DE4114786A1 - Interferometer zum bestimmen des betrags und der richtung einer messgutbewegung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Interferometrische Meßanordnungen dienen in erster Linie zur Erkennung der Bewegung eines Meßguts. Es sind die un­ terschiedlichsten Interferometer-Typen bekannt. Beispiels­ weise ist es bekannt, das eingangs genannte Interferometer als sogenanntes Michelson-Interferometer auszubilden. Das Funktionsprinzip eines Interferometer-Aufbaus nach Michel­ son ist hinlänglich bekannt. Wegen seiner Bedeutung mit Be­ zug auf das erfindungsgemäße Inferferometer soll das Prin­ zip des Michelson-Interferometers nachfolgend kurz darge­ stellt werden.

Beim Michelson-Interferometer wird ein Laserstrahl von ei­ nem Strahlteiler in zwei Teilstrahlen zerlegt, wobei einer der beiden Teilstrahlen mit einer Optik auf das Meßgut fo­ kussiert wird. Dieser Teilstrahl, der Meßstrahl, wird vom Meßgut reflektiert und mit dem anderen Teilstrahl dem Re­ ferenzstrahl, zur Überlagerung gebracht. Die Überlagerung oder Interferenz findet im selben Strahlteiler statt, der auch zur Erzeugung der beiden Teilstrahlen dient. Je nach Unterschied in den optischen Bewegungslängen und damit in der Phasendifferenz schwächen sich die Teilstrahlen auf­ grund der Interferenz gegenseitig ab oder verstärken einan­ der. Die überlagerten Teilstrahlen weisen deshalb eine meßortabhängige Intensitätsmodulation auf. Der Abstand der Maxima und Minima im Überlagerungssignal entspricht einer Verschiebung des Meßorts um die halbe Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung.

Nachteilig am Interferometeraufbau nach Michelson ist es, daß eine Bestimmung der Phasendifferenz und damit der Weg­ differenz aus der Intensität der überlagerten Teilstrahlen nur in einem Intervall möglich ist, in welchem die Inten­ sität eine monoton steigende oder monoton fallende Funktion des Ortes ist. Mit anderen Worten ist eine Messung bei die­ sem Interferometer nur in einem Intervall von einer Viertel Wellenlänge eindeutig. Nur in diesem Wellenlängenintervall ist also beim Michelson-Interferometer eine Bestimmung des Betrags der Meßgutbewegung möglich. Aufgrund der Symmetrie des der Auswertung zugrundeliegenden Intensitätssignals ist jedoch die Richtung der Meßgutbewegung parallel zur z-Achse (Ausbreitungsrichtung des Meßlichtstrahls) unbestimmt. Das Michelson-Interferometer eignet sich also ausschließlich zur Bestimmung des Betrags der Meßgutbewegung.

Es sind jedoch auch Interferometer-Anordnungen bekanntge­ worden, die sich neben der Bestimmung des Betrags der Meßgutbewegung auch zur Bestimmung der Meßgutbewegung eig­ nen. Ein gängiges Verfahren zur Richtungserkennung der Meßgutbewegung ist das sogenannte Heterodyn-Verfahren.

Beim Heterodyn-Verfahren oder -Meßaufbau enthält der ver­ wendete Laserstrahl zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten, deren Frequenzen sich typischerweise um einige zehn MHz unterscheiden. In einem nicht polarisierenden Strahlteiler wird dieser Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Der eine Teilstrahl wird durch ein auf 45 Grad eingestelltes Polarisationsfilter geleitet, wodurch die beiden Polarisationskomponenten des Laserstrahl mitein­ ander interferieren. Die resultierende Strahlung ist zeit­ lich mit einer Schwebungsfrequenz moduliert, die der Diffe­ renz der Frequenzen der beiden senkrecht zueinander polari­ sierten Laserstrahlkomponenten entspricht.

Der andere Teilstrahl wird in einem polarisierenden Strahl­ teiler in seine beiden Polarisationskomponenten aufgespal­ tet. Die eine dieser Komponenten wird als Meßstrahl, die andere als Referenzstrahl verwendet, und die beiden reflek­ tierten Komponenten werden mittels der Strahlteiler wieder vereinigt und mittels eines weiteren Polarisationsfilters zur Interferenz gebracht. Die resultierende Strahlung ist mit derselben Schwebungsfrequenz moduliert, wie die mit dem zuerst genannten Polarisationsfilter erzeugte Strahlung.

Weglängenänderungen zwischen Referenzstrahl und Meßstrahl verursachen Phasenänderungen in der Schwebungsfrequenz. Die Phasendifferenz zwischen der Schwebung des ersten Teil­ strahls und der Schwebung des zweiten Teilstrahls ist eine monoton wachsende Funktion der Verschiebung des Meßguts mit einer Periodizität der halben Wellenlänge (lambda/2). Auf diese Weise ist die Richtung der Meßgutverschiebung in je­ dem beliebigen Bereich von lambda/2 eindeutig bestimmt und durch das Mitzählen der vollständigen Phasenumläufe von 2_*Pi sind auch größere Wellenlängenänderungen als lambda/2 (siehe Michelson-Interferometer) meßbar.

Der Nachteil des Heterodyn-Meßaufbaus liegt in dem beträchtlich hohen Aufwand, der getrieben werden muß, um zwei Polarisationsrichtungen mit definiert unterschiedli­ cher Frequenz zu erzeugen. Zu diesem Zweck werden in der Regel entweder Gaslaser mit Zeemann-Effekt oder akustoop­ tische Modulatoren verwendet. Außerdem vergrößern die bei­ den Polarisatoren die Anzahl der notwendigen optischen Kom­ ponenten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Interferometer-Aufbau anzugeben, der ausgehend von dem eingangs genannten Interferometer bei einfachem Aufbau, einfacher Justage und geringem Aufwand an optischen Bauteilen eine Betrags- und Richtungserkennung der Meßgut­ bewegung erlaubt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkma­ le des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Interferometer-Aufbau basiert also auf einem kohärenten Lichtstrahl mit zwei senkrecht zueinander polarisierten, frequenz- und phasengleichen Komponenten, wobei der von diesem Lichtstrahl abgezweigte Referenzlicht­ strahl vor einer Überlagerung mit dem Meßlichtstrahl einer 90-Grad-Phasenverschiebung unterworfen wird, welche die Ab­ leitung zweier Ausgangssignale aus den Mischkomponenten des Referenzlichtstrahls und des Meßlichtstrahls derart erlaubt, daß die Richtung der Phasenverschiebung der beiden Aus­ gangssignale eine eindeutige Aussage mit Bezug auf die Meßgut-Bewegungsrichtung erlaubt. Je nach Bewegungsrichtung der Meßgutoberfläche eilt also entweder das eine oder das andere Ausgangssignal dem jeweils anderen Ausgangssignal um 90 Grad voraus.

Vorteilhafterweise erfolgt demnach die Richtungserkennung mittels des erfindungsgemäßen Meßaufbaus durch eine Detek­ tion der führenden Flanken der beiden Ausgangssignale oder alternativ hierzu durch eine Detektion der Nulldurchgänge der AC-gefilterten Ausgangssignale. Darüber hinaus erlaubt der erfindungsgemäße Meßaufbau eine einfache und präzise Bestimmung auch größerer Weglängenänderungen als lambda/4, nämlich entweder durch ein vorzeichenrichtiges Mitzählen der führenden Ausgangssignalflanken oder durch ein Zählen der jeweiligen Nulldurchgänge.

Der erfindungsgemäße Meßaufbau ist also durch einen einfa­ chen Aufbau gekennzeichnet, der ausgehend vom herkömmlichen Michelson-Meßaufbau lediglich zusätzlich eine Verzögerungs­ einrichtung, vorteilhafterweise eine lambda/8-Verzögerungs­ platte und einen polarisierenden Strahlteiler umfaßt. Diese zusätzlichen Komponenten sind verschleißfrei. Außerdem ar­ beitet der erfindungsgemäße Meßaufbau ohne teure aktive op­ tische Bauelemente, wie beispielsweise Zeemann-Laser oder akustooptische Modulatoren, wie sie beim Heterodyn-Meßaufbau oder beim Meßaufbau unter Verwendung einer Bragg-Zelle un­ erläßlich sind. Außerdem ist der erfindungsgemäße Meßaufbau äußerst kompakt und erfordert keinen größeren Justageauf­ wand. Da schließlich die beiden Ausgangssignale exakt um 90 Grad phasenverschoben sind, kann die Geschwindigkeit der Meßgutbewegung mittels eines Algorithmus in einfacher Weise direkt abgeleitet werden. Ein weiterer Vorteil besteht in der vollständigen Eliminierung von Oberflächeneffekten durch Verwendung eines Polarisationsfilters im Strahlengang des Meßstrahls, da nur der Referenzstrahl polarisationsop­ tisch codiert ist.

Die erfindungsgemäß an die kohärente Lichtquelle gestellte Anforderung (zwei senkrecht zueinander polarisierte fre­ quenz- und phasengleiche polarisierte Komponenten) wird von herkömmlichen, einfach aufgebauten Lasern erfüllt, nämlich von jedem Laser, der in der Lage ist, einen linear polari­ sierten Laserstrahl zu erzeugen. Solche Laser stehen kosten­ günstig zur Verfügung.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden; in dieser zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inter­ ferometer-Aufbaus ausgehend von einem herkömmlichen Michelson-Interferometer und

Fig. 2 den Intensitätsverlauf der beiden Ausgangssignalen des Interferometers von Fig. 1 in Abhängigkeit der z-Koordinate der Meßgutoberflächen-Bewegung.

Interferometrische Messungen von Bewegungen einer Meßgut­ oberfläche erfolgen jeweils in einer festgelegten Richtung, die im allgemeinen z-Achse genannt wird. Diese z-Achse verläuft parallel zur Verbindungslinie zwischen dem Meßgerät und der Meßgutoberfläche, also parallel zur Aus­ breitungsrichtung des Meßlichtstrahls zwischen dem Meßgerät und dem Meßgut.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Meßaufbau dient der Richtungs- und Betragserkennung einer Meßgutbewegung in Richtung der z-Achse. Insbesondere handelt es sich bei dem in Fig. 1 gezeigten Meßaufbau um ein modifiziertes Michel­ son-Interferometer, dessen Funktionsweise bereits eingangs näher beschrieben worden ist.

Die kohärente Lichtquelle 1 bei dem in Fig. 1 gezeigten Meßaufbau ist ein Laser, der einen Laserstrahl mit zwei senkrecht zueinander polarisierten Komponenten identischer Frequenz und identischer Phase emittiert. Diese Bedingung wird von jedem linear polarisierten Lichtstrahl erfüllt, da Licht Vektoreigenschaften besitzt. Die senkrecht polari­ sierten Strahlungskomponenten sind in der Fig. 1 durchge­ hend mit einem doppelseitigen Pfeil symbolisiert, während die gleichzeitig von dem Laser 1 erzeugte horizontal pola­ risierte Strahlungskomponente durch einen ausgefüllten Kreis symbolisiert ist.

Der Laserstrahl wird in einem nicht polarisierten Strahl­ teiler 2 an sich bekannten Aufbaus in zwei Teilstrahlen aufgespaltet. Der eine Teilstrahl dient als Meßstrahl und wird mittels einer Optik 3 auf eine Meßgutoberfläche 4 fo­ kussiert. Das von der Meßgutoberfläche 4 reflektierte Licht wird mittels derselben Optik 3 in den Strahlteiler 2 zurückprojiziert.

Der andere Teilstrahl, der als Referenzstrahl dient, wird durch eine Verzögerungsplatte 5 hindurch auf einen Reflek­ tor 6 projiziert. Der dargestellte Meßaufbau erlaubt in vorteilhafter Weise die Auslegung des Reflektors 6 als ein­ fachen Spiegel. Der vom Reflektor 6 reflektierte Licht­ strahl durchquert erneut die Verzögerungsplatte 5, bevor er im nicht polarisierenden Strahlteiler 2 mit dem reflektier­ ten Meßstrahl überlagert wird.

Die Verzögerungsplatte 5 zeichnet sich dadurch aus, daß sie bei Licht gleicher Frequenz unterschiedliche Brechzahlen für unterschiedliche Polarisationsrichtungen besitzt. Da­ durch erfahren die beiden senkrecht zueinander polarisier­ ten Komponenten des Referenzstrahls eine Phasenverschie­ bung. Die in der dargestellten Meßanordnung verwendete lambda/8-Verzögerungsplatte erzeugt bei einmaligem Durch­ gang eine Phasenverschiebung von 45 Grad. Durch den zweima­ ligen Durchgang werden die beiden senkrecht zueinander po­ larisierten Komponenten des Referenzstrahls um 90 Grad pha­ senverschoben.

Die im nicht polarisierten Strahlteiler 2 überlagerten oder zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen treffen auf einen nachgeschalteten polarisierenden Strahlteiler 7. Dieser trennt die beiden phasenverschobenen senkrecht zueinander polarisierten Komponenten des Referenzstrahls und der Meßstrahl wird in zwei senkrecht zueinander polarisierte phasengleiche Komponenten zerlegt. Sowohl die Interferenz der horizontal polarisierten Komponenten von Meßstrahl und Referenzstrahl wie auch die Interferenz der vertikal pola­ risierten Komponenten ergeben je ein intensitätsmoduliertes Ausgangssignal A1 bzw. A2. Die beiden Ausgangssignale A1, A2 sind zueinander um 90 Grad phasenverschoben (Fig. 2).

Je nach Bewegungsrichtung der Meßgutoberfläche eilt entwe­ der das eine oder das andere Ausgangssignal A1 bzw. A2 dem jeweils anderen Ausgangssignal um 90 Grad voraus und er­ laubt daher in einfacher Weise eine Richtungserkennung. Die Richtungserkennung erfolgt beispielsweise durch eine Detek­ tion der führenden Flanken der Ausgangssignale, oder alter­ nativ hierzu durch eine Detektion der Nulldurchgänge der AC-gefilterten Ausgangssignale A1, A2.

Darüber hinaus erlaubt der in Fig. 1 dargestellte Meßaufbau auch die Ermittlung einer größeren Weglängenänderung als lambda/4 (s. Michelson-Inferferometer der herkömmlichen Art). Hierzu ist es lediglich notwendig, die führenden Flanken vorzeichenrichtig oder die Nulldurchgänge zu zählen.

Bei Versuchen mit dem vorstehend näher beschriebenen Meßaufbau wurde festgestellt, daß Messungen der z-Koordina­ te der Meßgutoberflächenbewegung innerhalb eines Meßbe­ reichs größer als 1 mm mit einer Auflösung kleiner als 0,2 mm möglich sind.

Claims (9)

1. Interferometer mit einer kohärenten Lichtquelle, mit einem nicht polarisierenden Strahlteiler zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls und eines auf ein Meßgut fo­ kussierbaren Meßlichtstrahls aus dem Lichtstrahl der Lichtquelle, wobei der vom Meßgut reflektierte Meßlichtstrahl mit dem Referenzlichtstrahl zur Überla­ gerung gebracht wird, und mit einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der Meßgutbewegung parallel zur Ausbrei­ tungsrichtung des Meßlichtstrahls zwischen Strahlteiler und Meßgut (z-Achse) aus dem Intensitätsverlauf des durch Überlagerung gewonnenen Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtstrahl der kohärenten Lichtquelle (1) zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten gleicher Frequenz und gleicher Phase enthält,
daß eine Laufzeitverzögerungseinrichtung (5) vorgesehen ist, die von dem Referenzlichtstrahl durchsetzt ist, bevor dieser zur Überlagerung mit dem Meßlichtstrahl gelangt, und die eine 90-Grad-Phasenverschiebung der beiden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten des Referenzlichtstrahls erzeugt,
daß ein polarisierender Strahlteiler (7) vorgesehen ist, der von dem mit dem Referenzlichtstrahl überlager­ ten Meßlichtstrahl durchsetzt und so ausgelegt ist, daß die beiden phasenverschobenen Referenz Strahlkomponenten und die beiden senkrecht zueinander polarisierten, pha­ sengleichen Meßstrahlkomponenten jeweils voneinander getrennt, miteinander zur Interferenz gebracht werden und ein Ausgangssignal (A1) bilden, das mit Bezug auf ein weiteres, durch Interferenz horizontal polarisier­ ter Referenz- und Meßlichtstrahlkomponenten gebildetes Ausgangssignal (A2) in Abhängigkeit der Meßgut-Bewe­ gungsrichtung um entweder + 90 oder -90 Grad phasen­ verschoben ist.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung die Meßgut-Bewegungsein­ richtung anhand der führenden Flanken der beiden Aus­ gangssignale (A1, A2) bestimmt.

3. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte-Einrichtung Weglängenänderungen des bewegten Meßguts durch ein vorzeichenrichtiges Mitzählen der führenden Ausgangssignalflanken bestimmt.

4. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte-Einrichtung die Meßgut-Bewegungsrich­ tung anhand der Nulldurchgänge der beiden AC-gefilter­ ten Ausgangssignale (A1, A2) bestimmt.

5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte-Einrichtung Weglängenänderungen des bewegten Meßguts durch ein Mitzählen der Nulldurchgänge der AC-gefilterten Ausgangssignale (A1, A2) bestimmt.

6. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärente Lichtquelle (1) ein Laser ist.

7. Interferometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) einen linear polarisierten Lichtstrahl erzeugt.

8. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitverzögerungseinrichtung (5) eine lambda/8-Verzögerungsplatte und einen Reflektor (6) um­ faßt, der so angeordnet ist, daß der Referenzlicht­ strahl die lambda/8-Verzögerungsplatte (5) zweimal durchsetzt.

9. Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (6) ein Spiegel ist.