DE4031291A1 - Heterodynes doppel-interferometer - Google Patents

Description

Polarisationsoptische, heterodyne Interferometer zählen zu den gebräuchlichsten Längenmeßgeräten und zeichnen sich durch einfache Handhabung in der praktischen Anwendung aus.

Nichtpolarisierte, heterodyne Interferometer können mit zwei Laserdioden in Verbindung mit Gitterstrahlteilern oder mit solchen als integrierte optische Schaltung aufgebaut werden.

Ihre Grenzen liegen bei der Anwendung für spezielle Aufga­ ben, wie Refraktometern, Dehnungsmessungen, Geradheitsmes­ sungen, bei welchen eine hochauflösende Phasenmessung ge­ fragt ist, das ist die lineare Interpolation zwischen zwei Interferenzstreifen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Phasenmessung zu erwei­ tern, die Interpolation zu verbessern durch Kompensation systematischer periodischer Fehler, die in der polarisa­ tionsoptischen Variante auftreten können.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht,
daß die kohärente Strahlung einer Strahlungsquelle inten­ sitätsgeteilt wird und beide Strahlengänge den glei­ chen Referenz- und Meßweg durchlaufen,
daß ihre Meßsignale getrennt detektiert und so verarbei­ tet werden, daß sich ihre systematischen, periodi­ schen Fehler kompensieren und/oder
daß ihre Meßsignale mit entgegengesetztem Vorzeichen de­ tektiert eine Verdopplung der Auflösung der Phasenlage zwischen zwei Interferenzerscheinungen zur Folge haben.

Die Detektoren eines heterodynen Interferometers empfangen als Meßwert das Signal der Schwebungsfrequenz F=f₂-f₁, worin f₁≠f₂ die beiden heterodynen Lichtfrequenzen sind. Bei der Wegmessung wird durch die Bewegung des Meßprismas eine Dopplerfrequenz Δf erzeugt, die die Schwebungsfre­ quenz verändert: F₁=f₂-f₁+Δf₁ oder F₂=f₂-f₁-Δf₂. Die Referenzfrequenz F=f₂-f₁ wird vor dem Interferometer detektiert. Werden die beiden Strah­ lengänge 50 geschaltet, daß in einem Interferometer die Frequenz f₁ und im anderen die Frequenz f₂ den gemeinsamen Meßweg durchlaufen, so werden an einem Detektor + Δf₁, am anderen - Δf₂ detektiert, relativ zum Referenzdetektor. Die beiden Interferometer sind gegenläufig geschaltet. Bei polarisationsoptischen heterodynen Interferometern wird dies dadurch erreicht, daß zwischen den beiden Eingängen eine λ/s Platte angebracht ist, die die Polarisationsrich­ tungen um 90° dreht.

Bei nichtpolarisierten Interferometern mit Gitterstrahltei­ lern durchlaufen die beiden Frequenzen den Meßweg in ent­ gegengesetzter Richtung. Bei polarisationsoptischen Inter­ ferometern können systematische periodische Fehler auftre­ ten durch elliptische Polarisation der Strahlungsquelle oder Nichtorthogonalität der beiden Frequenzen. Diese kön­ nen dann kompensiert werden, wenn ihre Schwingungsamplitu­ den entgegengesetzt gerichtet sind, das kann dadurch er­ reicht werden, daß die Polarisationsrichtungen der beiden Analysatoren vor den Meßdetektoren relativ zueinander so ausgerichtet werden, daß diese Bedingung erfüllt wird. Da­ bei kann es vorteilhaft sein, die beiden Interferometer­ strahlengänge mitläufig zu schalten, um anstelle der dop­ pelten Auflösung eine bessere Fehlerkompensation zu errei­ chen oder bei gegenläufigen Strahlengängen jeden einzelnen zu kompensieren.

Im folgenden wird anhand der Abbildung 1 ein Ausführungs­ beispiel für das heterodyne, polarisationsoptische gegen­ läufige Doppel-Interferometer beschrieben. Es zeigt die Ab­ bildung 1 die Strahlungsquelle 1, die zwei Frequenzen f₁≠f₂ aussendet, die linear und zueinander orthogonal po­ larisiert sind. Im nichtpolarisierenden Strahlteiler 2 wer­ den ca. 2/3 der Intensität des Strahles rechtwinklig abge­ lenkt und die Polarisation im λ/2 Verzögerungsplättchen 3 um 90° gedreht, sodann durch den zweiten Teiler 4 intensi­ tätsgleich geteilt und nochmals umgelenkt. Der nicht abge­ lenkte Teilstrahl durchsetzt den Polarisator 12 und wird vom Referenzdetektor 13 empfangen. Die geteilten Strahlen durchsetzen den Polarisationsteiler S parallel und werden in den Referenz- und Meßweg aufgespalten. Die Frequenz f₁ des einen und die Frequenz f₂ des anderen interferometri­ schen Strahlenganges durchlaufen jeweils gemeinsam die Re­ ferenz- und Meßstrecke zum beweglichen Meßreflektor 7 und fixierten Referenzreflektor 6. Beide Reflektoren sind Tri­ pelprismen, die die Strahlen punktsymmetrisch parallel ver­ setzen und in 5 zurückreflektieren, wo Referenz- und Meßfrequenz wieder vereinigt werden. Die Polarisatoren 8 und 9 unter 45° zu den Polarisationsrichtungen des Strahles dre­ hen die beiden Frequenzen, so daß sie interferieren und von den Meßdetektoren 10 und 11 empfangen werden können. Ihre relative Stellung zueinander kompensiert oder verstärkt die systematischen periodischen Fehler.

Der Referenzdetektor 13 zählt seine Meßwerte in den Refe­ renzzähler 14, die Meßdetektoren 10 und 11 in die Zähler 15 und 16 ein. Diese sind über die Komparatoren 17 und 18 mit 14 verbunden und ermitteln die Differenz der Zählinhal­ te von 14 zu 15 und 14 zu 16, die sie zur Weiterverarbei­ tung übertragen und die in 20 angezeigt werden.

Durch die gegenläufige Anordnung des Doppelinterferometers wird eine Verdopplung der Auflösung und Kompensation der nichtlinearen Phasenfehler erreicht bei annähernd gleichem Aufwand. Dadurch ist es möglich, die Meßunsicherheit des heterodynen Interferometers im Submikrometerbereich zu ver­ bessern.

Claims (5)

1. Heterodynes Doppel-Interferometer, dadurch gekennzeichnet,
daß die kohärente Strahlung einer Strahlungsquelle in­ tensitätsgeteilt wird und beide Strahlengänge den glei­ chen Referenz- und Meßweg durchlaufen,
daß ihre Meßsignale getrennt detektiert und so verar­ beitet werden, daß sich ihre systematische periodische Fehler kompensieren und/oder
daß ihre Meßsignale mit entgegengesetzten Vorzeichen detektiert eine Verdopplung der Auflösung der Phasenlage zwischen zwei Interferenzerscheinungen zur Folge haben.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz des einen Interferometers und die zweite Frequenz des anderen Interferometers die Meßstrecke gemeinsam durchlaufen.

3. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoren vor den beiden Detektoren in ihren Polarisationsrichtungen relativ zueinander so angeordnet sind, daß systematische periodische Fehler eine entge­ gengesetzt gerichtete Amplitude aufweisen.

4. Interferometer nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Signale der Meßdetektoren mit dem des Referenzdetektors verglichen werden.

5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Meßsignalen der Mittelwert gebildet wird.