-
Zweikanal-Zweifrequenz-Laserinterferometer
-
Die Erfindung betrifft ein Zweikanal-Zweifrequenz-Laserinterferometer
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches, wie es beispielsweise aus der DE-PS 31
24 357 als bekannt hervorgeht. Parallel dazu kann auch auf die Firmenschrift Hewlett-Packard,
5526 A Laser-Meßsystem verwiesen werden.
-
Neben dem Laserkopf und den einzelnen Bausteinen zur Strahltrennung
für die Interferometrie ist vor allen Dingen ein nicht unerheblicher Aufwand für
die Signalauswertung nötig. Bei einem Zweikanal-Laserinterferometer sind bisher
stets zwei sogenannte Anzeigeeinheiten nötig geworden, die je zwei sehr schnelle
Zähler, einen Rechner, eine digitale Anzeige und Interface-Einheiten enthalten.
Ausgangs dieser beiden Anzeigeeinheiten mußte häufig noch eine zusätzliche Einheit
verwendet werden, die die Ausgangssignale dieser beiden Anzeigeeinheiten in bestimmter
Weise noch verknüpfte und zu einem eigentlichen aussagekräftigen Meßsignal umwandelte
und dieses anzeigte. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen und einer laufenden Temperatur-,
Luftdruck- und Feuchtigkeitsmessung in der Meßstrecke mußten diese Werte laufend
korrigierend in die
Signale hineingerechnet und entsprechende Fehler
kompensiert werden, wozu mindestens ein, wenn nicht zwei sogenannte Kompensationsrechner
nötig wurden. Der Gesamtaufwand für diese Anzeigeeinheiten und Kompensatoren liegt
etwa in der Größenordnung von 50 bis 60.000 DM.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, das zugrunde gelegte Laserinterferometer
dahingehend auszugestalten, daß für eine zweikanalige, winkelkompensierende Längenmessung
trotz einer hohen Meßauflösung nur eine einzige Anzeigeeinheit und demgemäß auch
höchstens ein einziger Kompensationsrechner erforderlich wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs gelöst. Dank der Durchführung der Längenmessung in den beiden Meßkorridoren
mit unterschiedlichen Frequenzen und einer anschließenden Differenzbildung der beiden
Signale entsteht in der Anzeigeeinheit der doppelte Mittelwert der Meßstreckenlänge
der beiden Meßkorridore. Durch eine einfache Halbierung dieses Wertes wird eine
höhere Genauigkeit als bei einer einfachen Messung dieses Mittelwertes erreicht.
-
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
nachfolgend noch erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Grundrißdarstellung
eines Interferometer-Aufbaues für eine zweikanalige, winkelkompensierende Längenmessung.
-
Der in der Figur gezeigte Meßaufbau enthält zunächst einen Laserkopf
1. Dieser umfaßt eine Laserlichtquelle 2, die einen Lichtstrahl 3 mit zwei Strahlanteilen
unterschiedlicher Frequenz f1 und f2 erzeugt, wobei die beiden Strahlanteile auch
unterschiedlich linear polarisiert sind. Auch eine unterschiedliche zirkulare Polarisation
ist denkbar, was jedoch bei der Auswahl der später noch zu erwähnenden Polarisationstrahlteiler
berücksichtigt werden muß. Außer der Laserlichtquelle sind im dem Laserkopf noch
zwei Empfänger 4 und 5 für zurückkehrendes Licht angeordnet, wobei es sich um opto-elektrische
Wandler mit sehr geringer zeitlicher Trägheit handelt.
-
Mit ihnen kann eine Interferenz der beiden aus der Meßstrecke zurückkehrenden
Strahlanteile bzw. die zeitliche Meßsignal-Schwebung abgezählt werden. Die Lichtstrahleingänge
für diese beiden Empfänger sind um ein definiertes Maß und in einer definierten
Richtung gegenüber der Austrittsstelle des ausgesandten Lichtstrahles 3 versetzt.
Üblicherweise ist im innern eines Laserkopfes auch noch ein innerer Intensitätsstrahlteiler
6 angebracht, der beide Strahlanteile auf den Referenzempfänger 7 wirft, der dort
die Referenz-Schwebung der beiden Strahlanteil-Frequenzen laufend feststellt und
an dem dieses Referenzsignal entnehmbar ist. Vorliegend wird jedoch dieses Signal
nicht benötigt. Vielmehr ist der Umschalter 8 im Inneren des Laserkopfes auf "Differenz"
geschaltet, bei dem die Ausgänge der beiden Empfänger 4 und 5 nach außen geschaltet
sind.
-
Nachfolgend sei die zu Beginn der Meßstrecke 13 ortsfest und starr
gehalterte Anordnung zur Strahlteilung beschrieben: Zunächst ist im ausgesandten
Strahl 3 ein externer Intensitätsstrahlteiler 9 angeordnet, der den austretenden
Lichtstrahl in zwei gleichartige Strahlanteile aufspaltet, die beide noch die beiden
unterschiedlichen Strahlfrequenzen enthalten. Der abgelenkte Strahlanteil wird über
einen ersten Umlenkspiegel 10 erneut umgelenkt, so daß er parallel zum austretenden
Lichtstrahl 3 aber um ein definiertes Maß a seitenversetzt zu ihm zu einem ersten
Polarisationsstrahlteiler 14 verläuft. Der am Intensitätsstrahlteiler 9 geradlinig
hindurchlaufende Strahlanteil läuft zu dem zweiten Polarisationsstrahlteiler 15
hin. Beide Polarisationsstrahlteiler 14 und 15 sind in starrer Relativlage zueinander
gehaltert; sie markieren den Beginn der Meßstrecke 13.
-
Durch den erwähnten Intensitätsstrahlteiler 9 und den ersten Umlenkspiegel
10 wird das ausgesandte Laserlicht auf zwei in definiertem Abstand parallel nebeneinanderliegende
Strahlkorridore 12 und 12' aufgeteilt bzw.
-
umgelenkt.
-
Durch die beiden Polarisationsstrahlteiler 14 und 15 werden nun die
beiden unterschiedlich polarisierten Strahlanteile mit den unterschiedlichen Frequenzen
f1 und f2 getrennt, und zwar tritt der jeweils geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler
hindurchtretende Strahlanteil in die Meßstrecke 13 ein, wogegen der am Polarisationsstrahlteiler
abgelenkte Strahlanteil über jeweils einen ersten Referenzreflektor 16 bzw. den
zweiten Referenzreflektor 17 mittelbar zu den jeweils zugehörigen
Empfängern
4 bzw. 5 im Laserkopf zurückgeleitet wird. Da die beiden den Polarisationsstrahlteilern
14 und 15 starr zugeordneten Referenzreflektoren 16 bzw. 17 als Tripelreflektoren
ausgebildet sind, der einfallende Lichtstrahl jedoch seitenversetzt gegenüber dem
zentralsymmetrischen Punkt dieser Reflektoren liegt, läuft der reflektierte Strahl
um das doppelte Maß dieses Seitenversatzes gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl
zurück. Das von dem in der Figur oberen Strahlkorridor 12 zurückkehrende Referenzlicht
wird über den ersten Umlenkspiegel 10 und über einen mit dem Intensitätsstrahlteiler
9 planebenen zweiten Umlenkspiegel 11 in den Empfänger 4 zurückgeleitet.
-
Das aus dem unteren Strahlkorridor 12' zurückkehrende Licht gelangt
geradlinig zu dem unteren Empfänger 5 zurück.
-
Wie die Figur veranschaulicht, sind die beiden Polarisationsstrahlteiler
14 und 15 und die ihnen starr zugeordneten Referenzreflektoren 16 bzw. 17 zueinander
um 900 verschwenkt in die Anordnung eingebaut. Während der erste Polarisationsstrahlteiler
den Referenzstrahl in der Zeichenebene umlenkt, ist der zweite Polarisationsstrahlteiler
derart eingebaut, daß das Referenzlicht senkrecht zur Zeichenebene abgelenkt wird.
Der zweite Referenzreflektor 17 ist demgemäß in der Zeichnung oberhalb des zweiten
Polarisationsstrahlteilers angeordnet. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß
in den beiden Strahlkorridoren 12 bzw. 12' unterschiedliche Strahlanteile als Referenzlicht
verwendet werden. Während beim oberen Strahlkorridor 12 der Strahlanteil mit der
Frequenz f1 als Referenzlicht benutzt wird, wird beim unteren Strahlkorridor 12'
der Strahlanteil mit der Frequenz f2 vom
Referenzreflektor zurückgeworfen.
Demgemäß wird beim oberen Strahlkorridor der Strahlanteil mit der Frequenz f2 als
Meßlicht verwendet, und es tritt beim unteren Strahlkorridor 12' der Strahlanteil
mit der Frequenz f1 in die Meßstrecke ein.
-
Durch die hier geschilderte unterschiedliche Einbaulage der beiden
Polarisationsstrahlteiler 14 bzw. 15 wird auf einfachste Art die hier gewünschte
Differenzierung, nämlich Verwendung unterschiedlicher Strahlanteile in den Meßstrecken
der beiden Strahlkorridore, erreicht, weil gleichartige Polarisationsstrahlteiler
verwendet werden können und keine Zusatzteile nötig sind. Es wäre statt dessen auch
denkbar, unterschiedliche Polarisationsstrahleiler zu verwenden, diese jedoch gleichartig
in die Anordnung einzubauen. Für den einen Polarisationsstrahlteiler müßte dieser
für die eine Polarisationsart durchlässig und für die andere ablenkend sein und
beim anderen Polarisationsstrahlteiler müßte es umgekehrt sein. Als weitere Möglichkeit
ist auch noch denkbar, zwei gleichartige Polarisationsstrahlteiler zu verwenden
und diese auch gleichartig in die Anordnung einzubauen; jedoch müßte dann vor einem
der beiden Polarisationsstrahlteiler ein polarisationswandelndes Element vorgesehen
werden, welches den Polarisationszustand der beiden Strahlanteile derart wandelt,
daß eben der oben angesprochene gewünschte Effekt eintritt. Als polarisationswandelndes
Element kann beispielsweise eine sogenannte x/2-Platte verwendet werden.
-
Das Ende der Meßstrecke 13 ist durch ein Paar von Meßreflektoren 18
bzw. 18' definiert, die beide beim dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls als
Tripelreflektor ausgebildet sind. Der Abstand ihrer zentralsymmetrischen Punkte
beträgt ebenfalls das Maß a. Sie sind in starrer Relativlage zueinander auf einem
gemeinsamen Halter 19 gehalten, welches starr auf einem zu vermessenden Schlitten
20 gehaltert ist; dieser ist seinerseits entlang einer parallel zur Meßrichtung
sich erstreckenden Führung 21 beweglich.
-
Für die Signalauswertung bei der Interferometrie ist zunächst eine
Anzeigeeinheit 24 vorgesehen, in die lediglich die Ausgänge der beiden Empfänger
4 und 5 eingegeben werden; der Ausgang des Referenzempfängers 7 ist nicht erforderlich
für die Signalauswertung. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen ist außerdem noch
eine Korrekturrechnung für die Einflüsse von Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit
innerhalb der Meßstrecke nötig. Deswegen ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel
noch ein Kompensationsrechner 23 dargestellt, der von Meßfühlern 22 für Temperatur,
Luftdruck und Feuchtigkeit ansteuerbar ist und dessen Ausgang ebenfalls auf die
Anzeigeeinheit 24 geschaltet ist.
-
Dadurch, daß in den beiden Strahlkorridoren der Meßstrecke unterschiedliche
Frequenzanteile des ausgesandten Lichtstrahles verwendet werden, kommt es zu einer
unterschiedlichen Interferenzbildung. Und zwar sind die beiden Interferenzen innerhalb
der beiden Strahlkorridore gerade negativ zueinander. Aufgrund einer Differenzbildung
dieser beiden Interferenzsignale kommt es gerade zu einer
Addition,
so daß ausgangs der Anzeigeeinheit 24 der doppelte Mittelwert der Meßstreckenlänge
in der Mittelachse zwischen den beiden Strahlkorridoren 12 bzw. 12 anzeigbar ist.
Häufig ist die Mittelachse optisch nicht zugänglich, so daß eine beiderseitige versetzte
Messung nötig wird.
-
Dadurch, daß man in jedem Strahlkorridor innerhalb der Meßstrecke
eine sogenannte A/4-Platte anordnet und die beiden Meßreflektoren 18 bzw. 18' als
Planspiegel ausbildet und zusätzlich an den beiden Polarisationsstrahlteilern 14
und 15 - den Referenzreflektoren gegenüberliegend -jeweils weitere Tripelreflektoren
anbringt, kann das Meßlicht in jedem Strahlkorridor insgesamt zweimal hin-und herlaufen,
so daß die Auflösegenauigkeit verdoppelt wird. Diese Möglichkeit ist auch schon
in der eingangs zitierten Patentschrift realisiert.