchlaufen der ersten durchstimmbaren Frequenz der ersten durchstimmbaren Lichtquelle zeigt.
4A zeigt einen Graph, der eine schematische Signaländerung eines Messsignals S_a und eines Quadratur-Messsignals SQ_a während eines Frequenzdurchlaufs der ersten durchstimmbaren Lichtquelle zeigt.
4B zeigt einen Graph, der eine schematische Phasenänderung während des Frequenzdurchlaufs der 4A zeigt.
5A zeigt einen Graph, der die schematische Signaländerung eines Messsignals S_b und eines Quadratur-Messsignals SQ_b zeigt, wenn die Kavität während eines Wellenlängendurchlaufs der ersten durchstimmbaren Lichtquelle driftet.
5B zeigt einen Graph, der eine schematische Phasenänderung zeigt, wenn die Kavität während des Wellenlängendurchlaufs der ersten durchstimmbaren Lichtquelle der 5A driftet.
6 zeigt einen Graph, der ein schematisches Demodulationssignal U zeigt, welches durch einen Frequenzdurchlauf zwischen verschiedenen Absorptionslinien eines Gases in einer Gaszelle erhalten wird.
7 zeigt Signaländerungen (linker Teil) und Phasenänderungen (rechter Teil) eines Interferenzmesssignals, wenn zwei Wellenlängen in eine Fabry-Pérot Interferometerkavität eingekoppelt werden, und zeigt schematisch in beispielhafter Weise einen synthetische Wellenlängenansatz zur Berechnung der Absolut-Entfernung eines Objektes basierend auf einer Interferenzmusterzahl N_s der synthetischen Wellenlänge und einer Interferenzmusterzahl N_b des Lichts der zweiten Wellenlänge.
8A zeigt einen Graph, der schematisch die gemessenen Phasen Φ_a, Φ_b des Lichts der ersten und zweiten Wellenlängen und die gemessene Phase Φ_s der synthetischen Wellenlänge sowie auch eine korrigierte Phase Φ_s,corr der synthetischen Wellenlänge, die um Nichtlinearitäten der Phasen des Lichts der ersten und zweiten Wellenlängen korrigiert wurde, zeigt.
8B zeigt einen Graph, der einen vergrößerten Abschnitts des Graphen der 8A bei Verwendung einer Vergrößerung der Phasenskala zeigt.
9 zeigt einen Graph, der 4π periodische Nichtlinearitätskurven von Φ_a und Φ_b zeigt, die durch einen Frequenzdurchlauf der ersten durchstimmbaren Lichtquelle und einen Frequenzdurchlauf der zweiten durchstimmbaren Lichtquelle erhalten wurden.
10 zeigt einen Graph, der die optische Weglänge zeigt, die durch eine Absolut-Entfernungsmessung über der Zeit erhalten wurde, einschließlich eines kompletten Abschaltens und eines Neustarts des Interferometergerätes.
Es versteht sich, dass die Merkmale der hier beschriebenen verschiedenen exemplarischen Implementierungen miteinander kombiniert werden können, außer wenn anderes angegeben ist. Insbesondere können die Merkmale der in den 1 und 2 gezeigten Implementierung kombiniert werden, und 2 kann optional als eine detailliertere Implementierung des Gerätes 100 der 1 aufgefasst werden. Ferner werden im Folgenden zwei Ansätze zum Auswerten von Messdaten und zum Berechnen einer Absolut-Entfernung in beispielhafter Weise exemplarisch beschrieben, nämlich der synthetische Wellenlängenansatz (SWA) und der kombinatorische Interferenzmusterstreifenzahlansatz (CFNA). Diese beiden Ansätze können beispielsweise kombiniert werden. Beispielsweise kann die Berechnung einer groben Absolut-Entfernung oder einer Zwischenabsolut-Entfernung durch den SWA benutzt werden, um den Bereich möglicher Interferenzmuster-Zahlenkombinationen in dem CFNA zu bestimmen. Andere Beispiele zur Kombination dieser beiden Ansätze sind ebenfalls möglich und von der Offenbarung hierin abgedeckt.
Bezugnehmend auf 1 ist ein Gerät 100 zur Absolut-Entfernungsmessung dargestellt. Das Gerät 100 kann eine erste durchstimmbare Lichtquelle 110, bezeichnet mit A, und eine zweite Lichtquelle 120, bezeichnet mit B, umfassen. Die erste durchstimmbare Lichtquelle 110 kann ausgelegt sein, Licht einer ersten Wellenlänge λ_a einer ersten durchstimmbaren Frequenz zu emittieren, und die zweite Lichtquelle 120 kann ausgelegt sein, Licht einer zweiten Wellenlänge λ_b einer zweiten Frequenz zu emittieren. Das Licht der ersten Wellenlänge kann durch eine erste Modulationsfrequenz f_a moduliert werden und das Licht der zweiten Wellenlänge kann durch eine zweite Modulationsfrequenz f_b moduliert werden. Die erste Modulationsfrequenz f_a und die zweite Modulationsfrequenz f_b sind unterschiedlich. Im Folgenden werden die Indizes a, b verwendet, um zwischen Größen zu unterscheiden, die sich auf die erste durchstimmbare Lichtquelle 110 (Lichtquelle A) bzw. die zweite Lichtquelle 120 (Lichtquelle B) beziehen.
Das erste Licht der ersten durchstimmbaren Lichtquelle 110 kann beispielsweise durch eine optische Faser 111 zu einem optischen Koppler 130 geführt werden, und dass von der zweiten Lichtquelle 120 emittierte zweite Licht kann beispielsweise über eine optische Faser 121 zu beispielsweise dem selben optischen Koppler 130 geleitet werden. Der optische Koppler 130 kann ausgelegt sein, das erste Licht und das zweite Licht einander zu überlagern. Das überlagerte erste und zweite Licht kann beispielsweise über eine optische Faser 131 zu einer Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 geführt werden. Sämtliche optische Fasern 111, 121, 131 können beispielsweise SMFs (single mode fibers) sein.
Die Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 kann einen ersten Resonatorspiegel 141 und einen zweiten Resonatorspiegel 142 aufweisen. Der erste Resonatorspiegel 141 kann semitransparent sein und einen Teil des einfallenden Lichts zurückreflektieren. Der andere Teil durchläuft den ersten Resonatorspiegel 141 und die Resonatorkavität und wird an dem zweiten Resonatorspiegel 142 reflektiert. Abhängig von dem speziellen Typ der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 wird das reflektierte Licht entweder von dem ersten Resonatorspiegel 141 teilweise zurück in die optische Faser 131 geschickt oder in die Resonatorkavität zurückreflektiert, um eine oder mehrere Hin- und Rück-Durchläufe durch den Resonator auszuführen. Im Folgenden wird die Anzahl der (Hin- und Rück-)Durchläufe durch den Resonator mit p bezeichnet.
Die Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 kann insbesondere als eine konfokale Fabry-Pérot Interferometerkavität ausgelegt sein, wie sie beispielsweise in EP 2 363 685 A1 beschrieben ist. Eine konfokale Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 kann p = 2 oder mehr verwenden. Ferner ist die Konfokaleigenschaft eines solchen Interferometer-Resonators stark abhängig von dem Neigungswinkel des zweiten Resonatorspiegels 142. Da der zweite Resonatorspiegel 142 mit einem zu versetzenden Objekt gekoppelt sein kann, kann die Stabilität gegenüber Fehlausrichtung, die beispielsweise durch Vibration oder Bewegung des Objektes hervorgerufen sein kann, eine wichtige Eigenschaft in vielen Anwendungen sein, insbesondere wenn lange Verschiebungswege eines Objektes überwacht werden sollen. Die Offenbarung von EP 2 363 685 A1 bezüglich eines konfokalen Fabry-Pérot Interferometers für Verschiebungswege größer als einige Millimeter oder Zentimeter wird durch Bezugnahme dem Offenbarungsgehalt dieser Schrift hinzugefügt.
Das Gerät 100 kann ferner einen Interferometer-Detektor 150 aufweisen, der mit der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 gekoppelt ist und ausgelegt ist, wenigstens ein Interferenzmesssignal 151 basierend auf einem detektierten Interferenzmuster zu liefern. Der Interferometer-Detektor 150 kann beispielsweise mit der optischen Faser 131 gekoppelt sein, in welcher von der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 reflektiertes Licht verfügbar ist. Das von der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 reflektierte Licht kann sich aus einer Überlagerung des von dem ersten Resonatorspiegel 141 reflektierten Lichts mit dem von dem zweiten Resonatorspiegel 142 reflektierten Licht ergeben. In diesem Fall kann die Überlagerung an dem ersten Resonatorspiegel 141 auftreten. In anderen Ausführungsformen kann der Interferometer-Detektor 150 mit der Fabry-Pérot Interferometerkavität gekoppelt sein, um das von der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 transmittierte Licht zu detektieren. In beiden oder auch anderen Fällen basiert das von dem Interferometer-Detektor 150 gelieferte Interferenzmesssignal 151 auf einem detektierten Interferenzmuster von Interferenzlicht, das von der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 ausgegeben wird.
Das Gerät 100 kann ferner einen Auswerteschaltkreis 180 umfassen. Der Auswerteschaltkreis 180 kann eine Demodulatoreinheit 160 und eine Recheneinheit 170 aufweisen. Der Interferometer-Detektor 150 kann mit der Demodulatoreinheit 160 gekoppelt sein, um das Interferenzmesssignal 151 in die Demodulatoreinheit 160 einzuspeisen. Die Demodulatoreinheit 160 kann ausgelegt sein, ein erstes Demodulationssignal 161a, das der ersten Modulationsfrequenz f_a zugeordnet ist, und ein zweites Demodulationssignal 161b, das der zweiten Modulationsfrequenz f_b zugeordnet ist, zu erzeugen. Infolgedessen, während die erste durchstimmbare Lichtquelle 110, die mit der ersten Modulationsfrequenz f_a moduliert wird, und die zweite Lichtquelle 120, die mit der zweiten Modulationsfrequenz f_b moduliert wird, in Kombination mit dem optischen Koppler 130 eine „Frequenz-Multiplexierung” herbeiführen, bewirkt die Demodulatoreinheit 160 eine „Frequenz-Demultiplexierung”. Wie im Folgenden detaillierter beschrieben gewinnt das erste Demodulationssignal 161a die Phase Φ_a zwischen dem Messlicht des ersten Lasers 110, das von dem (beweglichen) zweiten Resonatorspiegel 142 reflektiert wird, und dem Referenzlicht der ersten Lichtquelle 110, das von dem ersten Resonatorspiegel 141 reflektiert wird, rück. In analoger Weise gewinnt das Demodulationssignal 161b die Phase Φ_b zwischen dem Messlicht des zweiten Lasers 120, das durch den (beweglichen) zweiten Resonatorspiegel 142 reflektiert wird, und das Referenzlicht der zweiten Lichtquelle 120, das von dem ersten Resonatorspiegel 141 reflektiert wird, rück.
Das erste Demodulationssignal 161a und das zweite Demodulationssignal 161b können in die Recheneinheit 170 eingespeist werden. Die Recheneinheit 170 kann ausgelegt sein, eine Absolut-Entfernung x₁ durch Auswertung des während eines Durchlaufs der ersten durchstimmbaren Frequenz erhaltenen ersten Demodulationssignals 161a und durch Auswertung des zweiten Demodulationssignals 161b zu berechnen. Ferner, sofern die zweite Lichtquelle durchstimmbar ist, kann die Recheneinheit 170 ausgelegt sein, die Absolut-Entfernung x₁ durch weiteres Auswerten des während eines Durchlaufs der zweiten durchstimmbaren Frequenz erhaltenen zweiten Demodulationssignals 161b zu berechnen.
Wie im Folgenden genauer erläutert, kann die Berechnung der Absolut-Entfernung x₁ ohne die Verwendung irgendeiner Referenzlänge oder eines Längenstandards durchgeführt werden, was in konventionellen Techniken erforderlich ist, um eine Absolut-Entfernungsmessung zu erhalten. Ferner wird kein (zweites) Referenzinterferometer benötigt, um die Absolut-Entfernungsmessung zu erhalten. Durch Verwendung der Technik der Frequenz-Multiplexierung in Kombination mit einer Fabry-Pérot Interferometerkavität kann eine sehr einfache, robuste und kostengünstige Vorrichtung realisiert werden ohne die Notwendigkeit, beispielsweise optische Filter, Kavitätsstrahlteiler, eine hohe Anzahl von Interferometer-Detektoren, usw., einzusetzen.
2 zeigt ein exemplarisches Gerät 200 zur Absolut-Entfernungsmessung. In Bezug auf das Gerät 100 werden in 2 in beispielhafter Weise speziellere Implementierungen der ersten durchstimmbaren Lichtquelle 110, der zweiten Lichtquelle 120, des optischen Kopplers 130, der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140, des Interferometer-Detektors 150, der Demodulatoreinheit 160 und der Recheneinheit 170 gezeigt. Es versteht sich, dass diese spezielleren Einheiten lediglich exemplarisch sind und wahlweise mit dem Gerät 100 kombiniert oder in dieses eingefügt werden können. Das Gerät 200 kann ferner einen Lasersteuerschaltkreis 210 umfassen. Üblicherweise kann ein Steuerschaltkreis (nicht gezeigt) mit einer oder mehreren der Funktionen des Lasersteuerschaltkreises 210 ebenfalls verwendet werden, um die erste durchstimmbare Lichtquelle 110 und die zweite Lichtquelle 120 in dem Gerät 100 zu steuern.
Die ersten und zweiten Lichtquellen 110, 120 können durch einen oder mehrere Laser, beispielsweise Diodenlaser A bzw. B, implementiert sein. Der optische Koppler 130 kann beispielsweise einen ersten Koppler 231, einen zweiten Koppler 232, einen dritten Koppler 233 und/oder einen vierten Koppler 234 umfassen. Der erste Laser 110 (Laser A) kann mit dem ersten Koppler 231 gekoppelt sein und der zweite Laser 120 (Laser B) kann mit dem zweiten Koppler 232 gekoppelt sein. Der erste Koppler 231 und der zweite Koppler 232 können jeweils einen Ausgang an den dritten Koppler 233 liefern, der eine Frequenz-Multiplexierung herbeiführen kann. Ein weiterer Ausgang des ersten Kopplers 231 kann mit einer ersten Gaszelle 235 verbunden sein und weiterer Ausgang des zweiten Kopplers 232 kann mit einer zweiten Gaszelle 236 verbunden sein. Ein Ausgang des dritten Kopplers 233 kann beispielsweise über den vierten Koppler 234 mit einem Eingang eines Interferometerkopfes 243 der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 verbunden sein. Der Interferometerkopf 243 kann mit dem Ausgang des vierten Kopplers 234 über die optische Faser 131, beispielsweise eine SMF, gekoppelt sein.
Der Interferometerkopf 243 kann den ersten Resonatorspiegel 141 und beispielsweise einen Kollimator 244 aufweisen. Der erste Resonatorspiegel 141 kann beispielsweise durch die Lichtaustrittsoberfläche des Kerns der optischen Faser 131 gebildet sein, die zu dem Interferometerkopf 243 führt. Der Kollimator 244 kann ein paralleles Lichtbündel in die Resonatorkavität 140 liefern. Der zweite Resonatorspiegel 142 kann beweglich sein und ist dargestellt, von der Absolut-Entfernung x₁ zu der Absolut-Entfernung x₂ versetzt zu werden. Der Nullpunkt der Absolut-Entfernungsmessung kann durch den ersten Resonatorspiegel 141 definiert sein. Die Interferenz findet an dem ersten Resonatorspiegel 141, beispielsweise an der Lichtaustrittsoberfläche (Endfläche) der optischen Faser 131 statt.
Der erste Laser 110 und der zweite Laser 120 können beide stabilisierte Laser sein. Ferner können einer oder beide dieser Laser 110, 120 durchstimmbar sein, um einen Frequenzdurchlauf von einer Frequenzdurchlauf-Startfrequenz zu einer Frequenzdurchlauf-Endfrequenz zu ermöglichen. Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass jeder der Laser 110 und 120 moduliert wird, um eine Frequenz-Multiplexierung zur Wiedererlangung der laserspezifischen Phaseninformationen von dem von der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 reflektierten Licht zu erhalten. Diese Aspekte werden nun in beispielhafter Weise für den ersten Laser 110 beschrieben. Dasselbe kann für den zweiten Laser 120 gelten, wird jedoch aus Gründen der Kürze hier nicht wiederholt.
Das von dem Durchstimmbereich der ersten durchstimmbaren Frequenz entsprechend der Wellenlänge λ_a definierte Frequenzband ist von der zweiten Frequenz entsprechend der Wellenlänge λ_b beabstandet. Sofern die zweite Frequenz ebenfalls eine durchstimmbare Frequenz ist, kann das von dem Durchstimmbereich der zweiten durchstimmbaren Frequenz definierte zweite Frequenzband von dem ersten Frequenzband der ersten durchstimmbaren Frequenz beabstandet sein, d. h. beide Frequenzbänder können nicht überlappend sein.
Die von dem ersten Laser 110 emittierte Wellenlänge λ_a kann über einen Rückkoppelschaltkreis gesteuert werden. Beispielsweise kann der Lasersteuerschaltkreis 210 einen Demodulator (DEMOD 5) 211a, einen Controller (PID A) 212a, eine Wellenlängesteuereinheit (CONa) 213a, einen Oszillator 214a und beispielsweise einen Komparator 215a aufweisen. Der Oszillator 214a kann die erste Modulationsfrequenz ω_a = 2πf_a erzeugen. Der Demodulator 211a demoduliert ein von dem ersten Detektor 237 (beispielsweise einer Gaszellen-Photodiode) empfangenes Signal unter Verwendung der ersten Modulationsfrequenz ω_a. Insofern liefert der Demodulator 211a die Rückkoppel-Regelgröße durch Demodulation des Signals von dem ersten Detektor 237. Der Komparator 215a kann die Regelgröße mit einem Einstellpunkt (beispielsweise 0) vergleichen und die Differenz davon ausgeben. Der Controller 212a kann ein Steuersignal berechnen, das zu der Wellenlängensteuereinheit 213a geleitet wird. Die Wellenlängensteuereinheit 213a steuert die Laserwellenlänge. Beispielsweise kann die Laserwellenlängensteuerung die Steuerung des Laserstroms oder der Lasertemperatur oder beides umfassen. Beispielsweise kann der Frequenzdurchlauf des ersten Lasers 110 auf der Steuerung der Lasertemperatur basieren, d. h. die Laserwellensteuerung kann ausgelegt sein, eine gesteuerte Temperaturrampe zu schaffen. Die Laserwellenstabilisierung (die ebenfalls während des Frequenzdurchlaufs durchgeführt werden kann) kann auf der Steuerung des Laserstroms basieren. Ferner kann eine Laserstrom-Modulation verwendet werden, um die Laserwellenlänge λ_a mit der ersten Modulationsfrequenz ω_a zu modulieren.
Der Lasersteuerschaltkreis 210 kann ferner einen Demodulator (DEMOD 6) 211b, einen Controller (PID B) 212b, eine Wellenlängesteuereinheit (CONb) 213b, einen Oszillator 214b und einen Komparator 215b aufweisen. Diese Einheiten können funktionell äquivalent mit den entsprechenden Einheiten 211a, 212a, 213a, 214a bzw. 215a sein, und es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Insofern kann der Demodulator 211b ein Signal von dem zweiten Detektor (beispielsweise Gaszellen-Photodiode) 238 empfangen, und der Oszillator 214b kann die zweite Modulationsfrequenz ω_b = 2πf_b erzeugen.
Der Lasersteuerschaltkreis 210 kann ferner einen Trigger 216a zum Auslösen eines Frequenzdurchlaufbetriebs des ersten Lasers 110 aufweisen. Ein entsprechender Trigger (nicht dargestellt) kann in dem Lasersteuerschaltkreis 210 enthalten sein, sofern ein Frequenzdurchlaufbetrieb auch mit dem zweiten Laser 120 durchgeführt werden soll. Falls der zweite Laser 120 ebenfalls ausgelegt ist, einen Frequenzdurchlauf auszuführen, kann die Temperatursteuerung des zweiten Lasers 120 es ferner ebenfalls erforderlich machen, eine gesteuerte Temperaturrampe zu schaffen, ansonsten ist dies nicht erforderlich.
Implementierungen des Lasersteuerschaltkreises 210, die unterschiedlich zu der in 2 gezeigten Implementierung sind, sind möglich. Im Allgemeinen kann der Lasersteuerschaltkreis 210 zwei Rückkoppelschleifen zur Verfügung stellen, die beide Laser 110, 120 an unterschiedlichen Frequenzen einer Wellenlängenreferenz festlegen. Wenn eine oder mehrere Gaszellen 235, 236 als Wellenlängenreferenzen verwendet werden, können beiden Laser 110, 120 bei unterschiedlichen Absorptionslinien des Gases oder der Gase, die in den Gaszellen 235, 236 enthalten sind, festgelegt werden. Diese Laserstabilisierungs-Rückkoppelschleifen können kontinuierlich auf der Basis einer Laserstromsteuerung betrieben werden. Ein Frequenzdurchlauf kann durchgeführt werden, indem die Temperatur an dem jeweiligen Laser 110, 120 von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur erhöht wird. Ferner kann die Laserwellenlängen-Modulation durch Laserstrom-Modulation des Laserstroms, der durch die jeweilige Laserstabilisierungs-Rückkoppelschleife gesteuert wird, durchgeführt werden.
Die 3 und 6 zeigen in beispielhafter Weise wie ein Frequenzdurchlauf der Laser 110, 120 ausgeführt werden kann. Exemplarisch wird der erste Laser 110 zur Erläuterung betrachtet. Die Startzeit t = 0 des Frequenzdurchlaufs wird beispielsweise durch den Trigger 216a ausgelöst.
Beginnend zu der Frequenzdurchlauf-Startzeit t = 0 und fortfahrend bis zu der Frequenzdurchlauf-Endzeit t = T wird die Lasertemperatur des Lasers 110 gesteuert, um sich von T₁ auf T₂ zu verändern. Die Temperaturdifferenz T₂ – T₁ zwischen T₂ und T₁ kann beispielsweise gleich oder größer als 5°C, 10°C oder, beispielsweise 14°C, wie beispielsweise in 6 verwendet, sein.
Um eine definierte Wellenlängenverschiebung zu erzeugen, wird die Laserwellenlänge λ_a bei unterschiedlichen Absorptionslinien der ersten molekularen Absorptionsgaszelle 235 während des Durchlaufs festgelegt. 6 zeigt exemplarisch das Wellenlängendurchlauf-Demodulationssignal einer Acetylen 12 molekularen Absorptionsgaszelle, wenn die Temperatur von T₁ auf T₂ geändert wird. Die Lasertemperatursteuerung kann die Laserwellenlänge innerhalb des Temperatursteuerungsintervalls 601 bei der Temperatur T₁ und in dem Temperatursteuerungsintervall 602 bei der Temperatur T₂ halten, jedoch beispielsweise nicht innerhalb der erforderlichen Wellenlängengenauigkeit. Aus diesem Grund kann die Wellenlänge auf beispielsweise ein 0 V Demodulationssignal mittels der oben erläuterten Rückkoppelschleife festgelegt werden. Die Rückkoppelschleife steuert den empfindlicheren Laserstrom und legt die Wellenlänge an einer Absorptionslinie fest, wobei eine Stabilität der Laserwellenlänge λ_a und λ_b bei jeder Absorptionslinie in der Größenordnung von beispielsweise δλ/λ = 10^–7 erreicht wird. Es versteht sich, dass die Wellenlängenreferenzen (beispielsweise die Gaszellen 235, 236) nicht nur verwendet werden können, um die Laserwellenlängen λ_a, λ_b zu stabilisieren, sondern auch eine absolute Wellenlängen-Kalibrationsreferenz liefern können. Auf diese Weise können die Laserwellenlängen λ_a und λ_b als die Absorptions-Wellenlängen definiert werden, die gut bekannt sind.
Beispielsweise könnte der erste Laser 110 (Laser A) an der Absorptionslinie R17 von Acetylen 12 mit einer Wellenlänge von 1516,44130 nm festgelegt werden und der zweite Laser 120 (Laser B) könnte an der Absorptionslinie P17 von Acetylen 12 mit einer Wellenlänge von 1535,3928 nm festgelegt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den ersten Laser 110 an der oben erwähnten Absorptionslinie R17 von Acetylen 12 festzulegen und den zweiten Laser 120 an der Absorptionslinie P18 von Acetylen 13 mit einer Wellenlänge von 1543,6237 nm festzulegen. In beiden und auch in anderen Fällen ist der Wellenlängendurchlaufbereich des ersten Lasers 110 oder, sofern eingesetzt, der Wellenlängendurchlaufbereich des zweiten Lasers 120 signifikant kleiner als der Wellenlängenabstand zwischen den Absorptionslinien, an denen die jeweiligen Laser 110, 120 festgelegt (eingerastet) werden.
Die Demodulatoreinheit 160 kann einen ersten Demodulator (DEMOD 1) 261 und einen zweiten Demodulator (DEMOD 2) 262 aufweisen. Der Demodulator 261 und der Demodulator 262 können mit dem die erste Modulationsfrequenz ω_a erzeugenden Oszillator 241a gekoppelt sein. Der erste Demodulator 261 kann ausgelegt sein, das von dem Interferometer-Detektor (D3) 250 (der dem Interferometer-Detektor 150 der 1 entspricht) gelieferte Messsignal mit der ersten Modulationsfrequenz ω_a zu demodulieren, und der zweite Demodulator 262 kann ausgelegt sein, das Messsignal mit einer Harmonischen der ersten Modulationsfrequenz, beispielsweise mit 2ω_a zu demodulieren. Insofern können beispielsweise die ersten und zweiten Demodulatoren 261, 262 mit einem Ausgang des Oszillators 214a gekoppelt sein.
Die Demodulatoreinheit 160 kann ferner einen dritten Demodulator (DEMOD 3) 263 und einen vierten Demodulator (DEMOD 4) 264 aufweisen. Der dritte Demodulator 263 und der vierte Demodulator 264 können an einen Ausgang des Oszillators 214b gekoppelt sein. Der dritte Demodulator 263 kann ausgelegt sein, das Interferenzmesssignal mit der zweiten Modulationsfrequenz ω_b zu demodulieren und der vierte Demodulator 264 kann ausgelegt sein, das Interferenzmesssignal mit einer Harmonischen der zweiten Modulationsfrequenz, beispielsweise mit 2ω_b, zu demodulieren.
Insofern kann ein Quadratur-Detektionsverfahren eingesetzt werden, bei welchem der erste Demodulator 261 ein der ersten Laserwellenlänge zugeordnetes Demodulationssignal erzeugt und der zweite Demodulator 262 ein der um 90° verschobenen ersten Wellenlänge zugeordnetes Demodulationssignal erzeugt. Diese beiden Demodulationssignale werden beispielsweise einem ersten Prozessor (P1) 271 der Recheneinheit 170 zugeleitet. Der erste Prozessor 271 kann ausgelegt sein, die der ersten Laserwellen λ_a zugeordnete erste Interferometerphase Φ_a basierend auf den Ausgängen der ersten und zweiten Demodulatoren 261, 262 rückzugewinnen. Zu diesem Zweck kann der erste Prozessor 271 beispielsweise auf den Look-up Tabellenspeicher (LUT) zugreifen, der vorgesehen sein kann, um die (gemessene) von dem ersten Prozessor 271 berechnete reale Phase um ihre Nichtlinearitäten zu korrigieren. Die Phasenkorrektur der realen Phasen um ihre Nichtlinearitäten wird weiter unten erläutert. Der erste Prozessor 271 kann eine zeitabhängige Phase Φ_a(t) des der ersten Wellenlänge λ_a zugeordneten Interferenzmusters ausgeben.
Der dritte Demodulator 263 und der vierte Demodulator 264 sind ausgelegt, gemäß der den ersten Demodulator 261 und den zweiten Demodulator 262 betreffenden Offenbarung zu arbeiten, außer dass die zweite Laserfrequenz ω_b anstelle der ersten Laserfrequenz ω_a verwendet wird. Der Ausgang des dritten Demodulators 263 und der Ausgang des vierten Demodulators 264 können beispielsweise zu einem zweiten Prozessor (P2) 272 der Recheneinheit 170 geleitet werden. Der zweite Prozessor 272 ist ausgelegt, eine zeitabhängige Phase Φ_b(t) basierend auf den Ausgängen des dritten und des vierten Demodulators 263, 264 zu berechnen. Wiederum kann auf eine Look-up Tabelle (LUT) beispielsweise von dem zweiten Prozessor 272 zugegriffen werden, um die berechnete reale Phase um in ihr enthaltene Nichtlinearitäten zu korrigieren.
Die Recheneinheit 170 kann die zeitabhängige Absolut-Entfernung x(t) basierend auf den Phasen Φ_a(t) und Φ_b(t) ermitteln. Beispielsweise werden die Phasen Φ_a(t) und Φ_b(t) einem dritten Prozessor 273 (P3) der Recheneinheit 170 zugeleitet. Der dritte Prozessor 273 kann ausgelegt sein, die zeitabhängige Absolut-Entfernung x(t) zu ermitteln. Wie im Folgenden genauer beschrieben, sind eine Vielzahl von Verfahren und Variationen derselben verfügbar, um die Absolut-Entfernung x(t) zu berechnen. In jedem dieser Verfahren wird mindestens ein Frequenzdurchlauf (beispielsweise ein Frequenzdurchlauf des ersten Lasers 110) benötigt. Ferner wird in zumindest einigen dieser Verfahren auch ein Frequenzdurchlauf des zweiten Lasers 120 durchgeführt.
Im Folgenden werden die Prinzipien einer Absolut-Entfernungsmessung erläutert. Zunächst wird nur ein Laser (beispielsweise der erste Laser 110 oder der zweite Laser 120) betrachtet, und Indizes a, b werden zur Erleichterung der Notation weggelassen. Die Intensität (beispielsweise die optische Leistung) des von der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 erzeugten sinusförmigen Interferenzmusters kann näherungsweise durch die Gleichung I(Φ) = I₀(1 + Vcos(Φ)), (1) ausgedrückt werden, wobei V der Interferenzkontrast, I₀ die mittlere optische Leistung und Φ die optische Phasenverzögerung zwischen dem von dem (beweglichen) zweiten Resonatorspiegel 142 reflektierten Messlicht und dem von dem ersten Resonatorspiegel 141 reflektierten Referenzlicht sind. Diese Phasenverzögerung Φ, die im Folgenden auch als Phase bezeichnet wird, ist gegeben durch Φ = 4πpnx/λ, (2) wobei x die aktuelle Kavitätslänge (in 1 mit x₁ bezeichnet) ist, λ die Laserwellenlänge ist, n der Brechungsindex des Mediums innerhalb der Interferometerkavität 140 ist und p angibt, ob der Messmodus ein Einzeldurchlauf (p = 1) oder ein Doppeldurchlauf (p = 2), oder irgend etwas anderes ist.
Der Versatz bzw. Verschiebeweg Δx des sich bewegenden zweiten Resonatorspiegels 142 (oder, allgemeiner, die Längenänderung des Resonators) ist direkt proportional zu der Phasenänderung ΔΦ gemäß Δx = (λ/4πpn)ΔΦ. (3)
Weiterhin lediglich einen Laser betrachtend, kann die Länge der Interferometerkavität erhalten werden, indem die Wellenlänge λ dieses Lasers durchlaufen wird und die entsprechende Phasenänderung ΔΦ gemessen wird. Die optische Wegdifferenz x_fti zwischen dem Messlicht und dem Referenzlicht ist proportional zu der Phasendifferenz ΔΦ_fti gemessen beim Ändern der Laseremissionsfrequenz von ν_max zu ν_min und ist indirekt proportional zu dem Frequenzabstand Δν_fti = ν_max – ν_min gemäß x_fti = ΔΦ_ftic/(4πpnΔν_fti), (4) wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Gleichung (3) zeigt, dass ein sehr großer Durchstimmbereich benötigt wird, um den Gesamtfehler δx/x auf gleich oder kleiner als etwa 10^–7 oder 10^–8 zu reduzieren, was gemäß der Offenbarung hierin erreicht werden kann. Ein Laser mit einem ausreichend großen Durchstimmbereich könnte für die meisten kommerziellen Zwecke zu teuer sein. Der Durchstimmbereich Δλ_fti von heutigen kostengünstigen aber noch genauen Halbleiter-Diodenlasern liegt typischerweise in der Größenordnung von etwa δλ/λ = 10^–3. Beispielsweise können gemäß der Offenbarung hierin Halbleiter-Diodenlaser 110, 120 mit einem Durchstimmbereich Δλ_fti von beispielsweise gleich oder weniger als δλ/λ = 10^–2 oder 10^–3 eingesetzt werden.
Wenn lediglich ein Laser verwendet wird, würde insofern die Wiederholbarkeit der Wellenlängendurchlaufmessung, die wichtig ist, um eine bestimmte Position wieder aufzufinden, aufgrund verschiedener Fehlerquellen auf eine Genauigkeit δx/x in der Größenordnung von 10^–4 beschränkt sein. Eine Fehlerquelle stellen periodische Nichtlinearitäten dar, was bedeutet, dass die gemessene Verschiebung nicht direkt proportional zu der tatsächlichen Verschiebung ist, sondern dass Abweichungen bestehen, die sich periodisch mit einer Entfernung proportional zu der Wellenlänge wiederholen. Solche Phasenabweichungen können periodisch mit 2π oder 4π sein, abhängig von der Reflektorausrichtung. Die 2π periodischen Nichtlinearitäten können durch eine Mehrfachreflexion des Laserstrahls innerhalb der Interferometerkavität 140 und durch eine nicht sinusförmige Transferfunktion der Wellenlängenmodulation hervorgerufen werden, wobei die 4π periodischen Nichtlinearitäten durch eine Doppelmodulation hervorgerufen werden können, die auf eine Reflektorfehlausrichtung zurückzuführen ist, was bedeutet, dass ein Teil des Lichtes die Kavität einmal durchläuft und der andere Teil diese zweimal durchläuft. Andere Fehlerquellen sind Wellenlängenunsicherheiten, die beispielsweise auf der Laserwellenlänge-Stabilisationsrückkoppelschleife beruhen, und ein Phasenrauschen, das hauptsächlich durch parasitäre Kavitäten innerhalb des optischen Faserschaltkreises hervorgerufen wird.
Ferner kann ein signifikanter Messfehler durch Kavitätsdrifts während dem Frequenzdurchlauf (der im Folgenden auch als Wellenlängendurchlauf bezeichnet wird) erzeugt werden. Der Fehler der Wellenlängendurchlaufmessung δx_fti ergibt sich gemäß δx_fti = (λ/Δλ_fti)δx_drift, (5) wobei λ die zentrale Laserwellenlänge ist, Δλ_fti die Wellenlängenverschiebung des Wellenlängendurchlaufs ist und δxd_rift die Kavitätsdrift während des Wellenlängendurchlaufs ist. Gleichung (5) zeigt an, dass eine Kavitätsdrift einen hohen Anteil an dem Gesamtmessfehler haben kann, da sie mit dem Verhältnis der absoluten Wellenlänge λ zu der Wellenlängenänderung Δλ_fti multipliziert wird, welches typischerweise in der Größenordnung von etwa 10³ liegt. Deshalb ist es wichtig, um während des Wellenlängendurchlaufs auftretende Kavitätsdrifts zu korrigieren.
Um um Kavitätsdrifts zu korrigieren kann der zweite Laser 120 (beispielsweise Laser B) verwendet werden. Die durch die Wellenlängenänderung des Lasers A bewirkte und um Kavitätsdrifts korrigierte Phasenverschiebung ergibt sich aus ΔΦ_a,fti,corr = ΔΦ_a,fti – (n_aλ_b/n_bλ_a)ΔΦ_b, (6) wobei ΔΦ_a,fti die gemessene Phasenverschiebung des ersten Lasers 110 (d. h. Laser A) ist, n_a der Brechungsindex bei der Wellenlänge λ_a ist, n_b der Brechungsindex bei der Wellenlänge λ_b ist und ΔΦ_b die Phasenänderung aufgrund von Kavitätsdrifts ist, die mit dem zweiten Laser 120 (d. h. Laser B) gemessen wird. Die um Kavitätsdrifts korrigierte absolute Entfernung ist dann gegeben durch x_fti = ΔΦ_a,fti,corrc/(4πpn_aΔν_a,fti), (7) wobei Δν_a,fti der Frequenzdurchstimmbereich des ersten Lasers 110 während des Frequenzdurchlaufs ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier offenbarte Kavitätsdrift-Korrektur allein auf dem Betrieb eines zweiten Lasers 120 beruht. Weder eine Referenz- oder Standardlänge noch ein zweites Interferometer (d. h. ein Referenz-Interferometer zum Messen der Referenz- oder Standardlänge) muss zur Kavitätsdrift-Korrektur verwendet werden.
Unter einem mathematischen Gesichtspunkt würde das Problem der Berechnung einer Absolut-Entfernung an diesem Punkt nun gelöst sein, siehe beispielsweise Gleichung (7). In der Realität können die gemessenen Werte von ΔΦ_a,fti und ΔΦ_b nicht exakt sein, und deshalb könnte x_fti lediglich eine grobe Schätzung der Absolut-Entfernung x₁ liefern.
Quadratur-Detektionsverfahren
Im Folgenden wird in beispielhafter Weise ein Quadratur-Detektionsverfahren offenbart. Die Demodulatoreinheit 160 kann das Interferometermesssignal von dem Interferometer-Detektor 150, 250 gemäß einem Quadratur-Detektionsverfahren verarbeiten. Genauer kann ein Quadratur-Detektionsverfahren auf jedes der in der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 beobachteten und einem Laser zugeordneten Signale angewendet werden. Die folgende Beschreibung ist daher sowohl auf das Licht der ersten Wellenlänge als auch auf das Licht der zweiten Wellenlänge anwendbar, und Indizes werden zur Vereinfachung der Notation weggelassen.
Wenn die Verschiebung des zweiten Resonatorspiegels 142 einen Interferenzmusterstreifen überschreitet, kann ein Quadratur-Detektionsverfahren sowohl die Verschiebung als auch ihre Richtung mit konstanter Empfindlichkeit detektieren. In einem Quadratur-Detektionsverfahren werden zwei Signale, die um 90° phasenverschoben sind, verwendet, um die Interferometerphase Φ rückzugewinnen.
Wie bereits erwähnt kann das Quadratursignal hier durch Demodulation eines Hochfrequenzträger-Messsignals erzeugt werden, das durch Modulation der Laserwellenlänge mit einer Frequenz ω = 2πpf erzeugt wird. Wie oben erwähnt kann dies durch Modulation des Laserstroms erreicht werden. Die Modulationstiefe β, gegeben durch δΦ = –(4πpnx/λ²)δλ := β, (8) hängt linear von der Kavitätslänge x ab.
Gemäß Gleichung (1) induziert die Laserwellenlängen-Modulation eine Modulation in dem Detektorsignal beschrieben durch I(Φ) = I₀(1 + Vcos(βsinωt + Φ)). (9)
Die Detektorintensität I(Φ) kann in einen Sinus- und einen Kosinusterm mittels der Bessel-Funktion J_i(β), die die Modulationsamplitude bei Harmonischen der Trägerfrequenz ω angibt, aufgespalten werden. I = I_DC + I_ω + I_2ω + ..., mit I_DC = I₀ + I₀VJ₀(β)cos(Φ) I_ω = –I₀VJ₁(β)sin(ωt)sin(Φ) I_2ω = I₀VJ₂(β)cos(2ωt)cos(Φ). (10)
Eine Demodulation dieser Intensitätssignale bei ihrer Modulationsfrequenz führt zu den zeitunabhängigen Gleichungen I_DC = I₀ + I₀VJ₀(β)cos(Φ) I_ω,demod = –I₀VJ₁(β)sin(Φ) I_2ω,demod = I₀VJ₂(β)cos(Φ). (11)
Es gibt verschiedene Verfahren um die Phase Φ rückzugewinnen. Gemäß einem ersten exemplarischen Verfahren kann die Phase Φ durch Verwendung des DC Detektorsignals I_DC und des Signals I_ω,demod, gegeben durch Demodulieren des Detektorsignals bei der fundamentalen Frequenz ω, zurückgewonnen werden. Gemäß einem zweiten Verfahren können die Signale I_ω,demod und I_2ω,demod, die durch die Demodulation bei der fundamentalen Frequenz ω und ihrer ersten Harmonischen 2ω gegeben sind, verwendet werden: Φ = arctan(J₂(β)I_ω,demod/–J₁(β)I_2ω,demod). (12)
Die Absolut-Entfernung x steht mit der Phase Φ über x = (λ/2p)(N + (1/2π)Φ) (13) in Beziehung.
Um die Phaseninformationen beider Laser 110, 120 rückzugewinnen, wird die Phaseninformation von der Modulationsfrequenz des Laser codiert, da die DC Detektorsignale einander überlagert sind und insofern nicht als Quadratursignalkomponenten verwendet werden können. Als Folge davon müssen beide Laser mit unterschiedlichen Frequenzen, d. h. ω_a ≠ ω_b moduliert werden. Bei Verwendung dieses Frequenz-Multiplexverfahrens können beiden Phasen gemäß Gleichung (12) rückgewonnen werden, d. h. unter Verwendung der Gleichungen Φ_a = arctan(J₂(β)I_ωa,demod/–J₁(β)I_2ωa,demod) Φ_b = arctan(J₂(β)I_ωb,demod/–J₁(β)I_2ωb,demod). (14)
Um die Bessel-Funktionen zu bestimmen würde man die Entfernung x benötigen, die jedoch unbekannt ist. Aus diesem Grund werden die Demodulatorausgangssignale unter Verwendung der Ergebnisse der Wellenlängendurchläufe normiert: S = X_2f/X_2f,max SQ = X_f/X_f,max. (15)
In dieser Gleichung ist X_2f jeweils das Demodulatorausgangssignal des zweiten und vierten Demodulatores 162, 264, und X_f ist das Demodulatorausgangssignal jeweils des ersten und dritten Demodulators 261, 263. Im Folgenden werden S auch als In-Phase-Demodulationssignal und SQ auch als Quadratur-Demodulationssignal bezeichnet. Die Phase Φ kann dann als der Arkustangens der normierten Quadratur- und In-Phase-Demodulationssignale angegeben werden, beispielsweise durch Φ = arctan(SQ/S). (16)
Die Normierung der Gleichung (15) kann beispielsweise in der Demodulatoreinheit 160 oder in der Recheneinheit 170 erfolgen.
Kavitätsdrift-Kompensation
4A zeigt das In-Phase Demodulationssignal S_a und das Quadratur-Demodulationssignal SQ_a für den ersten Laser während eines Wellenlängendurchlaufs von λ_a(t = 0) bis λ_a(t = T). In beispielhafter Weise wird ein Wellenlängendurchlauf über etwa Δλ_a = 2 pm gezeigt. 4B zeigt die entsprechende Phasenänderung des ersten Laserlichts reflektiert von der Fabry-Pérot Interferometerkavität 142 während des Wellenlängendurchlaufs des ersten Lasers 110, dargestellt durch eine Lissajous Figur. Diese Phasenänderung ist unter anderem auf die Wellenlängenänderung und eine Kavitätsdrift zurückzuführen.
5A zeigt die dem reflektierten Licht des zweiten Lasers 120 zugeordneten In-Phase- und Quadratur-Demodulationssignale S_b und SQ_b wenn die Kavität während eines Wellenlängendurchlaufs des ersten Lasers 110 von x₁ zu x₂ driftet. In diesem Fall wird die zweite Wellenlänge λ_b des zweiten Lasers 120 während des Wellenlängendurchlaufs des ersten Lasers 110 von λ_a(t = 0) zu λ_a(t = T) konstant gehalten. 5B zeigt die an dem reflektierten Licht des zweiten Lasers 120 detektierte Phasenänderung wenn die Kavität während des Wellenlängendurchlaufs des ersten Lasers 110 von x₁ zu x₂ driftet. Insofern beruht ΔΦ_b(Δx) auf der Kavitätsdrift.
Der zweite Laser 120 kann verwendet werden, um die Kavitätsdrift während des Frequenzdurchlaufs des ersten Lasers 110 zu verfolgen. Dies ermöglicht es, die Phasenverschiebung aufgrund des Wellenlängendurchlaufs korrigiert um die Kavitätsdrift zu berechnen, wie dies in Gleichung (6) angegeben ist. Gleichung (7) kann dann verwendet werden, um die Absolut-Entfernung x_fti korrigiert um Kavitätsdrifts zu berechnen.
Wie oben erwähnt, liefert Gleichung (7) lediglich eine grobe Schätzung für die Absolut-Entfernung, da die Eingangsphasen-Verschiebungsgrößen der Gleichung (6) in der Realität Fehlern unterworfen sind.
Korrektur von Nichtlinearitäten
Ein möglicher Fehler der Phasenverschiebungsgrößen der Gleichung (6) wird durch periodische Nichtlinearitäten der aus den Demodulationssignalen S, SQ berechneten Phase verursacht. Die Nichtlinearitäten oder Phasenabweichungen können eine Periode von 2π oder 4π aufweisen. 9 zeigt diese für beide Laser 110, 120 gemessenen Nichtlinearitäten einer Kavität einer Länge von 110 mm. Die Daten werden erhalten, indem die Laserwellenlänge jedes Lasers 110, 120 linear durchlaufen wird und ein gleitender Mittelwert von den gemessenen Phasenänderungsdaten subtrahiert wird.
Die von dem Wellenlängendurchlauf beider Laser erhaltenen periodischen Nichtlinearitäten können verwendet werden, um beide Phasen Φ_a und Φ_b zu korrigieren. In 9 gezeigte Phasendaten, die um ihre Nichtlinearitäten korrigiert wurden, können in der LUT des Prozessors 271 für das erste Laserlicht und in der LUT des Prozessors 272 für das zweite Laserlicht gespeichert werden.
Die periodischen Nichtlinearitäten von Φ_a und die periodischen Nichtlinearitäten von Φ_b können durch zwei Wellenlängendurchläufe des ersten bzw. zweiten Lasers 110, 120 erhalten werden. Diese zwei Wellenlängendurchläufe werden im Folgenden durch CP1 (Korrektur-Prozess 1) und CP2 (Korrektur-Prozess 2) angegeben. CP1 und/oder CP2 können zur anfänglichen Justage des Gerätes durchgeführt werden, d. h. vor dem regulären Gerätebetrieb.
In CP1 kann ein Wellenlängendurchlauf des ersten Lasers 110 von λ_a,min bis λ_a,max durchgeführt werden. Die Phasen Φ_a und Φ_b werden aufgezeichnet und eine kontinuierliche Kavitätsdrift-Korrektur kann gemäß ΔΦ_a,corr = ΔΦ_a – (n_aλ_b/n_bλ_a)ΔΦ_b (17) durchgeführt werden.
Dann können die Φ_a Daten durch Verwendung eines gleitenden Mittelwertfilters geglättet werden und die geglätteten Φ_a Daten können von den Φ_a Daten subtrahiert werden. Die Phasen Nichtlinearitäten des auf diese Weise abgeleiteten Φ_a können dann verwendet werden, um die in der LUT des ersten Prozessors 271 gespeicherten linearen Phasendaten zu korrigieren. Das heißt, CP1 kann verwendet werden, um die in der LUT gespeicherten anfänglichen. linearen Phasendaten durch entsprechende phasenkorrigierte Phasendaten zu überschreiben.
In CP2 kann ein Wellenlängendurchlauf des zweiten Lasers 120 von λ_b,min bis λ_b,max durchgeführt werden. Die Phasen Φ_a und Φ_b werden aufgezeichnet und eine kontinuierliche Kavitätsdrift-Korrektur kann gemäß ΔΦ_b,corr = ΔΦ_b – (n_bλ_a/n_aλ_b)ΔΦ_a. (18) durchgeführt werden.
Dann können die Φ_b Daten durch Verwendung eines gleitenden Mittelwertfilters geglättet werden und die geglätteten Φ_b Daten können von den Φ_b Daten subtrahiert werden. Die auf diese Weise abgeleiteten Phasen-Nichtlinearitäten von Φ_b können dann verwendet werden, um die in der LUT des zweiten Prozessors 272 gespeicherten linearen Phasendaten zu korrigieren. Das heißt, CP2 kann verwendet werden, um die in der LUT gespeicherten anfänglichen linearen Phasendaten durch entsprechende phasenkorrigierte Phasendaten zu überschreiben.
Es wird darauf hingewiesen, dass CP2 einen zweiten durchstimmbaren Laser 120 benötigt. In verschiedenen Fällen, beispielsweise falls keine Phasenkorrektur angewendet wird, falls die Phasenkorrektur durch andere Prozesse als die hier beschriebenen durchgeführt wird oder falls beispielsweise die während CP1 erhaltenen Phasen-Nichtlinearitäten von Φ_a auch verwendet werden, um die Φ_b Daten zu korrigieren, braucht der zweite Laser 120 kein durchstimmbarer Laser zu sein.
Im Folgenden werden zwei unterschiedliche Ansätze, der synthetische Wellenlänge-Ansatz (SWA) und der kombinatorische Interferenzmuster-Streifenzahl-Ansatz (CFNA) beschrieben und können verwendet werden, um genaue Absolut-Entfernungsmesswerte während des Gerätebetriebs zu erhalten. Bei Ansätze können sowohl um Nichtlinearitäten korrigierte Phasendaten (beispielsweise wie sie zuvor während einer Initialisierungsprozedur durch beispielsweise CP1 und/oder CP2 erhalten wurden) oder, wenn eine geringere Auflösung ausreichend ist, lineare Phasendaten, die nicht um Nichtlinearitäten korrigiert wurden, verwenden.
Synthetische Wellenlänge-Ansatz (SWA)
Der SWA ist ein Schema, um eine Absolut-Entfernung x mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Er kann eine Anzahl von Prozessen mit einer verfeinerten Bestimmung der Absolut-Entfernung enthalten. Jeder dieser Prozesse ist exemplarisch und kann beispielsweise durch andere Prozesse substituiert werden. Ferner können abhängig von der benötigten Genauigkeit ein oder mehrere dieser Prozesse weggelassen werden.
SWA_P1 (grobe Bestimmung der Absolut-Entfernung)
In einem ersten Prozess (P1) des SWA, der im Folgenden als SWA_P1 bezeichnet wird, kann eine grobe Absolut-Entfernung bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird ein Wellenlängendurchlauf des ersten Lasers 110, wie hier bereits beschrieben, durchgeführt. Die (interferometrischen) Phasen Φ_a(t = 0) und Φ_a(t = T) werden aufgezeichnet (diese Phasen können bereits um ihre Nichtlinaritäten korrigiert sein, d. h. sie können basierend auf phasenkorrigierten LUT Phasendaten berechnet werden). Ferner wird die Phase Φ_b während des Wellenlängendurchlaufs des ersten Lasers 110 aufgezeichnet. In ähnlicher Weise können Phasenwerte Φ_b, die bereits um ihre Nichtlinearitäten korrigiert wurden, verwendet werden. Dann kann eine Absolut-Entfernung x_fti gemäß Gleichung (7) berechnet werden. Die grobe Absolut-Entfernung basiert insofern auf dem ersten Demodulationssignal und auf dem während des Durchlaufs der ersten Frequenz bei fester zweiter Frequenz erhaltenen zweiten Demodulationssignal.
Das heißt, der grobe Wert der Absolut-Entfernung kann über ein Verfahren erhalten werden, das umfasst ein Durchlaufen der ersten durchstimmbaren Frequenz eines ersten Lichtes moduliert von einer ersten Modulationsfrequenz über ein erstes Frequenzintervall; ein Eingeben des ersten Lichts in die Fabry-Pérot Interferometerkavität; ein Messen einer ersten Phasenverschiebung durch Demodulieren eines Interferenzmesssignals basierend auf ein von der Fabry-Pérot Interferometerkavität erzeugtes, detektiertes Interferenzmuster mit der ersten Modulationsfrequenz und einer harmonischen Frequenz davon; ein Erzeugen einer zweiten Frequenz eines zweiten Lichts moduliert von einer zweiten Modulationsfrequenz; ein Eingeben des zweiten Lichts in die Fabry-Pérot Interferometerkavität; ein Messen einer zweiten Phasenverschiebung durch Demodulieren des Interferenzmesssignals mit der zweiten Modulationsfrequenz und einer harmonischen Frequenz davon; und ein Berechnen des groben Wertes der Absolut-Entfernung basierend auf dem ersten Frequenzintervall, der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung.
SWA_P2 (Bestimmung einer Zwischen-Absolut-Entfernung
In einem folgenden Prozess (P2) des SWA, der im Folgenden als SWA_P2 bezeichnet wird, kann eine Zwischen-Absolut-Entfernung x_s bestimmt werden. Die Bestimmung der Zwischen-Absolut-Entfernung x_s kann an einer „synthetischen” Wellenlänge Λ durchgeführt werden, die größer als die beiden realen Wellenlängen λ_a, λ_b ist. Wenn die synthetische Wellenlänge Λ größer als die Unsicherheit der in beispielsweise SWA_P1 erhaltenen groben Absolut-Entfernung ist, kann die Interferenzordnung (d. h. die Interferenzmuster-Streifenzahl) der synthetischen Wellenlänge eindeutig bestimmt werden. Aus dieser ganzzahligen Interferenzordnung und ihres fraktionalen Teils kann die genauere Zwischen-Absolut-Entfernung x_s berechnet werden. Das heißt, in SWA_P2 ist die Recheneinheit 170 ausgelegt, die Zwischen-Absolut-Entfernung x_s basierend auf der Interferenzmuster-Streifenzahl N_s und einer Phase der synthetischen Wellenlänge Λ zu berechnen.
Genauer wird die synthetische Phase Φ_s, die die Phase eines durch Mischens der Signale der zwei Laser erzeugten Schwebungsmusters ist, Φ_s = Φ_a – Φ_b. (19) berechnet.
Die synthetische Wellenlänge wird durch Λ = λ_aλ_b/(n_aλ_b – n_bλ_a) (20) mit λ_a < λ_b definiert.
Die Interferenzmuster-Streifenzahl N_s der synthetischen Wellenlänge kann durch Verwendung der groben Absolut-Entfernung x_fti, wie sie beispielsweise von SWA_P1 bestimmt wird, bestimmt werden. N_s ist als die größte ganze Zahl definiert, die die Bedingung N_s < 2px_fti/Λ erfüllt, ausgedrückt durch N_s = ⌊((2px_fti/Λ) – (Φ_smod(2π)/2π) + 0,5)⌋. (21)
Unter Verwendung dieses Ergebnisses zusammen mit der synthetischen Phase Φ_smod(2π) kann die zwischengenaue Absolut-Entfernung x_s gemäß x_s = (N_s + Φ_s/2π)A/2p (22) bestimmt werden.
Um die Interferenzmuster-Streifenzahl N_s eindeutig anzugeben darf die Gesamtunsicherheit δx der groben Absolut-Entfernungsmessung (beispielsweise von SWA_P1 durchgeführt) nicht 1/2p der synthetischen Wellenlänge übertreffen, wie durch die Gleichung δx < Λ/2p (23) ausgedrückt.
Diese Beziehung definiert eine untere Grenze für die synthetische Wellenlänge Λ, da δx eine vorgegebene Grenze ist, die mit der Genauigkeitsgrenze der groben Absolut-Entfernungsmessung einhergeht und beispielsweise durch die in dem Messgerät 100, 200 verwendeten Diodenlaser verursacht wird. Insofern sollte δx so gewählt werden, dass es so klein wie möglich ist, um tolerant gegenüber der Ungenauigkeit δΦ_s der synthetischen Phase zu sein. Beispielsweise kann die Unsicherheit der synthetischen Phase δΦ_s gemessen mit kommerziell erhältlichen Diodenlasern gegenwärtig in der Größenordnung von δΦ_s/2π = 0,02 liegen.
Angenommen, dass phasenkorrigierte Werte von Φ_a und Φ_b zuvor gemäß den Prozessen CP1 und CP2 berechnet wurden, können korrigierte Werte der synthetischen Phase erhalten werden, indem die LUT angewendet werden, die die Nichtlinearitäten der realen Phasen Φ_a und Φ_b korrigieren. 8A und vergrößerte 8B zeigen die Kurven der realen Phasen Φ_a, Φ_b, der synthetischen Phase Φ_s einer driftenden Kavität und die Kurve der korrigierten synthetischen Phase Φ_s,corr, die bei Verwendung der korrigierten Werte von Φ_a und Φ_b, beispielsweise bei Anwendung einer LUT, die für die Nichtlinearitäten von Φ_a und Φ_b korrigiert ist, erhalten wird.
Aufgrund der Nichtlinearitäten und des Signalrauschens kann die Unsicherheit der Zwischen-Absolut-Entfernung x_s noch mit einer Unsicherheit von δx < λ/4 einhergehen. Um diese Unsicherheit weiter auf den nm Bereich zu verkleinern, kann eine Zuordnung zwischen der synthetischen und realen Interferenzmuster-Streifenzahl in einem folgenden Prozess vorgenommen werden, der im Folgenden als SWA_P3 bezeichnet wird, um eine hochgenaue Absolut-Entfernung zu erhalten.
SWA_P3 (hochgenaue Bestimmung der Absolut-Entfernung)
In einem weiteren Prozess (P3) des SWA, der im Folgenden als SWA_P3 bezeichnet wird, kann eine Absolut-Entfernung einer hohen Genauigkeit bestimmt werden. Die hochgenaue Absolut-Entfernung kann durch Bestimmung der Interferenzordnung (d. h. Interferenzmuster-Streifenzahl) einer der Laser 110, 120 bestimmt werden. Auf diese Weise kann eine Absolut-Entfernungsungenauigkeit in dem nm Bereich erhalten werden. Beispielsweise kann die Interferenzmuster-Streifenzahl N_b des zweiten Lasers 120 unter Verwendung der Zwischen-Absolut-Entfernung x_s, abgeleitet beispielsweise von der synthetischen Wellenlängenauswertung von SWA_P2, bestimmt werden. Die Interferenzmuster-Streifenzahl N_b ist als die größte ganze Zahl definiert, die die Bedingung N_b < 2px_s/λ_b erfüllt, ausgedrückt durch N_b = ⌊((2px_s/λ_a) – (Φ_amod(2π)/2π) + 0,5)⌋. (24)
Die hochgenaue Absolut-Entfernung x₀ wird aus der Interferenzmuster-Streifenzahl N_b gemäß x₀ = (N_b + Φ_b/2π)λ_b/2p (25) bestimmt.
Um eine Zuordnung der Interferenzmuster-Streifenzahl ohne Mehrdeutigkeit zur Herbeiführung einer Unsicherheit beispielsweise in dem nm Bereich sicherzustellen, sollte die Gesamtunsicherheit der Bestimmung der Zwischen-Absolut-Entfernung (beispielsweise durch SWA_P2), nämlich δΦ_s, eine Phasenunsicherheit, die gleich dem Verhältnis der realen Wellenlänge zu der synthetischen Wellenlänge 2πλ/Λ ist, ausgedrückt die Beziehung δΦ_s < 2πλ/Λ, (26) was einer Positionsunsicherheit δx = λ_b/(2p) entspricht, nicht überschreiten. Es ist offensichtlich, dass λ so groß wie möglich gewählt werden sollte. In dem hier vorgestellten Beispiel kann beispielsweise λ_b > λ_a, und folglich λ = λ_b, gewählt werden. λ = λ_a kann ebenfalls verwendet werden.
7 zeigt exemplarische Signalkurven und Phasenkurven, die in dem SWA auftreten. 7(a) und 7(b) zeigen die Signale S_a, S_b, die durch Demodulation des ersten bzw. des zweiten Laserlichts erhalten wurden. 7(c) zeigt das von S_a + S_b erzeugte Schwebungsmuster. Die synthetische Phase Φ_s mit der Periodizität des Schwebungsmusters ist in 7(d) dargestellt.
Die 7(e)–7(h) zeigen die Prozesse P2 und P3 des oben erläuterten SWA. Bezugnehmend auf 7(h) ist die grobe Absolut-Entfernung x_fti bereits bestimmt, beispielsweise durch SWA_P1 oder einem anderen Verfahren zur groben Absolut-Entfernungsbestimmung. Dann wird, sofern δx_fti klein genug ist, die Interferenzmuster-Streifenzahl N_s der synthetischen Wellenlänge gemäß Gleichung (21) berechnet.
Die zwischengenaue Absolut-Entferung x_s kann dann gemäß der Gleichung (22), basierend auf der synthetischen Interferenzmuster-Streifenzahl N_s und der (möglicherweise phasenkorrigierten) synthetischen Phase Φ_s in beispielsweise SWA_P2, siehe 7(g), berechnet werden.
Dann wird beispielsweise unter Verwendung von SWA_P3 die Interferenzmuster-Streifenzahl N_b (oder N_a) basierend auf der Zwischen-Absolut-Entfernung x_s und Gleichung (24) berechnet, siehe 7(f)–7(e), und die hochgenaue Absolut-Entfernung x₀ kann basierend auf der Interferenzmuster-Streifenzahl N_b und einer Phase des Lichts der zweiten Wellenlänge gemäß Gleichung (25) – oder basierend auf der Interferenzmuster-Streifenzahl N_a und einer Phase des Lichts der ersten Wellenlänge analog zu Gleichung (25) berechnet werden. Die Recheneinheit 170 ist insofern ausgelegt, die hochgenaue Absolut-Entfernung x₀ basierend auf der Interferenzmuster-Streifenzahl N_b (oder N_a) und einer Phase der zweiten Wellenlänge λ_b (oder einer Phase der ersten Wellenlänge λ_a) zu berechnen.
Es wird darauf hingewiesen, dass SWA_P1, SWA_P2 und SWA_3 nicht notwendigerweise in Kombination ausgeführt werden müssen. Für SWA_P2 muss die grobe Absolut-Entfernung x_fti, die als eine Eingabevariable benötigt wird, nicht durch SWA_P1 bestimmt sein. Ferner kann für SWA_P3 die zwischengenaue Absolut-Entfernung x_s, die als eine Eingabevariable benötigt wird, auch durch einen von SWA_P2 unterschiedlichen Prozess geliefert werden. In einigen Fällen kann die Genauigkeit von SWA_P1 oder SWA_P2 ausreichend sein, und deshalb können die folgenden Prozesse (SWA_P2 und SWA_P3 oder SWA_P3) nicht benötigt werden.
Kombinatorischer Interferenzmuster-Streifenzahl-Ansatz (CFNA)
Der CFNA stellt ein anderes Schema zum Berechnen einer hochgenauen Absolut-Entfernung x bereit. Im Gegensatz zum SWA wird keine synthetische Wellenlänge verwendet. Ähnlich wie beim SWA muss grundsätzlich lediglich einer der beiden Laser 110, 120 durchstimmbar sein (zumindest dann, wenn der Korrekturprozess CP2 zur Ermittlung der phasenkorrigierten Werte von Φ_b nicht durchgeführt wird oder wenn derartige phasenkorrigierte Werte durch andere Verfahren erhalten werden). Es kann jedoch vorteilhaft sein, wenn beide Laser durchstimmbar sind, beispielsweise wenn mehr unabhängige Datensätze gesammelt werden sollen, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen oder wenn eine Konsistenzprüfung gewünscht ist. Insofern kann in verschiedenen Ausführungsformen nicht nur der Wellenlängendurchlauf-Laser 110 (beispielsweise Laser A), sondern auch der Verschiebungsverfolgungs-Laser 120 (beispielsweise Laser B) durchstimmbar sein, d. h. ausgelegt sein, um einen Frequenzdurchlauf durchzuführen, und die Rollen der beiden Laser als Wellenlängendurchlauf-Laser (d. h. Betrieb mit durchstimmbarer Wellenlänge) und Verschiebungsverfolgungs-Laser (d. h. Betrieb mit konstanter Wellenlänge) können während des Verlaufs der Messung vertauscht werden.
Ferner werden, wie bereits oben beschrieben, beide Laserwellenlängen bei zwei unterschiedlichen Frequenzen moduliert, so dass sie in der Recheneinheit 170 voneinander unterschieden werden können. Derselbe Aufbau wie oben, beispielsweise in Bezug auf die Geräte 100, 200 beschrieben, kann verwendet werden. Das heißt, optische Interferenzen in der Fabry-Pérot Interferometerkavität 140 führen zu Photomesssignalen (In-Phase-Signale und ihre Quadratur-Signale), die unabhängig voneinander für jeden der beiden Laser bestimmt werden können. Ferner können die Korrekturprozesse CP1 und CP2 zuvor durchgeführt worden sein, beispielsweise wie schon beschrieben während einer Initialisierungsprozedur, so dass beispielsweise die LUTs ausgelegt sind, die realen Phasen Φ_a, Φ_b um ihre Nichtlinearitäten zu korrigieren.
Wie weiter unten detaillierter erläutert wird, verwendet der CFNA im Allgemeinen ein Extremalprinzip zum Bestimmen einer hochgenauen Absolut-Entfernung x. Der CFNA kann basieren auf dem Aufzeichnen fraktionaler Werte der Interferometerphasen des Lichts beider Laser bei Start- und/oder Stopppunkten von Wellenlängendurchläufen, auf dem Erstellen von einem oder mehreren Sätzen von Interferenzmuster-Streifenzahlkombinationen basierend auf einer groben Kenntnis einer Absolut-Entfernung und auf dem Anwenden eines Extremalprinzips zur Auswahl einer bestimmten Interferenzmuster-Streifenzahlkombination aus jedem der Sätze von Interferenzmuster-Streifenzahlkombinationen
CFNA_P1 (Messung zum Bestimmen der fraktionalen Phasen beim Start
In einem ersten Prozess (P1) des CFNA, der im Folgenden als CFNA_P1 bezeichnet wird, können die Laserwellenlängen des ersten und des zweiten Lasers 110, 120 auf Startwerte λ_a,s und λ_b,s eingestellt werden. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Laser 110, 120 an bekannten Wellenlängen λ_a,s und λ_b,s beispielsweise durch Verwendung von Rückkopplungsschleifen und/oder Gaszellen, wie oben beschrieben, stabilisiert werden. Im Folgenden bezieht sich der Index s auf „Start” und der Index e bezieht sich auf „Ende”. λ_a,s und λ_b,s sind in der gewünschten Genauigkeit bekannt. Die Kavitätslänge, beispielsweise die Absolut-Entfernung x des zweiten Resonatorspiegels 142, ist beim Start der unten beschriebenen anfänglichen Messung unbekannt.
In CFNA_P1 können fraktionale Werte 2π∊_a,s und 2π∊_b,s der Interferometerphasen (d. h. der realen Phasen Φ_a, Φ_b oder der phasenkorrigierten Werte von Φ_a und Φ_b) gemessen werden. Diese fraktionalen Startwerte 2π∊_a,s und 2π∊_b,s beider interferometrischer Phasen werden aufgezeichnet. Dies kann beispielsweise unabhängig von den Quadratursignalen herrührend von jedem der Laser erfolgen. Die absoluten Phasen (d. h. die Start-Interferenzmuster-Streifenzahlen N_a,s und N_b,s) sind unbekannt, aber die fraktionalen Startphasenwerte 2π∊_a,s und 2π∊_b,s können mit hoher interferometrischer Präzision gemessen werden.
CFNA_P2 (Wellenlängendurchlauf des ersten Lasers)
In einem optionalen folgenden Prozess (P2) des CFNA, der im Folgenden als CFNA_P2 bezeichnet wird, wird die Wellenlänge λ_a des ersten Lasers 110 (Laser A) durchlaufen gelassen. Die Wellenlänge des ersten Lasers 110 wird kontinuierlich auf einen anderen präzise bekannten Wellenlängenwert λ_a,e verschoben. Zum selben Zeitpunkt kann die Wellenlänge λ_b des zweiten Lasers 120 (Laser B) bei einem konstanten und exakten Wert gehalten werden, beispielsweise an seinem stabilisierten Startwert λ_b,s. Das Verschieben der Wellenlänge des ersten Lasers 110 wird so langsam durchgeführt, dass die entsprechende interferometrische Phasenverschiebung gemessen werden kann.
Während des Betriebs des Verschiebens der Wellenlänge des ersten Lasers 110 kann die damit verbundene Phasenverschiebung kontinuierlich aufgezeichnet werden bis die Laserwellenlänge ihren stabilen und exakten Wert λ_a,e eingenommen hat. Wenn die Wellenlänge λ_a ihren Endwert λ_a,e erreicht hat, werden sowohl der einzelne Wert ΔΦ_a der Phasenverschiebung des Lichts des ersten Lasers 110 während des Wellenlängendurchlaufs als auch der einzelne Wert ΔΦ_b der Wellenlängenverschiebung des Lichts des zweiten Lasers 120 während des Wellenlängendurchlaufs aufgezeichnet. Da die Wellenlänge λ_b während dieses Betriebs konstant gehalten wird, wird eine nicht verschwindende Phasenverschiebung ΔΦ_b einzig und allein auf eine Änderung δx in der Kavitätslänge x zurückzuführen sein. Im Gegensatz dazu resultiert die Phasenverschiebung ΔΦ_a sowohl aus der beabsichtigten Wellenlängenverschiebung hervorgerufen von dem Wellenlängendurchlauf und aus jeglicher Änderung δx in der Kavitätslänge (beispielsweise einer Verschiebung δx des Targets).
CFNA_P3 (Berechnung eines groben Wertes von x und beispielsweise eines genauen Wertes von δx)
In einem weiteren optionalen Prozess (P3) des CFNA, der im Folgenden als CFNA_P3 bezeichnet wird, können die Werte x und δx der Kavitätslänge und der Änderung der Kavitätslänge, die während des Wellenlängendurchlaufs des ersten Lasers auftrat, beispielsweise unter Verwendung einiger der folgenden Gleichungen, berechnet werden:
Dies ist ein System von sechs unbekannten Größen Φ_a,s, Φ_a,e, Φ_b,s, Φ_b,e, x, und δx. Aus Gleichung (32) kann die Verschiebung δx der Kavitätslänge, die während der Wellenlängenverschiebung auftrat, gemäß
berechnet werden, welche typischerweise innerhalb von Nanometern genau ist.
Die Kavitätslänge x (Absolut-Entfernung x) bei der anfänglichen Messung CFNA_P1 ist
wobei die effektive Wellenlänge Λ_a durch
gegeben ist.
Aus mathematischer Sicht löst Gleichung (34) bereits das Problem. In der Realität können die gemessenen Werte von ΔΦ_a und ΔΦ_b nicht ausreichend exakt sein und können gegenüber der Realität aufgrund von Phasenrauschen und anderen Messfehlern, die der interferometrischen Verschiebungserfassung inhärent sind, abweichen. Zu beachten ist, dass ein Fehler ϕ in der Phasenmessung zu einem Fehler Σ in der Position führt, der durch
ausgedrückt wird.
Die effektive Wellenlänge Λ_a ist signifikant länger als λ_a,s, da die Wellenlängenverschiebung λ_a,e – λ_a,s typischerweise nur ein kleiner Bruchteil von λ_a,s ist. In der Tat führt derselbe Phasenfehler ϕ zu einem tatsächlichen Positionsfehler von
Mit anderen Worten ist der Fehler in der ausgewerteten Position x gegeben durch Σ = σ(Λ_a/λ_a,s) = σλ_a,s/(λ_a,e – λ_a,s). Dies verdeutlicht eine Verstärkung des Fehlers mit einem Erhöhungsfaktor von Λ_a/λ_a,s, der etwa 10³ sein kann. Das heißt, ein tatsächlicher Positionsfehler von 10 nm würde zu einem Fehler von 10 μm der berechneten Absolut-Entfernung x führen. Insofern kann der Fehler der berechneten Absolut-Entfernung x wesentlich größer sein als die Messungsteilung λ_a/2p. Deshalb kann die Gleichung (34) in der Realität lediglich eine grobe Schätzung für die Absolut-Entfernung x bereitstellen.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Bestimmung eines groben Wertes von x auch durch Prozesse ausgeführt werden kann, die sich von CFNA_P3 unterscheiden.
CFNA_P4 (Berechnung eines genauen Wertes von x)
In einem weiteren Prozess (P4) des CFNA, der im Folgenden als CFNA_P4 bezeichnet wird, werden einige andere der Gleichungen (27)–(32) ausgenutzt, um einen Fehler bei der Auswertung von x zu reduzieren. Da es möglich ist, die fraktionalen Teile der Phasen ∊_a,s, ∊_a,e, ∊_b,s, ∊_b,e innerhalb der Messungsteilung zu messen können die folgenden Gleichungen verwendet werden Φ_a,s = 2π(N_a,s + ε_a,s) (38) Φ_a,e = 2π(N_a,e + ε_a,e) (39) Φ_b,s = 2π(N_b,s + ε_b,s) (40) Φ_b,e = 2π(N_b,e + ε_b,e). (41)
Unbekannt sind die ganzzahligen Interferenzmuster-Streifenzahlen N_a,s, N_a,e, N_b,s, N_b,e, die auch als Interferenzordnungen in der Technik bekannt sind. Durch Kombinieren dieser Gleichungen mit den Gleichungen (27)–(30) werden die folgenden Gleichungen erhalten.
Ein grober Absolut-Entfernungswert von x wird dann in die Gleichungen (42) und (43) eingegeben, um grobe Werte für die Interferenzmuster-Streifenzahlen N_a,s, N_b,s zu erhalten. Beispielsweise kann der grobe Wert von x durch CFNA_P3 oder SWA_P2 berechnet werden, es können jedoch auch andere Prozeduren eingesetzt werden um den groben Absolut-Entfernungswert x zu erhalten.
Dann werden mögliche Kombinationen [N_a,s¦N_b,s] der Interferenzmuster-Streifenzahlen aufgestellt. Da die typische Unsichereinheit in den Interferenzmuster-Streifenzahlen N_a,s und N_b,s am Start bekannt sind (beispielsweise plus oder minus einer bekannten ganzen Zahl M), wird der Satz aller möglichen Kombinationen [N_a,s¦N_b,s] durch diejenigen Interferenzmuster-Streifenzahlkombinationen gegeben, die innerhalb der Toleranz von M um die groben Werte von N_a,s, N_b,s liegen.
Dann wird der Term
berechnet, der die Bedingung für das Eliminieren von x zwischen den Gleichungen (42) und (43) ist. Die Kombination [N'_a,s¦N'_b,s], für die
gleich 0 oder am nähesten zu 0 von allen möglichen Kombinationen [N_a,s¦N_b,s] ist, kann bestimmt werden. Basierend auf dieser Minimalkombination [N'_a,s¦N'_b,s] kann dann ein genauer Wert für die Absolut-Entfernung x aus beispielsweise Gleichung (42) oder Gleichung (43) berechnet werden.
Mit anderen Worten wird die Gleichung (46) über alle möglichen Kombinationen von [N_a,s¦N_b,s] minimiert, um die Minimalkombination [N'_a,s¦N'_b,s] zu bestimmen. Die Minimalkombination [N'_a,s¦N'_b,s] liefert den unbekannten Wert von x mit hoher Genauigkeit.
CFNA_P5 (Berechnung eines genauen Wertes von x)
In einem anderen Prozess (P5) des CFNA, der im Folgenden als CFNA_P5 bezeichnet wird, können einige andere der Gleichungen (42)–(45), nämlich beispielsweise Gleichungen (44)–(45) ausgenutzt werden, um einen genauen Wert der Absolut-Entfernung von x zu berechnen. CFNA_P5 kann anstelle von CFNA_P4 oder zusätzlich zu CFNA_P4 durchgeführt werden.
Nachdem die fraktionalen Startwerte 2π∊_a,s und 2π∊_b,s von beiden Interferometerphasen gemäß CFNA_P1 bestimmt wurden, werden in CFNA_P5 ein Frequenzdurchlauf des ersten Lasers 110 und ein Frequenzdurchlauf des zweiten Lasers 120 durchgeführt, um zwei Datensätze zu liefern, die dann ausgenutzt werden können, um einen genauen Wert von x zu berechnen.
Der Frequenzdurchlauf des ersten Lasers 110 kann gemäß und beispielsweise gleichzeitig mit CFNA_P2 ausgeführt werden und es wird auf die entsprechende Beschreibung Bezug genommen, um eine Wiederholung zu vermeiden. Am Ende des Frequenzdurchlaufs des ersten Lasers 110 wird der fraktionale Endwert 2π∊_a,e der Interferometerphase aufgezeichnet.
Der Frequenzdurchlauf des zweiten Lasers 120 kann am Ende des Frequenzdurchlaufs des ersten Lasers 110 durchgeführt werden. Die Wellenlänge des zweiten Lasers 120 wird kontinuierlich zu einem anderen präzise bekannten Wellenlängenwert λ_b,e verschoben. Zur gleichen Zeit kann die Wellenlänge λ_a des ersten Lasers 110 (Laser A) an einem konstanten und exakten Wert gehalten werden, beispielsweise an ihrem stabilisierten Endwert λ_b,e. Das Verschieben der Wellenlänge des zweiten Lasers 120 wird langsam genug durchgeführt, so dass die entsprechende interferometrische Phasenverschiebung gemessen werden kann. Am Ende des Frequenzdurchlaufs des zweiten Lasers 120 wird der fraktionale Endwert 2π∊_b,e der Interferometerphase aufgezeichnet.
Die absoluten Phasen (d. h. die Interferenzmuster-Streifenendzahlen N_a,e und N_b,e) sind unbekannt, aber die fraktionalen Endwerte 2π∊_a,e und 2π∊_b,e der Interferometerphasen können mit einer hohen interferometrischen Präzision gemessen werden.
Ein grober Absolut-Entfernungswert von x wird dann in die Gleichungen (44) und (45) eingegeben, um grobe Werte für die Interfernzmuster-Streifenzahlen N_a,e, N_b,e zu erhalten. Beispielsweise kann der grober Absolut-Entfernungswert von x gemäß CFNA_P3 oder SWA_P2 berechnet worden sein, es können jedoch auch andere Prozeduren verwendet werden, um den groben Absolut-Entfernungswert x zu erhalten.
Dann werden mögliche Kombinationen von [N_a,e¦N_b,e] aufgestellt. Da die typische Unsicherheit in den Interferenzmuster-Streifenzahlen N_a,e und N_b,e am Ende der Durchlaufbetriebe bekannt sind (beispielsweise plus oder minus einer bekannten ganzen Zahl M), können alle möglichen Kombinationen von [N_a,e¦N_b,e] durch die um die groben Werte von N_a,e, N_b,e jeweils innerhalb der Toleranz von M liegenden Interferenzmuster-Streifenzahlkombinationen gegeben sein.
Dann wird der Term
berechnet. Die Kombinationen [N'_a,e¦N'_b,e], für die
gleich 0 oder am nähesten zu 0 für alle möglichen Kombinationen [N_a,e¦N_b,e] ist, wird bestimmt. Dann wird basierend auf dieser Minimalkombination [N'_a,e¦N'_b,e] ein genauer Wert für die Absolut-Entfernung x aus beispielsweise Gleichung (44) oder Gleichung (45) berechnet.
Mit anderen Worten wird die Gleichung (47) über alle möglichen Kombinationen von [N_a,e¦N_b,e] minimiert, um die Minimalkombination [N'_a,e¦N'_b,e] zu bestimmen. Die Minimalkombination [N'_a,e¦N'_b,e] liefert den unbekannten Wert von x mit hoher Genauigkeit basierend beispielsweise auf Gleichung (44) oder (45).
Zusammenfassend können in dem CFNA die Geräte 100, 200 ausgelegt sein, eine fraktionale Phase des Interferometerlichts erster Wellenlänge bei einer bekannten ersten Wellenlänge λ_a und eine fraktionale Phase des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge bei einer bekannten zweiten Wellenlänge λ_b zu messen. Die Recheneinheit 170 kann ausgelegt sein, eine Mehrzahl von möglichen Kombinationen von [N_a¦N_b] basierend auf der Kenntnis eines groben Absolut-Entfernungswertes zu berechnen. Ferner ist die Recheneinheit ausgelegt, eine bestimmte Kombination [N'_a¦N'_b] aus der Mehrzahl der möglichen Kombinationen von [N_a¦N_b] basierend auf einem Extremalprinzip und den gemessenen fraktionalen Phasen des Interferometerlichts erster und zweiter Wellenlänge zu bestimmen.
CFNA_P6 (Kombinieren der in CFNA_P4 und CFNA_P5 erhaltenen Ergebnisse)
Falls beide Prozesse CFNA_P4 und CFNA_P5 durchgeführt wurden, können in einem anderen Prozess (P6) des CFNA, der im Folgenden als CFNA_P6 bezeichnet wird, die in CFNA_P4 und in CFNA_P5 erhaltenen Minimalkombinationen oder die in CFNA_P4 und CFNA_P5 erhaltenen Absolut-Entfernungswerte x kombiniert werden. Beispielsweise können der genaue Absolut-Entfernungswert x(CFNA_P4) und der genaue Absolut-Entfernungswert x(CFNA_P5) kombiniert werden, beispielsweise durch Mittelwertbildung, um einen weiteren Absolut-Entfernungswert x abzuleiten. Mittelwertbildung kann eine Auswertung der Entfernungen der Maximalkombinationen von der 0-Bedingung und ein Gewichten des Mittelwerts basierend auf diesen Entfernungen umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Konsistenzprüfung auf der Basis der Sätze von möglichen Kombinationen oder anhand der in CFNA_P4 und CFNA_P5 erhaltenen Absolut-Entfernungswerte x durchgeführt werden. Beispielsweise, falls der genaue Absolut-Entfernungswert x(CFNA_P4) und der genaue Absolut-Entfernungswert x(CFNA_P5) sich mehr als ein vorbestimmter Schwellenwert, beispielsweise λ/4 oder λ/8 voneinander unterscheiden, wird ein Messfehler angenommen.
Zusammenfassend können in dem CFNA die Geräte 100, 200 ausgelegt sein, zwei fraktionale Phasen des Interferometerlichts erster Wellenlänge bei einer bekannten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_a,s und einer bekannten ersten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_a,e zu messen, und zwei fraktionale Phasen des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge an einer bekannten zweiten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_b,s und einer bekannten zweiten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_b,e zu messen. Die Recheneinheit kann ausgelegt sein, zwei Sätze von möglichen Kombinationen von [N_a,s¦N_b,s] bzw. [N_a,e¦N_b,e] basierend auf der Kenntnis eines groben Absolut-Entfernungswerts an dem Frequenzdurchlauf-Start zu berechnen, wobei N_a,s, N_b,s die Interferenzmuster-Streifenzahlen bei der ersten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_a,s bzw. der zweiten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_b,s sind, und wobei N_a,e, N_b,e die Interferenzmuster-Streifenzahlen bei der ersten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_a,e bzw. der zweiten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_b,e sind. Ferner kann die Recheneinheit 170 ausgelegt sein, eine bestimmte Kombination [N'_a,s¦N'_b,s] und eine bestimmte Kombination [N'_a,e¦N'_b,e] der jeweiligen Sätze von Kombinationen basierend auf einem Extremalprinzip, den zwei fraktionalen Phasen des Interferometerlichts erster Wellenlänge und den zwei fraktionalen Phasen des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge zu berechnen.
10 zeigt eine Unterbrechung und ein vollständiges Ausschalten eines Interferometergeräts am Punkt A und, beispielsweise wenige Minuten oder Stunden später, einen Neustart des Systems bei Punkt B. Typischerweise wird das Objekt während der Unterbrechung der Messung einer Verschiebung unterworfen, die beispielsweise durch externe Einflüsse wie Vibrationen usw. hervorgerufen sein kann. Gemäß der Offenbarung ist das Gerät 100, 200 zur Absolut-Entfernungsmessung in der Lage, eine genaue Absolut-Entfernung des Objektes bei Punkt B zu erlangen, d. h. wenn das System wieder eingeschaltet und die Messung wieder aufgenommen wird. Dies verbessert in hohem Maße die praktische Einsetzbarkeit eines interferometrischen Positionsmessgeräts. Startend vom Punkt B, wenn das Gerät die Messung wieder aufgenommen hat und die neue Absolut-Entfernung bestimmt hat, kann die nachfolgende Bestimmung von x durch Anwenden eines konventionellen inkrementalen Verschiebungsmessansatzes durchgeführt werden. Eine solche inkrementale Verschiebungsmessung, die beispielsweise in EP 2 363 685 A1 beschrieben ist, kann lediglich einen einzigen Laser (beispielsweise Laser 110) erfordern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2363685 A1 [0003, 0032, 0032, 0140]

Claims

Gerät zur Absolut-Entfernungsmessung, das aufweist: eine erste durchstimmbare Lichtquelle, die ausgelegt ist, ein Licht erster Wellenlänge einer ersten durchstimmbaren Frequenz moduliert durch eine erste Modulationsfrequenz zu emittieren; eine zweite Lichtquelle, die ausgelegt ist, ein Licht zweiter Wellenlänge einer zweiten Frequenz moduliert durch eine zweite Modulationsfrequenz zu emittieren; einen optischen Koppler, der ausgelegt ist, das Licht erster Wellenlänge und das Licht zweiter Wellenlänge in eine Interferometerkavität einzukoppeln; einen Interferometer-Detektor, der mit der Interferometerkavität gekoppelt ist und ausgelegt ist, ein Interferenzmesssignal basierend auf Interferometerlicht erster und zweiter Wellenlänge bereitzustellen; eine Demodulatoreinheit, die ausgelegt ist, ein erstes Demodulationssignal basierend auf dem Interferenzmesssignal durch Demodulation mit der ersten Modulationsfrequenz und ein zweites Demodulationssignal basierend auf dem Interferenzmesssignal durch Demodulation mit der zweiten Modulationsfrequenz zu erzeugen; und eine Recheneinheit, die ausgelegt ist, eine Absolut-Entfernung durch Auswerten des während eines Durchlaufs der ersten durchstimmbaren Frequenz erhaltenen ersten Demodulationssignals und des zweiten Demodulationssignals zu berechnen.
Gerät nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Frequenzdurchlauf-Steuereinheit, die ausgelegt ist, die erste durchstimmbare Frequenz über ein erstes Frequenzintervall durchlaufen zu lassen.
Gerät nach Anspruch 2, wobei die Frequenzdurchlauf-Steuereinheit ausgelegt ist, eine Temperaturänderung an die erste durchstimmbare Lichtquelle anzuwenden, um den Durchlauf der ersten durchstimmbaren Frequenz zu steuern.
Gerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Frequenzdurchlauf-Steuereinheit ausgelegt ist, eine Betriebsstromänderung an die erste durchstimmbare Lichtquelle anzuwenden, um die erste durchstimmbare Frequenz zu stabilisieren.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Lichtquelle eine durchstimmbare Lichtquelle ist, so dass die zweite Frequenz eine zweite durchstimmbare Frequenz ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: eine erste Gaszelle, die mit dem Licht erster Wellenlänge wechselwirkt; und einen ersten Detektor, der mit der ersten Gaszelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, ein erstes Absorptionsmesssignal basierend auf einer Absorptionslinie der ersten Gaszelle bereitzustellen; und/oder ferner aufweisend: eine zweite Gaszelle, die mit dem Licht zweiter Wellenlänge wechselwirkt; und einen zweiten Detektor, der mit der zweiten Gaszelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, ein zweites Absorptionsmesssignal basierend auf einer Absorptionslinie der zweiten Gaszelle bereitzustellen.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Demodulatoreinheit ferner aufweist: einen ersten Demodulator, der der ersten Modulationsfrequenz zugeordnet ist und ausgelegt ist, das Interferenzmesssignal mit der ersten Modulationsfrequenz zu demodulieren; und einen zweiten Demodulator, der der ersten Modulationsfrequenz zugeordnet ist und ausgelegt ist, das Interferenzmesssignal mit einer Harmonischen der ersten Modulationsfrequenz zu demodulieren; und/oder ferner aufweisend: einen dritten Demodulator, der der zweiten Modulationsfrequenz zugeordnet ist und ausgelegt ist, das Interferenzmesssignal mit der zweiten Modulationsfrequenz zu demodulieren; und einen vierten Demodulator, der der zweiten Modulationsfrequenz zugeordnet ist und ausgelegt ist, das Interferenzmesssignal mit einer Harmonischen der zweiten Modulationsfrequenz zu demodulieren.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit ausgelegt ist, eine grober Absolut-Entfernung basierend auf dem während des Durchlaufs der ersten Frequenz erhaltenen ersten Demodulationssignal und dem zweiten Demodulationssignal zu berechnen.
Gerät nach Anspruch 8, wobei die Recheneinheit ferner ausgelegt ist, eine Interferenzmuster-Streifenzahl N_s einer synthetischen Wellenlänge Λ = λ_aλ_b/(n_aλ_b – n_bλ_a) basierend auf der groben Absolut-Entfernung zu berechnen, wobei n_a der Brechungsindex innerhalb der Interferometerkavität bei der ersten Wellenlänge λ_a und n_b der Brechungsindex innerhalb der Interferometerkavität bei der zweiten Wellenlänge λ_b sind.
Gerät nach Anspruch 9, wobei die Recheneinheit ferner ausgelegt ist, eine Zwischen-Absolut-Entfernung basierend auf der Interferenzmuster-Streifenzahl N_s und einer gemessenen Phase der synthetischen Wellenlänge Λ zu berechnen.
Gerät nach Anspruch 10, wobei die Recheneinheit ferner ausgelegt ist, eine Interferenzmuster-Streifenzahl N_b der zweiten Wellenlänge λ_b basierend auf der Zwischen-Absolut-Entfernung zu berechnen.
Gerät nach Anspruch 11, wobei die Berechnungseinheit ferner ausgelegt ist, eine hochgenaue Absolut-Entfernung basierend auf der Interferenzmuster-Streifenzahl N_b und einer gemessenen Phase der zweiten Längenwelle λ_b zu berechnen.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gerät ausgelegt ist, eine fraktionale Phase des Interferometerlichts erster Wellenlänge bei einer bekannten ersten Wellenlänge λ_a und eine fraktionale Phase des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge bei einer bekannten zweiten Wellenlänge λ_b zu messen; die Recheneinheit ausgelegt ist, eine Mehrzahl von möglichen Kombinationen von N_a, N_b basierend auf der Kenntnis einer groben Absolut-Entfernung zu berechnen, wobei N_a und N_b die Interferenzmuster-Streifenzahlen bei der ersten Wellenlänge λ_a bzw. bei der zweiten Wellenlänge λ_b sind; und die Recheneinheit ausgelegt ist, eine bestimmte Kombination von N_a, N_b aus der Mehrzahl von möglichen Kombinationen von N_a, N_b basierend auf einem Extremalprinzip und den gemessenen fraktionalen Phasen des Interferometerlichts erster und zweiter Wellenlänge zu bestimmen.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Gerät ausgelegt ist, zwei fraktionale Phasen des Interferometerlichts erster Wellenlänge bei einer bekannten ersten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_a,s und einer bekannten ersten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_b,e zu messen und zwei fraktionale Phasen des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge bei einer bekannten zweiten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_b,s und einer bekannten zweiten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_b,e zu messen; Die Recheneinheit ausgelegt ist, zwei Sätze von möglichen Kombinationen von N_a,s, N_b,s bzw. N_a,e, N_b,e basierend auf der Kenntnis einer groben Absolut-Entfernung bei dem Frequenzdurchlauf-Start zu berechnen, wobei N_a,s, N_b,s die Interferenzmuster-Streifenzahlen an der ersten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_a,s bzw. der zweiten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_b,s sind, und wobei N_a,e, N_b,e die Interferenzmuster-Streifenzahlen bei der ersten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_a,e bzw. der zweiten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_b,e sind; und die Recheneinheit ausgelegt ist, eine bestimmte Kombination von N_a,s, N_b,s und eine bestimmte Kombination von N_a,e, N_b,e basierend auf einem Extremalprinzip, auf den zwei fraktionalen Phasen des Interferometerlichts erster Wellenlänge und auf den zwei fraktionalen Phasen des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge zu bestimmen.
Gerät zur Absolut-Entfernungsmessung durch Interferometrie, das Mittel aufweist die ausgelegt sind zum Durchlaufen einer ersten durchstimmbaren Frequenz eines ersten Lichts moduliert von einer ersten Modulationsfrequenz über ein erstes Frequenzintervall; Eingeben des ersten Lichts in eine Interferometerkavität; Messen einer ersten Phasenverschiebung durch Demodulieren eines Interferenzmesssignals basierend auf durch die Interferometerkavität erzeugten Interferometerlicht erster Wellenlänge mit der ersten Modulationsfrequenz und einer harmonischen Frequenz davon; Eingeben eines zweiten Lichts einer zweiten Frequenz moduliert durch eine zweite Modulationsfrequenz in die Interferometerkavität; Messen einer zweiten Phasenverschiebung durch Demodulieren eines Interferenzmesssignals basierend auf einem Interferometerlicht zweiter Wellenlänge mit der zweiten Modulationsfrequenz und einer harmonischen Frequenz davon; und Berechnen des groben Werts der Absolut-Entfernung basierend auf dem ersten Frequenzintervall, der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung.
Gerät nach Anspruch 15, ferner aufweisend Mittel, die ausgelegt sind, eine Interferenzmuster-Streifenzahl N_s einer synthetischen Wellenlänge Λ = λ_aλ_b/(n_aλ_b – n_bλ_a) basierend auf dem groben Wert für die Absolut-Entfernung zu bestimmen, wobei n_a der Brechungsindex innerhalb der Interferometerkavität bei der ersten Wellenlänge λ_a und n_b der Brechungsindex innerhalb der Interferometerkavität bei der zweiten Wellenlänge λ_b sind.
Gerät nach Anspruch 15 oder 16, ferner aufweisend Mittel zum Messen einer fraktionalen Phase des Interferometerlichts erster Wellenlänge bei einer bekannten ersten Wellenlänge λ_a und einer fraktionalen Phase des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge bei einer bekannten zweiten Wellenlänge λ_b; Berechnen einer Mehrzahl von möglichen Kombinationen von N_a, N_b basierend auf dem groben Wert der Absolut-Entfernung, wobei N_a die Interferenzmuster-Streifenzahl bei der bekannten ersten Wellenlänge λ_a und N_b die Interferenzmuster-Streifenzahl bei der bekannten zweiten Wellenlänge λ_b sind; und Bestimmen einer bestimmten Kombination von N_a, N_b aus der Mehrzahl von möglichen Kombinationen von N_a, N_b basierend auf einem Extremalprinzip und der gemessen fraktionalen Phasen des Interferometerlichts erster und zweiter Wellenlänge.
Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner aufweisend Mittel, die ausgelegt sind zum Durchlaufen der zweiten Frequenz des zweiten Lichts über ein zweites Frequenzintervall; Messen von zwei fraktionalen Phasen des Interferometerlichts erster Wellenlänge bei einer bekannten ersten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_a,s und einer bekannten ersten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_a,e, und Messen von zwei fraktionalen Phasen des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge bei einer bekannten zweiten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_b,s und einer bekannten zweiten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_b,e; Berechnen eines Satzes von ersten Kombinationen von N_a,s, N_b,s und eines Satzes von zweiten Kombinationen von N_a,e, N_b,e basierend auf dem groben Wert für die Absolut-Entfernung, wobei N_a,s, N_b,s die Interferenzmuster-Streifenzahlen bei der ersten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_a,s bzw. der zweiten Frequenzdurchlauf-Startwellenlänge λ_b,s sind, und wobei N_a,e, N_b,e die Interferenzmuster-Streifenzahlen bei der ersten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_a,e bzw. der zweiten Frequenzdurchlauf-Endwellenlänge λ_b,e sind; und Bestimmen einer bestimmten Kombination von N_a,s, N_b,s aus dem Satz der ersten Kombinationen und einer bestimmten Kombination von N_a,e, N_b,e aus dem Satz der zweiten Kombinationen basierend auf einem Extremalprinzip, auf den zwei fraktionalen Phasen des Interferometerlichts erster Wellenlänge und auf den zwei fraktionalen Phasen des Interferometerlichts zweiter Wellenlänge.