DE3836174A1 - Optoelektronische schaltungsanordnung, insbesondere zur laengenmessung, sowie verfahren zum betrieb eines interferometers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Schaltungs­ anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie ein Verfahren zum Betrieb eines vorzugsweise zur Längen­ messung dienenden Interferometers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

In einem Interferometer, wie es häufig zur Längenmessung eingesetzt wird, wird das Lichtinterferenzsignal durch eine Fotodiode abgetastet, die ein der Lichtinterferenz entspre­ chendes Ausgangssignal abgibt. Dieses Ausgangssignal weist wegen der Grundhelligkeit im Interferometer einen Gleichanteil auf, der nicht ohne weiteres durch eine Gleichspannung kompen­ sierbar ist, da er in Abhängigkeit von verschiedenen Einflüssen variieren kann.

Durch die DE-OS 35 28 259 ist eine Vorrichtung der be­ treffenden Art bekannt, bei der die im Interferometer verwendete Wellenlänge zwischen zwei Lasermoden über eine Sprungstelle des Lasers hinweg hin- und hergeschaltet wird und gleichzeitig die Wellenlängen in den benachbarten Moden moduliert werden, um eine Phasenmessung zu ermöglichen. Diese bekannte optoelektro­ nische Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß eine Kompen­ sation des Gleichanteils nur mit Hilfe eines zweiten Bezugs­ interferometers möglich ist, mit dem die Gleichlichtverhältnisse in dem ersten Interferometer nachgebildet werden, so daß eine Kompensation möglich ist. Der Aufwand für eine derartige Kom­ pensation ist beträchtlich. Darüber hinaus besteht der Nach­ teil, daß die Phasendifferenzmessung über einen Modensprung hinweg durchgeführt werden muß, was zu einer sehr begrenzten Meßauflösung führt.

Durch die DE-OS 34 04 963 ist ein Interferometer zur Längenmessung bekannt, das in der eingangs beschriebenen Weise mit einem Regelinterferometer zusammenarbeitet, das mit dem gleichen Licht betrieben wird und durch das durch Vergleich ein Kompensationssignal gebildet werden kann, um Gleichanteile zu kompensieren. Bei einer solchen Lösung ergeben sich jedoch viele Stabilitätsprobleme beim Betrieb, die nur mit sehr hohem Aufwand verringert, niemals jedoch ganz vermieden werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelek­ tronische Schaltungsanordnung mit einem Interferometer zu schaffen, das ein gleichsignalfreies Ausgangssignal liefert und dabei einfach und billig im Aufbau und problemfrei im Be­ trieb ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre bei einer Schaltungsanordnung gelöst. Anspruch 6 gibt in allgemeiner Form die entsprechende verfahrensmäßige Lehre wieder.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist verhältnis­ mäßig einfach im Aufbau und vor allem einfach im Betrieb. Sie ermöglicht außerdem eine Reduzierung von Drift und Rauschen. Sie beruht auf dem Grundgedanken, im elektrooptischen Teil eine quasi trägerfrequente Signalverarbeitung zu verwenden, bei der das aufmodulierte Signal wieder von dem Träger befreit werden kann, so daß dessen Gleichwerte nicht in das Ausgangs­ signal eingehen. Da die Modulation Frequenzmodulationscharakter hat, kann das Modulationssignal auch konstante Werte über­ tragen, wie das z.B. dann der Fall ist, wenn das Interferenz­ signal im Interferometer steht, also keine Hell/Dunkelwechsel an der das Interferenzsignal abtastenden Fotodiode auftreten.

Erfindungsgemäß wird die Wellenlänge eines Lasers zwischen zwei Modensprüngen ständig geändert, also in einem linearen Bereich der Kennlinie des Lasers. Dem Speisestrom für den Laser wird ein Wechselstrom von einem Oszillator überlagert, so daß sich die Wellenlänge des Lasers im Takte der Oszillatorfrequenz ändert. Dabei sollte der Hub der Änderung der Wellenlänge des Lasers genügend weit von den Modensprungstellen entfernt bleiben, damit die lineare Abhängigkeit zwischen Laserstrom und Laserwellenlänge nicht verlorengeht.

Da das Interferometer unterschiedlich lange Arme hat, also die Lichtwege unterschiedlich lang sind, ergeben sich bei einer Wellenlängenänderung des das Interferometer mit Licht versorgenden Halbleiterlasers Interferenzstreifen am Interfero­ meterausgang, die stationär sind, wenn die Wellenlänge konstant bleibt. Wird die Wellenlänge erfindungsgemäß geändert, so wandert das Interferenzstreifenmuster in die eine oder die andere Richtung. Er ergibt sich somit ein oszillierendes Inter­ ferenzstreifenmuster, das von dem Fotodetektor abgetastet wird.

Der Gleichanteil im Signal des Fotodetektors wird abge­ trennt, beispielsweise mit Hilfe eines Kondensators. Das würde bedeuten, daß langsame Änderungen im Interferenznutzsignal, wenn z.B. zu messende Längen sich langsam ändern, nicht übertragbar wären. Erfindungsgemäß wird das Interferenzsignal ständig definiert geändert, so daß durch den Kondensator ständig dieses Wechselsignal übertragen werden kann. Bei Änderung beispiels­ weise einer gemessenen Länge wird diesem sich ständig ändernden Wechselsignal ein weiteres Wechselsignal, das Nutzsignal, über­ lagert, das dann später durch Phasenvergleich abgetrennt und angezeigt oder ausgewertet wird.

Die Weiterbildungen gemäß den Ansprüchen 2 und 3 dienen dazu, den zweiten spannungsgesteuerten Oszillator in einfacher Weise so zu steuern, daß seine Frequenzänderungen genau die durch den ersten Oszillator bewirkten Frequenzänderungen des Interferenzsignals nachbilden, ohne daß hierzu irgendwelche Maßnahmen von Hand erforderlich sind, so daß bei fehlendem Nutzsignal des Interferometers, also wenn keine Änderung wenigstens einer optischen Strecke im Interferometer erfolgt, am Ausgang der Schaltungsanordnung auch das Signal null er­ scheint.

Anspruch 4 ermöglicht eine Änderung des in dem Speicher gespeicherten Korrektursignals von Hand, so daß dadurch eine Anpassung erzielt wird.

Gemäß der Lehre des Anspruchs 5 werden praktisch die Maßnahmen gemäß den vorhergehenden Ansprüchen verdoppelt mit der Maßgabe, daß zwei Ausgangssignale gebildet werden, die gegen­ einander eine Phasenversetzung von 90° haben. Dadurch wird in an sich bekannter Weise ein Drehfeld geschaffen, das eine Bestimmung der Richtung der Änderungen des Nutzsignals ge­ stattet. Statt einer optischen Phasenverschiebung kann auch eine elektrische Phasenverschiebung angewendet werden, so daß dann nur ein Fotodetektor erforderlich ist.

Anspruch 7 enthält die erfindungsgemäße Lehre in ver­ fahrensmäßiger Form.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung an einem Aus­ führungsbeispiel näher erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungs­ beispiels der Erfindung und

Fig. 2 zeigt eine typische Kennlinie eines bei der Anordnung gemäß der Erfindung verwendeten Lasers.

Bei der in Fig. 1 in Form eines Blockschaltbildes darge­ stellten Ausführungsform eines Ausführungsbeispieles wird ein Interferometer 1 verwendet, das einen Laser 2 aufweist, der von einer Laserstromquelle 3 gespeist ist, deren Speisegleich­ strom ein von einem Oszillator 4 gelieferter Wechselstrom überlagert wird, die beide über Leitung 5 dem Laser 2 zuge­ führt sind. Der Aufbau des Interferometers 1 hat die bekannte Form. Das Interferenzsignal wird von zwei Fotodetektoren 6 und 7 mit einer gegenseitigen Phasenlage von 90° abgetastet, was durch die Angaben sinus und cosinus gekennzeichnet ist. Diese gegenseitige Phasenlage dient der Schaffung eines Dreh­ feldes zur späteren Bestimmung der Richtungsänderung des Nutzsignals.

Die Ausgangsspannungen der Fotodetektoren 6 und 7 ge­ langen über Kondensatoren 8 und 9 an phasenempfindliche Detektoren 10 und 11, deren zweite Eingänge über Leitungen 12 und 13 sowie eine Leitung 14 an den Oszillator 4 angeschlossen sind.

Die Wechselspannung des Oszillators 4 gelangt über die Leitung 14 außerdem an einen regelbaren Verstärker 15, dessen Ausgang an einen in seiner Frequenz spannungsgesteuerten Oszillator angeschlossen ist, dessen Ausgang über Leitungen 17, 18 und 19 an weitere phasenempfindliche Detektoren 20 und 21 angeschlossen ist, deren andere Eingänge über Leitungen 22 und 23 mit den Ausgängen der phasenempfindlichen Detektoren 10 und 11 verbunden sind. Die Ausgangssignale der phasen­ empfindlichen Detektoren 20 und 21 erscheinen an Ausgangslei­ tungen 24 und 25.

Die Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators 16 gelangt über eine Leitung 26 an einen weiteren phasen­ empfindlichen Detektor 27, dessen anderer Eingang über die Leitung 22 mit dem phasenempfindlichen Detektor 10 verbunden ist. Der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 27 ist über eine Leitung 28 mit einem Tiefpaß 29 verbunden, der über eine Leitung 30 mit einem Speicher 31 verbunden ist, dessen Inhalt durch eine Steuerleitung 32 änderbar ist und über eine Leitung 33 an den Steuereingang des steuerbaren Verstärkers 15 gelangt. Da die Signale auf den Leitungen 24 und 28 identisch sind, kann das Tiefpaßfilter 29 auch direkt an die Leitung 24 angeschlos­ sen werden, so daß dann der phasenempfindliche Detektor 27 entfällt.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Wellenlänge λ des Lasers 2 in Abhängigkeit von seinem Speisestrom i aufge­ tragen ist. Es sind deutlich Sprungstellen 34 und 35 zu erken­ nen, an denen sich die Wellenlänge des Lasers bei Über­ schreiten bestimmter Werte des Speisestromes sprunghaft ändert. Erfindungsgemäß soll der Laser 2 nur im Bereich zwischen solchen Sprungstellen betrieben werden.

Bei Betrieb der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 würde, wenn man das Diagramm gemäß Fig. 2 zugrundelegt, der Speise­ gleichstrom der Laserstromquelle 3 so eingestellt werden, daß die Frequenz des Lasers genau zwischen den Sprungstellen 34 und 35 liegt, das ist bei etwa 56,7 Milliampere. Der vom Oszillagor 4 gelieferte und dem Speisegleichstrom der Laser­ stromquelle 3 überlagerte Wechselstrom würde so bemessen sein, daß er den Speisestrom gemäß Fig. 2 bis auf den Wert 59,7 Milliampere herauf und auf den Wert 53,7 Milliampere herunter wechselnd ändert. Die Folge davon ist ein ständiger Wechsel der Wellenlänge (und der Intensität) des Lasers, was dazu führt, daß die im Interferometer 1 gebildeten Interferenz­ streifenmuster aufgrund der Unterschiedlichkeit der Interfero­ meterarme ständig in die eine oder die andere Richtung wandern und dabei die Fotodetektoren 6 und 7 wechselnd beleuchten, so daß an deren Ausgängen Wechselspannungssignale ständig erzeugt werden. Diese werden durch die Kondensatoren 8 und 9 ohne wei­ teres übertragen und gelangen so in die phasenempfindlichen Detektoren 10 und 11, wo sie mit der Wechselspannung von dem Oszillator 4 verglichen werden, um die unerwünschte Intensi­ tätsmodulation des Lasers zu eliminieren, so daß an den Leitun­ gen 22 und 23 phasenabhängige Ausgangsspannungen entstehen. Diese sind nicht das Nutzsignal, sondern rühren lediglich von der zwangsweisen Modulation oder Änderung durch den Oszillator 4 her. Sie müssen daher noch entfernt werden, was mit Hilfe einer Bezugswechselspannung erfolgt, die von dem spannungsgesteuerten Oszillator 16 über Leitungen 17, 18 bzw. 17, 19 geliefert wird. Die von dem Oszillator 16 gelieferte Wechselspannung ist sowohl in ihrer Mittenfrequenz als auch in ihrem Frequenzhub völlig identisch mit den Wechselspannungen auf den Leitungen 22 und 23, so daß in den phasenempfindlichen Detektoren 20 und 21, die jeweils beide Spannungen erhalten, eine feste, sich in ihrer Frequenz nicht ändernde Ausgangsspannung erzeugt wird. Diese kann auch null sein.

Um die Mittenfrequenz und den Frequenzhub des Oszillators 16 so einzustellen, daß die genannte Identität mit den Spannungen auf den Leitungen 22 und 23 besteht, wird die Ver­ stärkung des steuerbaren Verstärkers 15 so eingestellt, daß der nötige Frequenzhub erzeugt wird, während, gesteuert durch Steuereingang 32, vom Speicher 31 her über Leitung 33 ein solcher Konstantwert zugeführt wird, daß die Mittenfrequenz des Oszillators 16 den gewünschten Wert hat.

In dem phasenempfindlichen Detektor 27 erfolgt ein Phasenvergleich zwischen den Wechselspannungen auf den Lei­ tungen 26 und 22. Die Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Detektors 27 wird über einen Tiefpaß 29 gefiltert und zur Änderung des Wertes des Speichers 31 verwendet. Ändert sich die Phasenlage zwischen den Wechselspannungen auf den Lei­ tungen 26 und 22, so ändert sich auch der über die Leitung 30 an den Speicher 31 gelieferte Wert und damit auch der über Leitung 33 an den Verstärker 15 gelieferte Mittenwert, der zu einer entsprechenden Frequenzänderung im Sinne einer frequenz­ starren Regelung erfolgt. Es ist somit eine phasenstarre Regelschleife gebildet, die zum Abgleich des Systems bei festen Lichtstrecken im Interferometer dient. Während einer Wegmessung ändert sich der Speicherwert nicht, da er mit Hilfe des Steuereingangs 36 wenigstens während einer Weg­ messung festgehalten wird.

Ändern sich im Interferometer die Lichtstrecken aufgrund einer Änderung beispielsweise einer gemessenen Wegstrecke, so führt das zu einem Wandern der Interferenzstreifen an den Fotodetektoren 6 und 7 vorbei, so daß diese Nutzinterferenz der aufgrund der Modulation des Lasers 2 durch den Oszillator 4 erzeugten Modulation überlagert wird. Diese Nutzinterferenz wird durch die Kondensatoren 8 und 9 mit übertragen und führt dann schließlich nach Durchlaufen der phasenempfindlichen Detektoren 10 und 11 in den phasenempfindlichen Detektoren 20 und 21 zur Bildung von der Nutzinterferenz entsprechenden elektrischen Ausgangssignalen auf den Leitungen 24 und 25, die dann in an sich bekannter Weise z.B. zum Betrieb eines Vorwärts/Rückwärts­ zählers verwendet werden können.

Claims (7)

1. Optoelektronische Schaltungsanordnung, insbesondere zur Längenmessung, mit einem Interferometer, das einen Halbleiterlaser aufweist, dessen Speisegleichstrom ein von einem ersten Oszillator erzeugter Wechselstrom zur Änderung der Wellenlänge des Lichts des Lasers überlagert ist, und das einen ersten Fotodetektor aufweist, der die Licht­ interferenz im Interferometer empfängt und eine dieser ent­ sprechende elektrische Ausgangsspannung abgibt, da­ durch gekennzeichnet,
daß der Wechselstrom so bemessen ist, daß die Änderung der Wellenlänge des Lasers (2) im Bereich zwischen zwei Sprungstellen (34, 35) der Kennlinie des Lasers (2) liegt,
daß ein zweiter Oszillator (16) vorgesehen ist, dessen Frequenz durch eine Steuerspannung steuerbar ist, dessen Steuereingang über ein steuerbares Übertragungs­ glied (15) mit dem ersten Oszillator (4) verbunden ist und dessen mittlere Frequenz im wesentlichen die gleiche ist wie die des ersten Oszillators (4),
daß der erste Oszillator (4) an den einen Eingang eines ersten phasenempfindlichen Detektors (10) ange­ schlossen ist, an dessen anderen Eingang der erste Fotodetektor (6) über ein Gleichspannung nicht über­ tragendes Glied, vorzugsweise über einen Kondensator (8), an den anderen Eingang des ersten phasenempfind­ lichen Detektors (10) angeschlossen ist,
daß der zweite Oszillator (16) und der Ausgang des ersten phasenempfindlichen Detektors (10) an die beiden Eingänge eines zweiten phasenempfindlichen Detektors (20) angeschlossen sind, dessen Ausgang (24) mit einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige von Änderungen der Interferenz des Lichts in dem Laser (2) ange­ schlossen ist,
und daß das steuerbare Übertragungsglied (15) so einge­ stellt ist, daß bei stehender Interferenz im Interfero­ meter (1) die Ausgangsspannung des zweiten phasen­ empfindlichen Detektors (20) konstant ist.

2. Optoelektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des zweiten phasenempfindlichen Detektors (20) über ein Tiefpaßfilter (29) an einen Speicher (31) angeschlossen ist, dessen Speicherausgang an den Steuereingang des steuerbaren Übertragungsgliedes (15) angeschlossen ist.

3. Optoelektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Oszillator (16) und der Ausgang des ersten phasenempfind­ lichen Detektors (10) an einen dritten phasenempfindlichen Detektor (27) angeschlossen ist, dessen Ausgang über ein Tiefpaßfilter (29) an einen Speicher (31) angeschlossen ist, dessen Speicherausgang an den Steuereingang des steuerbaren Übertragungsgliedes (15) angeschlossen ist.

4. Optoelektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (31) einen Steuereingang (32) zur Änderung des Inhalts des Speichers (31) aufweist.

5. Optoelektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (31) die Spannung wenigstens während der Dauer einer Messung hält.

6. Optoelektronische Schaltungsanordnung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß ein zweiter fotoempfindlicher Detektor (7) vor­ gesehen und so angeordnet ist, daß sein Ausgangssignal in bezug auf die Lichtwellenlänge gegenüber dem des ersten fotoempfindlichen Detektors (6) um 90° verschoben ist, daß der zweite fotoempfindliche Detektor (7) über ein Gleich­ spannung nicht übertragendes Glied, vorzugsweise einen Kondensator (9), an einen vierten phasenempfindlichen Detektor (11) angeschlossen ist, dessen anderer Eingang an den ersten Oszillator (4) und dessen Ausgang an einen fünften phasenempfindlichen Detektor (21) angeschlossen ist, dessen anderer Eingang an den zweiten Oszillator (16) und dessen Ausgang mit der sowohl vorwärts- als auch rückwärts­ wirkenden Anzeigeeinrichtung verbunden ist.

7. Verfahren zum Betrieb eines vorzugsweise zur Längenmessung dienenden Interferometers, dessen Licht in der Wellenlänge geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Wellenlänge des Lichts ständig mit einer vorgegebenen Frequenz im Bereich zwischen zwei Sprung­ stellen der Kennlinie des Lasers erfolgt, daß das von der Lichtinterferenz abhängige, sich im Takt der vorgegebenen Frequenz ändernde Signal gleichspannungsfrei phasenabhängig mit der vorgegebenen Frequenz verglichen und das so ge­ bildete erste Vergleichssignal phasenabhängig mit einem sich im Takte der vorgegebenen Frequenz ändernden, mit dem ersten Vergleichssignal übereinstimmenden Bezugssignal verglichen und so ein zweites Vergleichssignal gebildet wird, das sich nur bei einer Änderung der Interferenz im Interferometer ändert.