DE3328773A1 - Interferometrische anordnung zur optoelektrischen distanzmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine interferometrische Anordnung zur optoelektrischen Distanzmessung.

Die modernen Distanzmeßgeräte beruhen in der Regel auf der Grundlage der Laufzeitmessung von Lichtimpulsen oder des Phasenvergleichs elektrooptisch modulierter Lichtwellen. Alle derartigen Verfahren nutzen das Licht nur als Modulationsträger, so dass die gegenwärtig erreichbaren Meßwellenlängen in der Größenordnung von 1 m liegen. Ein sehr genaues elektrooptisches Meßverfahren ist im US-Patent 4 068 951 beschrieben.

Genauer als dieses Gerät sind interferometrische Anordnungen.

Ein Laserstrahl wird in einem Meß- und einen Referenzstrahl aufgespalten. Der Meßstrahl wird nach dem Durchlaufen der Meßstrecke und der Reflexion am Meßreflektor wieder mit dem Referenzstrahl vereinigt. Entsprechend der relativen Phasenwinkellage zwischen Meß- und Referenzstrahl, entstehen im Interferenzpunkt bei Bewegung des Meßreflektors Hell-Dunkelsignale, die durch Photodetektoren registriert und elektronisch gezählt werden. Die Aufaddition der einzelnen Zählimpulse liefert in Verbindung mit dem Wert der Laserwellenlänge die Gesamtverschiebung des Reflektors, so dass auf diese Weise Längen und Distanzen mit Auflösungen in der Größenordnung der Wellenlänge und bei geeigneter Interpolation darunter gemessen werden können.

Interferometrische Anordnungen dieser Art eignen sich jedoch nur bedingt zur Distanzmessung, da auf Grund der erforderlichen Aufaddition der Weginkremente keine Strahlunterbrechungen zulässig sind, so dass der Meßreflektor längs der Wegstrecke an eine Führungsbahn gebunden sein muß, um Strahlauswanderungen zu verhindern.

Im US-Patent 4 055 936 wird eine interferometrische Methode beschrieben, die eine kohärente Lichtquelle enthält, die zwei verschiedene Frequenzen f[tief]1 und f[tief]2 aussendet. Jeder Ausgangsstrahl wird in zwei Teile aufgespalten, von denen jeweils eine Strahlkomponente durch eine spezielle Vorrichtung eine Frequenzverschiebung df[tief]1 bzw. df[tief]2 erfährt. Die Strahlanteile mit den unveränderten Frequenzen f[tief]1 und f[tief]2 werden über die interessierende Distanz geführt und am Meßreflektor zurückreflektiert. Ein Photodetektor empfängt das Licht aller Teilstrahlen derart, dass die Strahlkomponente der Frequenz f[tief]1 mit dem in seiner Frequenz veränderten Anteil f[tief]1 + df[tief]1 und der Strahlanteil mit der Frequenz f[tief]2 ebenso mit der entsprechenden Komponente f[tief]2 + df[tief]2 kohärent interferieren. Vom Detektor wird ein Signal der Frequenz (df[tief]1 - df[tief]2) abgeleitet, dessen Phase der Differenz der beiden einzelnen Phasenwinkel entspricht und ein Maß für die durchlaufene Distanz ist.

Diese interferometrische Methode benötigt eine zusätzliche Vorrichtung zur Abänderung der Ausgangsfrequenz in jeweils einer Teilkomponente der Laserstrahlung. Darüberhinaus erlaubt die Benutzung von nur zwei Laserfrequenzen die Erzeugung eines nur sehr kleinen eindeutigen Distanzmeßbereichs mit einer akzeptablen Distanzauflösung.

Es sind keine interferometrischen Anordnungen bekannt, die über einen großen Distanzmeßbereich (z.B. 100m) verfügen.

Das Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer interferometrischen Anordnung zur optoelektrischen Distanzmessung, die durch Modifizierung bekannter interferometrischer Laser-Weg-Meßsysteme erreicht werden kann, wodurch neue technische Einsatzgebiete für interferometrische Meßmethoden erschlossen werden können.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Anordnung zur opto-elektrischen Distanzmessung über große Verfahrbereiche auf inter- ferometrischer Grundlage zu erzielen, da bekannte interferometrische Anordnungen gegenwärtig nur die Aufgaben einer Längenmessung erfüllen, bestenfalls jedoch nur über kleine Verfahrbereiche eine Distanzmessung erlauben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, in dem eine Anordnung gewählt wird, die aus einer oder mehreren Laserlichtquellen besteht, die jeweils zwei linear polarisierte Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz f[tief]1 und f[tief]2, vorzugsweise zwei Lasermoden, mit um 90° verschiedenen Polarisationsebenen aussenden, wobei der Modenabstand unter den einzelnen Lasern infolge verschiedener Laserspiegelabstände gering variiert. Darüberhinaus besteht die Anordnung aus einem bekannten Laserinterferometer zur Längenmessung, das mehrere phasenverschobene Interferenzsignale erzeugt, die sich durch Überlagerung eines Meß- und eines Referenzstrahls ergeben. Der Interferometerblock enthält neben der aus Photoempfängern bestehenden Wandlereinheit eine gleichartige zweite Wandlereinheit und einen oder mehrere Polarisationsteiler, die bewirken, dass in Abhängigkeit von der Orientierung der Polarisationsebene des Laserstrahls die im Interferometerblock erzeugten Interferenzsignale entweder auf die eine oder die andere Wandlereinheit fallen. Der elektronische Teil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht aus Vorrichtungen zur analogen Signalvorverarbeitung und Zwischenspeicherung, einem Analog-Digitalwandler sowie einer Rechnereinheit mit Ausgabemedium.

Das von einem Laser erzeugte Strahlenbündel enthält zwei linear polarisierte Moden, die sich in der Orientierung ihrer Polarisationsebenen um 90° unterscheiden. Beide Lichtfrequenzen durchmessen gleichzeitig den gesamten optischen Weg, einschließlich der Interferometerstrecke, gemeinsam. Die im Interferometerblock erzeugten Interferenzsignale werden durch die geeignet angeordneten Polarisationsteiler entsprechend der Polarisationsorientierung jeder Frequenzkomponente räumlich getrennt und auf die beiden separaten Wandlereinheiten gerichtet. An jede Wandlereinheit schließt sich eine elektronische Vorverarbeitungsstufe zur Eliminierung von Störeinflüssen an. Die erzeugten elektrischen Signale beider Wandlereinheiten werden daraufhin gleichzeitig elektronisch zwischengespeichert mit Einspeicherzeiten, die sehr viel kleiner sind, als die Zeiten, in denen messbare Änderungen des durchstrahlten optischen Mediums infolge Turbulenz stattfinden.

Die zwischengespeicherten analogen Signale werden mittels Analog-Digitalwandler diskretisiert und einer Rechnereinheit zugeführt, in der über bekannte funktionale Zusammenhänge die Berechnung des Phasenwinkels jedes der beiden den Laserfrequenzen entsprechenden Interferenzsignale erfolgt. Die Differenz beider Phasenwinkel liefert wie bei anderen Phasenmeßverfahren einen zur gemessenen Distanz proportionalen Wert, der, multipliziert mit bekannten Konstanten, angezeigt wird.

Ein durch zwei Lasermoden erzeugter Distanzmaßstab kann infolge physikalischer Einschränkungen des möglichen Frequenzabstands beider Moden nur eine Länge in der Größenordnung von 0,1m besitzen, so dass eindeutige Distanzmessungen nur in diesem Bereich möglich sind. Durch Kombination mehrerer Maßstäbe, die sich in ihrer Länge nur geringfügig unterscheiden, können jedoch wesentlich größere eindeutige Distanzmeßbereiche erzielt werden. Die Verwendung mehrerer Laserlichtquellen, deren Modenabstand durch geringfügige Änderungen der Laserspiegelabstände verschieden ist, erlaubt daher bei aufeinanderfolgenden Messungen mit jeder Laserlichtquelle und entsprechender Kombination der einzelnen berechneten Distanzmeßwerte eine eindeutige Distanzbestimmung über einen relativ großen Verfahrbereich.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung Fig. 1 ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt.

Die Anordnung besteht aus gleichartigen Laserlichtquellen (1a, b, c), die jeweils zwei linear polarisierte Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz f[tief]1 und f[tief]2 in Form zweier Lasermoden mit um 90° verschiedenen Polarisationsebenen aussenden, wobei der Modenabstand durch geringfügige Änderungen der Laserspiegelabstände unter den Lasern jeweils verschieden ist. Durch einen Spiegel (3), einem 50%-Strahlteiler sowie einem Strahlteiler mit 33 1/3 % Reflexionsvermögen (4a, 4b) werden alle Laserstrahlen intensitätsgleich zusammengeführt und auf die Interferometerstrecke gerichtet. Optische Verschlüsse (2a, b, c) bewirken, dass jeweils nur Licht einer Laserquelle die optische Strecke durchmisst. Durch ein Einkopplungsprisma (5) gelangt der Laserstrahl in den Interferometerblock (6), wo eine Aufspaltung in Meß- und Referenzstrahl erfolgt. Der Referenzstrahl gelangt zum festen Referenzreflektor (7) und wird dort in Richtung auf den Interferometerblock zurückreflektiert. Der Meßstrahl erfährt in gleicher Weise am beweglichen Meßreflektor (8) eine Reflexion. Beide Strahlen werden im Interferometerblock zur Interferenz gebracht, wobei durch bekannte Anordnungen mehrerer Teilerschichten 4 jeweils um 90° phasenverschobene Interferenzsignale erzeugt werden. An einem Polarisationsteiler (9) erfolgt eine Aufspaltung der Strahlkomponenten entsprechend der Orientierung der Polarisationsebenen der beiden Laserfrequenzen f[tief]1 und f[tief]2. Zwei optoelektrische Wandlereinheiten (10a, b) empfangen die jeweils 4 Signale, deren zeitliche Mittelwerte die Gestalt

B[tief]1 = A[hoch]2 [tief]o [1/2 (1+m[hoch]2) + m cos kleines Omega[tief]1 kleines Tau]

B[tief]2 = A[hoch]2 [tief]o [1/2 (1+m[hoch]2) + m sin kleines Omega[tief]1 kleines Tau]

B[tief]3 = A[hoch]2 [tief]o [1/2 (1+m[hoch]2) - m cos kleines Omega[tief]1 kleines Tau]

B[tief]4 = A[hoch]2 [tief]o [1/2 (1+m[hoch]2) - m sin kleines Omega[tief]1 kleines Tau]

besitzen. Dabei sind A[hoch]2 [tief]o die Intensität des ausgesendeten Laserlichts, m der Grad der Intensitätsmodulation beim Durchlaufen der Interferometerstrecke, dessen zeitliche Abhängigkeit durch atmosphärische Turbulenzen bedingt ist, und der Laufzeitunterschied zwischen Meß- und Referenzstrahl.

Jeder der beiden Wandlereinheiten schließen sich jeweils 2 Differenzbildner (11a, b) und (11c, d) an, so dass am Ausgang jedes Zweiges die beiden Signale

großes Delta B[tief]13 = B[tief]1 - B[tief]3 = 2 A[hoch]2 [tief]o m cos kleines Omega[tief]1 kleines Tau

großes Delta B[tief]24 = B[tief]2 - B[tief]4 = 2 A[hoch]2 [tief]o m sin kleines Omega[tief]1 kleines Tau

anliegen. Mittels jeweils 2 Abtasthaltegliedern (12a, b) und (12c, d) erfolgt die gleichzeitige Einspeicherung der 4 resultierenden Differenzsignale. Ein Multiplexschalter (13) führt nach dem Einspeicherungsvorgang die analogen Signale nacheinander einem Analog-Digitalwandler (14) zu, worauf sich die Einspeicherung der digitalisierten Werte in eine Rechnereinheit (15) anschließt. Innerhalb der Rechnereinheit erfolgt mittels geeigneter Algorithmen die Berechnung der beiden Phasenwinkel

kleines Phi [tief]1 = kleines Omega[tief]1 kleines Tau = 2 kleines Pi f[tief]1 2L/c

und kleines Phi [tief]2 = kleines Omega[tief]2 kleines Tau = 2 kleines Pi f[tief]2 2L/c

Dabei ist 2L der Hin- und Rückweg zwischen Meßreflektor und Interferometerblock und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts. Eine anschließende Differenzbildung

kleines Phi[tief]1 - kleines Phi[tief]2 = 4 kleines Pi großes Delta f L/c

liefert den zu ermittelnden Distanzmeßwert

L = c/4 kleines Pi großes Delta f (kleines Phi[tief]1 - kleines Phi[tief]2),

der mit den Resultaten aller anderen Meßvorgänge, die durch das Einschalten jeder einzelnen Laserlichtquelle nacheinander realisiert werden, zu einer eindeutigen Distanzangabe über einen größeren Distanzmeßbereich kombiniert wird und deren Anzeige mit einem Ausgabemedium (16) erfolgt.

Claims (6)

1. Laser-Interferometer-System mit einer Laserlichtquelle sowie einem Interferometer einschließlich optoelektrischen Wandlern zur Erzeugung von 4 jeweils um 90° phasenverschobenen Interferenzsignalen, die sich durch Überlagerung eines kohärenten Meß- und Referenzstrahls ergeben, geeignet insbesondere zur Längenmessung, gekennzeichnet dadurch, dass neben der aus 4 Photoempfängern bestehenden Wandlereinheit eine gleichartige zweite Wandlereinheit und ein oder mehrere Polarisationsteiler geeignet angeordnet sind, derart, dass die nach dem Passieren der Interferometerstrecke erzeugten Interferenzsignale eines linear polarisierten Laserstrahls entweder auf die eine oder nach Drehung der Polarisationsebene um 90° auf die andere Wandlereinheit fallen.

2. Anordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Laserlichtquelle selbst oder mittels einer entsprechenden Vorrichtung zwei linear polarisierte Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz mit orthogonaler Polarisationsorientierung, vorzugsweise zwei Lasermoden, aussendet, die gemeinsam den gleichen optischen Weg durchlaufen und deren einzelne Interferenzsignale durch die im Interferometerblock angeordneten Polarisationsteiler getrennt auf die beiden Wandlereinheiten gerichtet werden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass die in den optoelektrischen Wandlereinheiten erzeugten elektrischen Signale nach zweckmäßiger analoger Vorverarbeitung gleichzeitig gespeichert werden, mit Einspeicherungszeiten, die sehr viel kleiner sind, als die Zeiten, in denen messbare Änderungen des durchstrahlten optischen Mediums infolge Turbulenz stattfinden.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass die eingespeicherten Signalwerte über einen Analog-Digitalwandler in eine Rechnereinheit eingegeben werden, in der mittels bekannter Algorithmen die Berechnung des Phasenwinkels zwischen Meß- und Referenzstrahl jedes der beiden orthogonal zueinander polarisierten Laserstrahlen sowie die Bildung ihrer Differenz erfolgt, die, multipliziert mit bekannten Konstanten, angezeigt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, dass anstelle eines einzelnen Lasers der aufeinanderfolgende Einsatz mehrerer Laserlichtquellen erfolgt, die infolge verschiedener Laserspiegelabstände untereinander geringfügige Variationen in ihren Modenabständen aufweisen.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet dadurch, dass die nacheinander gewonnenen Messwerte kombiniert werden, derart, dass eine eindeutige Distanzbestimmung über einem großen Verfahrbereich möglich ist.