DE3632977A1 - Interferometeranordnung zur fernmessung von laengen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die im Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 definierte spezielle Interferometeranordnung, mit welcher auch extrem kleine Längenänderungen von z.B. nur wenigen µm außerordenlich genau sogar von der Ferne meßbar sind. Eine solche Interferometeranordnung ist z.B. in

2nd Internat. Conf. on Opt. Fiber Sensors, 5. bis 7. Sept. 1984, Stuttgart, S. 361 bis 364, besonders Fig. 1 beschrieben, wobei dort die beiden Interferometer durch relativ kompliziert aufgebaute Michelson-Interferometer gebildet werden, die jeweils u.a. zwei ebene Spiegel ent­ halten.

Für sich ist das sog. Fabry-Perot-Interferometer bekannt, das ebenfalls zwei Spiegel enthält, zwischen denen reso­ nanzartig das Licht hin und her reflektiert wird. Dieser Interferometertyp ist sehr einfach aufgebaut, verglichen mit dem Michelson-Interferometer. Zumindest einer der beiden Spiegel des Fabry-Perot-Interferometers ist etwas lichtdurchlässig, so daß dort der Lichtausgang - und evtl. auch der Lichteingang - liegt. Für die Gestaltung des Lichteinganges und -ausganges gibt es verschiedene bekann­ te Möglichkeiten.

Die Erfindung löst die Aufgabe,
mittels einer besonders einfach aufgebauten Anordnung die Vibrationempfindlichkeit und Stoßempfindlichkeit der Interferometeranordnung zu verringern, also die Meßge­ nauigkeit bei erschwerten Meßbedingungen zu erhöhen, durch die im Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen. Die Er­ findung eignet sich also z.B. als Meßgerät mit Sensor für Mikromanipulatoren höchster Präzision unter erschwerten Meßbedingungen.

Die im Unteranspruch genannten Maßnahmen erhöhen die Vibrationsunempfindlichkeit, Stoßunempfindlichkeit und damit die Meßgenauigkeit besonders stark, nämlich selbst dann, wenn beide Fabry-Perot-Interferometer vibrieren oder gestoßen werden.

Die Erfindung und ihre Weiterbildung wird anhand des in der Figur gezeigten Beispiels weiter erläutert. Dieses Beispiel entspricht dem bekannten Beispiel mit den beiden Unterschieden, daß als Interferometer jeweils ein beson­ ders einfach aufgebautes Fabry-Perot-Interferometer dient, und daß zumindest einer der vier Spiegel ein Retroreflek­ tor ist, also ein Tripelspiegel, dessen drei polierter, evtl. noch teilverspiegelte, Flächen senkrecht aufeinander stehen.

In der Figur ist ein Beispiel gezeigt, bei welchem sowohl die beweglichen Spiegel S 1, S 3 als auch die fest oder be­ weglich angebrachten Spiegel S 2, S 4 beider Interferometer jeweils Retroreflektoren darstellen. Das gezeigte Beispiel enthält also, ebenso wie das bekannte Interferometer, den Lichtsender S, welcher z.B. inkohärentes Licht 1 L liefert und über eine Glasfaserleitung L 1 an das erste Interfero­ meter S 1/ S 2 angeschlossen ist. Der bewegliche Spiegel S 1 dient als Sensor. Der bewegliche Spiegel S 1 kann nämlich in der Richtung x um einen Wert verschoben werden, der von der Ferne mit Hilfe des zweiten Interferometers S 3/ S 4 außerordentlich genau meßbar ist. Dieses zweite Interfero­ meter S 3/ S 4 ist im Prinzip völlig gleich aufgebaut wie das erste Interferometer mit dem Unterschied, daß statt des Lichtsenders S nun die vom ersten Interferometer S 1/ S 2 kommende, z.B. etliche m lange Glasfaserlichtleitung L 2 einen Teil des Lichtes 2 L als Licht 3 L liefert, welches den Lichtfluß 4 L erzeugt, von dem ein Teil 5 L über die Glasfaser L 3 zum Detektor E fließt. Mit Hilfe eines Ein­ stellorgans, z.B. eines extrem fein einstellbaren Manipu­ lators, kann der bewegliche Spiegel S 3 in der y-Richtung solange - z.B. auch automatisch - verschoben werden, bis im Detektor E ein maximal starkes Empfangssignal auftritt. Dann entspricht die jeweilige Stellung y des beweglichen Spiegels S 3 der jeweiligen Stellung x des als Sensor die­ nenden beweglichen Spiegels S 1.

Wird nun der Spiegel S 1 geringfügig bewegt, d.h. x gering­ fügig verändert - z.B. nur einige µm bewegt -, dann muß der bewegliche Spiegel S 3 seine Position y ebenfalls ge­ ringfügig ändern, bis am Detektor E wieder ein maximales Empfangssignal gemessen wird. Aus der Änderung der Posi­ tion y kann man präzise und eindeutig die Änderung der Position x ableiten.

Beim bekannten Interferometer waren die jeweiligen Spiegel S 1 bis S 4 der beiden Michelson-Interferometer jeweils ebe­ ne Spiegel. Diese Meßanordnung war außerordentlich vibra­ tionsempfindlich und stoßempfindlich, was die Anwendung dieser Meßanordnung zur Fernmessung von Positionen x außer­ ordentlich erschwerte.

Die Erfindung beruht darauf, daß die zunächst nur theore­ tisch gewonnene Vermutung experimentell bestätigt werden konnte, daß die Verwendung von Retroreflektoren statt ebe­ ner Spiegel S 1 bis S 4 die Stoßunempfindlichkeit und Vibri­ ationsunempfindlichkeit außerordentlich erhöht, wodurch die Meßgenauigkeit selbst unter solchen erschwerten Bedin­ gungen erheblich verbessert werden. Die diesen Messungen zugrundeliegende theoretische Anschauung beruht nämlich darauf, daß rein theoretisch Drehungen von Retroreflekto­ ren um ihre Spitze um nahezu 1° ohne weiteres bei dem erfindungsgemäßen Interferometer zugelassen werden können, ohne die Meßgenauigkeit allzu sehr zu gefährden, und daß also Eigenvibriationen bzw. Schwankungen eines schweren, trägen Spiegels, welche durch Vibriationen oder Stöße zur Eigenbewegungen veranlaßt werden, relativ harmlos sind, - vor allem wenn zumindest jene Spiegel, welche beweglich gelagert werden müssen und daher ohnehin leicht zu einer gewissen Lageinstabilität neigen, als Retroreflektoren ausgebildet werden. Bei der Erfindung können also die Vibrationen so stark sein, daß die betreffenden Retrore­ flektoren ohne weiteres ziemlich unruhig um ihre Spitze, an der sie bevorzugt gelagert werden, schwanken können.

Die Art des verwendeten Lichtes ist wie beim bekannten In­ terferometer praktisch beliebig. Man kann z.B. monochroma­ tisches oder inkohärentes verwenden, auch moduliertes oder weißes Licht, wobei die Meßgenauigkeit im allgemeinen zu­ nimmt, wenn das verwendete Licht viele solche Frequenzen, also viele solche Wellenlängen aufweist, für die das den Sensor enthaltende Interferometer resonanzartig abgestimmt ist.

Es zeigte sich darüber hinaus, daß bei der Erfindung - be­ sonders wenn alle Spiegel durch Retroreflektoren gebildet werden - die durch Änderung von y gemessenen Interferenzen außerordentlich spitze, schmale Resonanzen zeigen, und zwar auch wenn bei der Erfindung nur relativ wenig Sorg­ falt auf die Justierung der einzelnen Spiegel verwendet wurde. Mit der Erfindung erhält man also trotz wenig Sorg­ falt oft viel spitzere Resonanzen, als bei sorgfältigerer vibriationsfreier und stoßfreier Lagerung der ebenen Spiegel der bekannten Interferometeranordnung.

Wegen der Vibriationsunempfindlichkeit und Stoßunempfind­ lichkeit der Erfindung kann man auch die Bewegungen x und y der beweglichen Spiegel S 2, S 4 leichter durchführen bzw. die Führungen dieser beweglichen Spiegel können entspre­ chend größere seitliche Toleranzen, also auch ein größeres Spiel aufweisen. Daher ist auch der Aufbau dieser (beim Stand der Technik besonders empfindlichen) Führungen bei der Erfindung sehr einfach.

Weil die Erfindung auch mit außerordentlich kleinen Bau­ teilen herstellbar ist, kann man sie auch zur Fernmessung von Bewegungen von sehr kleinen Objekten verwenden.

Statt den beweglichen Spiegel S 1 als Sensor und den beweg­ lichen Spiegel S 3 zur Fernmessung zu verwenden, kann man auch umgekehrt den beweglichen Spiegel S 3 als Sensor und den beweglichen Spiegel S 1 zur Fernmessung verwenden. Die Erfindung ist also auch insofern vielseitig verwendbar.

Durch die Erfindung wird also der Anwendungsbereich der Interferometeranordnung, verglichen mit dem Anwendungsbe­ reich der bekannten Interferometeranordnung, außerordent­ lich vergrößert, ohne daß es Fälle gibt, in denen zwar diese bekannte Anordnung, aber nicht die Erfindung ver­ wendbar wäre.

Claims (2)

1. Interferometeranordnung zur Fernmessung von Längen (x),
mit einem Lichtsender (S),
mit zwei über eine feste Lichtleitung (L 2), z.B. Glas­ faserlichtleitung, verbundenen Interferometern (S 1/ S 2, S 3/ S 4), die jeweils zwei Spiegel (S 1/ S 2, S 3/ S 4) enthal­ ten, von denen jeweils zumindest einer (S 1, S 3) beweg­ lich (x, y) ist, und
mit einem Detektor (E),
dadurch gekennzeichnet, daß
beide Interferometer (S 1/ S 2, S 3/ S 4) jeweils Fabry-Perot- Interferometer sind, und
zumindest der bewegliche Spiegel (S 1, S 3) von zumindest einem der beiden Fabry-Perot-Interferometer (S 1/ S 2, S 3/ S 4) jeweils ein Retroreflektor ist.

2. Interferometer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils beide Spiegel beider Fabry-Perot-Interferometer (S 1/ S 2, S 3/ S 4) jeweils Retroreflektoren sind.