DE4113842A1 - Verfahren und einrichtung zur messung und bestimmung einer wegdifferenz in interferometern nach michelson - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung und Bestimmung einer Wegdifferenz in Interfero­ metern nach Michelson mit mindestens einem hin- und herbe­ wegbaren Spiegelelement und zur Wellenzahlkalibrierung von ermittelten Spektren.

In solchen Interferometern wird gegenwärtig eine Wegmessung mittels einer Laserstrahlung durchgeführt. Hierbei durch­ läuft die Strahlung des Lasers das Interferometer, wobei sich aus dem resultierenden Interferenzsignal über die Kenntnis der Wellenlänge der Laserstrahlung die Wegdifferen­ zen ergeben. Nachteilig bei dieser Art einer Wegmessung ist, daß dazu entweder ein Interferenzinterferometer für die La­ serstrahlung mit dem Signalinterferometer gekoppelt werden muß oder die Laserstrahlung durch das Signalinterferometer zugeführt werden muß. Bei der zweiten Lösung muß ein geson­ derter Bereich des Strahlteilers für die Laserstrahlung ge­ eignet sein. Dadurch wird entweder der Bereich der Signal­ strahlung eingeengt, oder es müssen größere Komponenten, d. h. größere Strahlteiler, Spiegel, Linsen u.ä. verwendet werden.

Ferner ist ein Strahlteiler aufwendig herzustellen, welcher in zwei geometrisch getrennten Bereichen unterschiedliche, optische Eigenschaften hat, da die Signalstrahlung meist im Infraroten liegt, während der Laser meist ein HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8nm ist.

Außerdem ist als nachteilig anzusehen, daß die Schrittweite bei der Digitalisierung durch die Wellenlänge der Laserstrah­ lung vorgegeben ist. Das Abtasttheorem verlangt eine Schritt­ weite, die etwas geringer ist als die Hälfte der kürzesten Meßwellenlänge. Liegt diese im Bereich von ganzzahligen Vielfachen der Laserwellenlänge bzw. etwas darunter, so muß die Abtastschrittweite nahezu um die Hälfte kleiner gewählt werden, als es eigentlich notwendig ist, da sie vom Laserin­ terferogramm abgeleitet wird, welches keine anderen feineren Abstufungen zuläßt. Folglich müssen nahezu doppelt soviele Datenpunkte wie nötig aufgezeichnet und verarbeitet werden. Außerdem ist die dabei notwendige Bandbreite doppelt so groß und damit das erreichte Signal-Rausch-Verhältnis schlechter, als es theoretisch erreichbar wäre. Mit anderen Worten, die Dimensionierung richtet sich nach dem Laser und nicht nach der zu untersuchenden Strahlung, was optimal wäre.

Weiterhin ist nachteilig, daß preiswerte Laserröhren in der Regel eine geringe Lebensdauer haben, daß jedoch langlebige Röhren teuer sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wegmessung in In­ terferometern mit mindestens einem hin- und herbewegbaren Spiegelelement durchzuführen, bei welcher mit geringem Auf­ wand eine hohe Zuverlässigkeit erreichbar ist. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren sowie einer Einrich­ tung zur Messung und Bestimmung einer Wegdifferenz in Inter­ ferometern nach Michelson nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2 durch die Merkmale im kennzeichenden Teil des je­ weiligen Anspruchs erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf einen der vorstehenden Ansprüche un­ mittelbar oder mittelbar rückbezogenen Unteransprüche.

Im Unterschied zu dem Stand der Technik, bei welchem eine Wegmessung in Interferometern nach Michelson mit einem hin- und herbewegbaren Spiegelelement mittels eines HeNe-Lasers durchgeführt worden ist und sich dabei die eingangs ange­ führten Nachteile ergeben haben, wird bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren zur Messung und Bestimmung einer Wegdiffe­ renz in Interferometern nach Michelson auf einem magneti­ schen, optischen oder optomagnetischen Speichermedium eine dem Abtasttheorem entsprechende Taktspur aufgebracht, indem auf der Oberfläche des Speichermediums in der Bewegungs­ richtung des Spiegelelements Impulse abgespeichert werden, welche identisch mit denjenigen Impulsen sind, welche bei der konventionellen Wegmessung aus den Laserinterferenzen gewonnen worden sind. Die Abspeicherung erfolgt auf dem Speichermedium synchron zu den Laserimpulsen, welche sich bei der Bewegung des Spiegels ergeben; hierbei kann zu der nur einmal erforderlichen Abspeicherung von Impulsen bei­ spielsweise ein Laser verwendet werden.

Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Speicher­ medium parallel zu dem Verfahrweg des hin- und herbewegbaren Spiegelelements so vorgesehen, daß im Betrieb eine der Takt­ spur entsprechende Impulsfolge von dem Speichermedium gele­ sen wird. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung und Bestimmung einer Wegdifferenz in solchen Interferometern nach Michelson wird die auf dem Speichermedium abgespeicher­ te Impulsfolge während der Bewegung des Spiegelelements von einem dem bewegbaren Spiegelelement fest zugeordneten Lese­ kopf gelesen und anschließend in bekannter Weise der weite­ ren Verarbeitung zugeführt. Hierzu ist der Lesekopf so ange­ ordnet, daß er während der gesamten Bewegung des Spiegelele­ ments über dem Speichermedium bewegt wird.

Das beispielsweise mit einem Lagerbock des Antriebsmotors starr verbundene Speichermedium und eben dieser Lagerbock werden in bekannter Weise mittels geregelter, elektrischer Heizdecken auf einer konstanten Temperatur gehalten, um auf diese Weise thermisch begründete Längenänderungen im Ver­ fahrweg des Spiegelelements und des Speichermediums zu ver­ meiden. Ferner muß dafür gesorgt werden, daß dieselbe Tempe­ ratur sowohl während der Montage als auch der Abspeicherung der Taktfolge eingehalten wird.

Um Einflüsse aufgrund starker Temperaturänderungen und/oder -schwankungen auszuschließen, ist gemäß einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung ein Speichermedium beispielsweise in Form eines Magnetstreifens auf einem Träger aus gegenüber Temperaturänderungen und -schwankungen weitestgehend unemp­ findlichem Material, wie Zerodur-Glas, form- und kraftschlüs­ sig aufgebracht. Ferner ist ein solcher Träger in der Nähe der Nullstellung des bewegbaren Spiegelelements vorzugsweise starr mit dem Lagerbock des Antriebsmotors verbunden.

Bei der Erfindung ist somit der üblicherweise verwendete La­ ser durch eine Konserve eines beispielsweise mittels eines solchen Lasers einmal erzeugten Signals ersetzt, welches im­ mer wieder gelesen werden kann. Zur Erzeugung und Herstel­ lung dieser Konserve kann ein spezielles, nur für diesen Zweck vorgesehenes Interferometer verwendet werden; die ge­ mäß der Erfindung vorgesehenen Speichermedien werden dann während der Produktion in die gemäß der Erfindung ausge­ statteten Interferometer eingebaut. Allerdings ist es auch möglich und vorstellbar, daß jedes einzelne Interferometer nur für den Fertigungsabschnitt mit einem Laser und einem auf den Laser abgestimmten Strahlteiler und Detektor ausge­ rüstet wird; nach der Aufzeichnung der Impulsfolge werden dann die nicht mehr benötigten Komponenten, wie der Laser, der auf ihn abgestimmte Strahlteiler und Detektor wieder entfernt.

In Abwandlung der vorbeschriebenen Ausführungsform kann eine Taktfolge auch auf dem Speichermedium aufgezeichnet werden, welche nicht aus einem Laserinterferogramm gewonnen wird. Hierbei wird zur Erzeugung der Taktfolge ein Impulsgenerator hoher Frequenzstabilität verwendet; die Frequenz wird unter Zugrundelegung des Abtasttheorems in bekannter Weise aus der gewünschten Spiegelgeschwindigkeit und der kürzesten zu mes­ senden Wellenlänge bestimmt. Eine solche Impulsfolge ist dann optimal an das Interferometer angepaßt, da sie sich in der Frequenz nach der kürzesten Meßwellenlänge richtet und nicht an die Laserwellenlänge gebunden ist. In entsprechen­ der Weise können dann die elektrische Bandbreite sowie die Charakteristik elektrischer Filter eines solchen Geräts op­ timiert werden.

Die im Betrieb gelesene Impulsfolge ist bezüglich der Posi­ tion des verfahrbaren Spiegels korreliert und kann in be­ kannter Weise zur Steuerung des Spiegelantriebs und damit zur Regelung der Spiegelgeschwindigkeit, beispielsweise über eine Frequenz-Spannungs-Wandlung und außerdem noch zur Trig­ gerung eines Analog-Digital-Umsetzers verwendet werden. Zur Erhöhung der Regelgenauigkeit kann auch ein Takt mit einem Vielfachen der benötigten Frequenz aufgezeichnet werden, welcher dann zur Triggerung in bekannter Weise herunterge­ teilt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Antrieb für das bewegbare Spiegelelement ein Schrittschaltmotor (oder ein Linearmotor) mit einer hohen Schrittzahl und damit klei­ nen Weginkrementen verwendet. Dabei wird die Drehbewegung des Schrittschaltmotors über eine Gewindestange und eine Mutter mit Innengewinde in eine Linearbewegung des Spiegel­ elements umgewandelt. Ein solcher, gegebenenfalls entspre­ chend untersetzter Motor wird von einem hochfrequenzstabilen Impulsgeber angesteuert. Hierbei wird der Impulsgeber mit einer hohen Frequenz betrieben, welche für den Motorantrieb in bekannter Weise heruntergeteilt ist, während die hohe Fre­ quenz selbst bei der Wegmessung benutzt wird. Der Beginn ei­ ner Bewegung des Spiegelelements und damit der Messung wird beispielsweise über eine Lichtschranke am bewegten Spiegel­ element detektiert. Da dasselbe Signal konstanter Frequenz des Impulsgebers sowohl für den Antrieb des Spiegelelements als auch für die Triggerung der Abtastung verwendet wird, ist somit letztere mit hoher Genauigkeit äquidistant.

Mittels des Lesekopfs wird somit die Impulsfolge gelesen und auf diese Weise zweimal genutzt. Ohne Verwendung eines zu­ sätzlichen Impulsgenerators wird sie in bekannter Weise zum Ansteuern des das Spiegelelement antreibenden Motors und bei­ spielsweise über eine Frequenz-Spannungswandlung zur Rege­ lung der Motorgeschwindigkeit verwendet und außerdem wird sie zur Triggerung eines nachgeordneten Analog-Digital-Um­ setzers benutzt. Auf diese Weise regelt sich der Motor selbst und die Abtastung erfolgt äquidistant. Zur Erhöhung der Regelgenauigkeit kann auch ein Takt mit einem Vielfachen der benötigten Frequenz aufgezeichnet werden, wobei dieser Takt dann für die Triggerung in bekannter Weise herunterge­ teilt wird.

Zusätzlich kann auch ein Impulsgenerator zum Ansteuern des Motors verwendet werden, wobei beispielsweise die Regelung der Motorgeschwindigkeit über einen Vergleich der Frequenzen des lmpulsgenerators und der vom Speichermedium gelesenen Impulsfolge erfolgen kann; die vom Speichermedium gelesene Impulsfolge wird dann auch zur Triggerung des Analog-Digital- Umwandlers verwendet.

Wie vorstehend bereits erwähnt, kann bei der beschriebenen Ausführungsform der Meßbeginn über eine Lichtschranke am be­ wegten Spiegelelement oder auch durch eine entsprechende Marke auf dem Speichermedium festgelegt werden. Obendrein können beide Seiten des Speichermediums beschrieben werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Aus­ führungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung im einzelnen erläutert, in welcher schematisch ein Interfe­ rometer dargestellt ist, das mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung versehen ist.

In der Figur weist ein Interferometer 1 einen Strahlteiler 12 auf, welcher unter 45° zu zwei zueinander senkrechten Planspiegeln 13 und 14 angeordnet ist. Von diesen beiden Spiegeln ist der eine Planspiegel 13 ortsfest, während der andere Spiegel als ein parallel verschiebbares Spiegelele­ ment 14 ausgeführt ist. Ein Lager 3 für das bewegbare Spie­ gelelement 14 weist eine Spiegelhalterung 31 und eine sche­ matische angedeutete Führung 32 auf. Der Führung 32 ist ein als Block dargestellter Motor 2 zugeordnet, wobei die durch den Motor 2 bewirkte Hin- und Herbewegung des Spiegelelemen­ tes 14 durch einen mit zwei Spitzen versehenen Pfeil ange­ deutet ist.

An der Spiegelhalterung ist ein Lesekopf 4 montiert, welcher zusammen mit dem durch die Spiegelhalterung 31 getragenen Spiegelelement 14 über ein ihm zugeordnetes Speichermedium 5 bewegt wird. Das Speichermedium 5 kann aus einem Magnetstrei­ fen 51 gebildet sein, welcher kraft- und formschlüssig auf einem nicht näher bezeichneten Träger aufgebracht ist, der aus einem gegenüber Temperaturänderungen und/oder -schwan­ kungen unempfindlichen Material, wie Zerodur-Glas besteht. Dies gilt in analoger Weise selbstverständlich auch für alle anderen, vorstehend angeführten Spiegelelemente.

Damit sich ferner Temperaturänderungen und/oder -schwankungen auf die Messung und Bestimmung der Wegdifferenz in Interfe­ rometern nach Michelson, soweit wie nur irgend möglich, nicht nennenswert auswirken, ist der Lesekopf 4 in der Nähe aus der Nullstellung des Verfahrwegs des Spiegelelements 14 am Lagerbock 3 angebracht. Das nur schematisch wiedergegebe­ ne Interferometer 1 weist ferner eine Sammellinse 11 sowie einen Detektor 10 auf.

Bei der Herstellung des Interferometers 1 wird auf dem Spei­ chermedium 5 synchron zur Bewegung des Spiegelelements 14 eine Impulsfolge abgespeichert, welche beispielsweise aus dem Interferogramm eines in das Interferometer 1 einge­ strahlten Lasers oder eines in ein entsprechendes Interfero­ meters eingestrahlten Lasers gewonnen wird. Vorzugsweise wird diese Impulsfolge aus einem hochstabilen Impulsgeber abgeleitet. Bei der Auswahl des Lasers bzw. der Frequenz der Impulsfolge und der Anzahl Impulse pro Weginkrement wird in einer bei Interferometern bekannten Weise verfahren.

Als Speichermedium 5 wird vorzugsweise ein optischer WORM­ (Write Once Read Multiple)-Speicher verwendet; es eignen sich jedoch auch optische Speicher, beispielsweise die so­ genannten Compact Disks oder auch Magnetspeicher in Form von Floppy Disks, Floptical Disks oder Fixed Disks. Grund­ sätzlich kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens und bei den erfindungsgemäßen Einrichtungen jeder Speicher verwendet werden, dessen Inhalt durch eine Relativ­ bewegung zwischen dem Lesekopf 4 und dem Speichermedium 5 ausgelesen wird.

Während des Betriebs liest der Lesekopf 4 bei einer Bewegung des Spiegelelements 14 die gespeicherte Impulsfolge. Diese wird in gleicher Weise wie die sonst mittels eines Lasers erhaltene Impulsfolge weiterverarbeitet. Hierbei kann der Takt sowohl zur Triggerung eines nicht dargestellten Analog- Digital-Umsetzers als auch zur Regelung des Antriebsmotors 2 des Spiegelelements 14 verwendet werden. Aus dem Lasersignal kann ferner auch ein höherfrequenter Takt gewonnen und auf­ gezeichnet werden, der sich beispielsweise für die Antriebs­ regelung besser eignet und der für einen Analog-Digital-Um­ setzer benötigte niederfrequente Takt kann durch Herunter­ teilen aus dem höherfrequenten Takt abgeleitet werden.

Hierbei ist das Interferometer selbstverständlich so ausge­ führt, daß eine zuverlässige Justierung und Fixierung der einzelnen Komponenten gewährleistet und damit die richtige Zuordnung von Takt und einer daraus abgeleiteten Wegmessung sichergestellt ist. Dies kann beispielsweise mittels Paß­ stiften erreicht werden, welche eine starre, reproduzierbare Verbindung zwischen dem Lagerbock 3 und dem Speichermedium bzw. dem bewegten Spiegelelement 14 und dem Lesekopf 4 ge­ währleisten.

Weiterhin ist bei der mit der Erfindung erreichbaren Wegmes­ sung vorteilhaft, daß weitere Informationen auf dem Spei­ chermedium 5 abgelegt werden können, so beispielsweise eine Markierung der Null- oder Startstellung sowie andere für die Steuerung des Interferometers 1 nutzbare Daten. Auch können mehrere unterschiedliche Taktfolgen auf verschiedenen Spuren abgespeichert werden, was besonders dann von Vorteil ist, wenn Interferometer die Einstellung verschiedener, spek­ traler Auflösungen ermöglichen, was wiederum unterschiedli­ che Wegdifferenzen und damit Interferogramme mit einer unter­ schiedlichen Anzahl von Meßpunkten zur Folge hat. So kann beispielsweise für jede Einstellung eine entsprechende Takt­ folge auf unterschiedlichen Spuren des Speichermediums 5 ab­ gespeichert werden, hierzu können dann entweder mehrere fe­ ste Leseköpfe oder ein einziger, zur Bewegungsrichtung senk­ recht verstellbarer, fester Lesekopf vorgesehen sein.

Mit Hilfe eines Zahlenbeispiels lassen sich die mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile eindrucksvoll belegen: Die Speicherdichte beispielsweise eines CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory) beträgt etwa 1 Bit/1,25 µm. Um dem Abtasttheorem zu entsprechen, müssen etwa 3 Abtastwerte pro Periode vorliegen; bei einem linearen Antrieb, wie bei­ spielsweise dem Antrieb 2 ist damit ein Betrieb bei Signal­ wellenlängen von etwa 4 µm möglich.

Ferner ist gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft, daß die Schrittweite für die Digitalisierung entsprechend dem Abtasttheorem und auch die Elektronik hinsichtlich der ver­ wendeten Filter und der vorgesehenen Bandbreiten u.ä. ent­ sprechend optimiert und nicht nur ganzzahlige Vielfache ei­ ner Laser-Wellenlänge verwendet werden können.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung und Bestimmung einer Wegdifferenz in Interferometern nach Michelson mit mindestens einem hin- und herbewegbaren Spiegelelement und zur Wellenzahlkalibrie­ rung von ermittelten Spektren, dadurch gekennzeichnet,
daß auf einem magnetischen, optischen oder optomagnetischen Spei­ chermedium (5) eine dem Abtasttheorem entsprechende Taktfolge auf einer Taktspur aufgebracht wird;
das Speichermedium (5) parallel zum Verfahrweg des hin- und herbewegbaren Spiegelelements (14) vorgesehen wird;
im Betrieb eine der Taktspur entsprechende Impulsfolge von dem Speichermedium (5) gelesen wird, und
von der ausgelesenen Impulsfolge der geforderte Takt und da­ mit die Weginformation abgeleitet werden.

2. Einrichtung zur Messung und Bestimmung einer Wegdifferenz in Interferometern nach Michelson mit mindestens einem hin- und herbewegbaren Spiegelelement und zur Wellenzahlkalibrie­ rung von ermittelten Spektren, dadurch gekennzeichnet,
daß ein magnetisches, optisches oder optomagnetisches Speicher­ medium (5), auf welchem eine dem Abtasttheorem entsprechende Taktspur aufgebracht ist, entlang des gesamten Verfahrwegs des bewegbaren Spiegelelements (14) diesem fest zugeordnet ist, und
mit dem bewegbaren Spiegelelement (14) ein Lesekopf (4) fest verbunden ist, so daß er (4) genau über dem Speichermedium (5) bewegt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Speichermedium (5) in Form eines Magnetstreifens (51) auf einem Träger aus einem auch gegen­ über größeren Temperaturschwankungen weitestgehend unemp­ findlichen Material, wie Zerodur-Glas form- und kraftschlüs­ sig aufgebracht ist, und daß der Träger in der Nähe der Nullstellung des bewegbaren Spiegelelements (14) starr mit dessen Lagerblock (3) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Antreiben des Spiegelelements (14) ein Schrittschaltmotor mit hoher Schrittzahl und damit klei­ nen Weginkrementen vorgesehen ist, und daß der Schritt­ schaltmotor mit einem hoch-frequenzstabilen Impulsgeber an­ gesteuert ist, der seinerseits mit einer für den Betrieb des Schrittschaltmotors herunterteilbaren hohen Frequenz betrie­ ben ist.