DE4203855A1 - Geraet zur interferometrischen distanzmessung - Google Patents

Description

Distanzmesser, die mit intensitätsmodulierter optischer Strahlung den Abstand zwischen dem Aufstellungspunkt des Gerätes und dem eines optischen Zielreflektors statisch messen, sind bekannt. Ihr Auflösungsvermögen beträgt ca. 1 bis 0,1 mm.

Distanzmesser, die mit kohärenter Strahlung auf dem Prin­ zip der Interferometrie und der Interferenzmodulation den statischen Abstand messen, sind vorgeschlagen und als Pro­ totypen gebaut worden.

Die Messung der Entfernung D mittels optischer Wellen be­ ruht auf der Gleichung

2D = N Λ + Φ Λ

worin Λ die optische Wellenlänge der Modulation, Φ die Phase dieser Welle und N ihr ganzzahliges Vielfaches ist. Sie setzt sich zusammen aus NΛ, das als Grobmessung und dem Bruchteil ΦΛ, der als Feinmessung bezeichnet werden soll. Letztere kann unmittelbar gemessen werden, wenn Λ bekannt ist. Unbekannt bleibt N, das zu seiner Ermittlung eine zweite Phasenmessung mit mindestens einer zweiten be­ kannten Wellenlänge notwendig macht. Da im allgemeinen der Meßbereich sehr groß und das Auflösungsvermögen der Pha­ senmessung beschränkt ist, sind mehrere Wellenlängen und mehrere Messungen erforderlich, um N zu ermitteln. Diese Aufgabe kann mit bekannten Technologien und einem entspre­ chenden Aufwand gelöst werden, solange die Modulationsfre­ quenzen kleiner 1 GHz bleiben.

Bei der interferometrischen Distanzmessung tritt anstelle der Modulationswellenlänge Λ die Lichtwellenlänge λ der Trägerfrequenz und die Gleichung lautet

2D = N λ + ϕ λ.

Damit ist die Trennung zwischen Grob- und Feinmessung in den Submikrometerbereich verschoben worden, etwa um sechs Dezimalen gegenüber dem Modulationsentfernungsmesser. Die notwendigen Wellenlängen zur Ermittlung von N werden in bekannter Weise durch Interferenzmodulation erzeugt, indem man zwei eng benachbarte kohärente Lichtwellen interferie­ ren läßt zu einer Schwebungswelle. Die Detektion solcher Frequenzen ist bis zu einer Wellenlänge von ca. 1 m ent­ sprechend 300 MHz mit vertretbarem Aufwand möglich. Zwi­ schen dieser Frequenz und dem Anschluß an die Feinmessung sind aber die Werte von sechs Dezimalen notwendig mit Fre­ quenzen bis in den Terrahertzbereich, deren Messung auf­ wendig, schwierig bis unmöglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Methode und die dazu gehörigen apparativen Mittel aufzuzeigen, die eine interferometrische Distanzmessung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß werden zwei Strahlungsquellen mit sich überdeckenden Frequenzen verwendet, von denen eine in ihrer Frequenz oder Wellenlänge stabilisiert und die ande­ re breitbandig veränderbar ist. Beide Strahlungen müssen so beschaffen sein, daß sie optisch isoliert werden kön­ nen, sie durchlaufen das Meßgerät gemeinsam, ohne mitein­ ander zu interferieren. Dies wird dadurch erreicht, daß beide Quellen linear polarisiert und ihre Polarisations­ richtungen orthogonal zueinander ausgerichtet oder über örtlich getrennte Strahlengänge geführt werden. Beide Strahlungen werden sodann durch ein polarisationsoptisches Teilerprisma zu einem Strahlengang vereint. Nach der Ver­ einigung werden beide Strahlen intensitätsgeteilt, ohne daß ihre Polarisationseigenschaften beeinflußt werden, wobei ein Strahlenpaar in das Referenz-Interferometer, das andere in das Mess-Interferometer gelenkt wird. Das Refe­ renz-Interferometer ist eine stabile Konstruktion mit be­ kannten Dimensionen und erfüllt die Aufgabe als Inter­ ferenz-Spektrometer, den Frequenzabstand zwischen der sta­ bilisierten bekannten und der variablen, unbekannten Fre­ quenz optisch-spektroskopisch zu bestimmen. Dieser Fre­ quenzabstand ist das rechnerische Maß für die Untertei­ lung der Meßstrecke in Pseudo-Schwebungswellenlängen, die physikalisch nicht existent sind.

Das andere Strahlenpaar wird in das Meß-Interferometer veränderlicher Dimension gelenkt, wobei der gleiche Meß­ prozeß abläuft wie im Referenz-Interferometer. Jedes der beiden Interferometer beinhaltet zwei unabhängige interfe­ rometrische Strahlengänge für die stabilisierte und die variable Frequenz, die beide die gleichen optischen Wege durchlaufen. Am Ausgang der Interferometer werden die Polarisationen wieder getrennt und den Detektoren zuge­ führt.

Für den Aufbau eines doppelten interferometrischen Strah­ lenganges in einem Interferometer bestehen zwei Möglich­ keiten für die Ausbildung des Teilerprismas. Mit dem klassischen Aufbau kann ein nichtpolarisierender Intensi­ tätsteiler verwendet werden oder ein Polarisationsteiler unter 45° zu den orthogonalen Polarisationsrichtungen der Strahlung.

Für das Referenz-Interferometer ist bevorzugt ein Fabry- P´rot (FPI) Typ verwendbar. Das FPI hat den Vorteil einer einfach zu definierenden Länge und der schmaleren Linien­ breite sowie der damit verbundenen höheren Auflösung. Die Meßmethode soll am FPI erläutert werden. Die in das Interferometer eingestrahlte stabilisierte Wellenlänge er­ zeugt ein Interferenzstreifenmuster, das als Referenz der Messung zugrunde gelegt wird. Die genaue Länge des FPI und die Wellenlänge der Strahlung sind bekannt und damit die Anzahl der Wellenlängen in den einzelnen Ordnungen des In­ terferenzstreifenmusters. Die veränderliche Wellenlänge bildet ein gleichartiges Interferenzstreifenmuster, wel­ ches das der stabilen Wellenlänge überstreicht, wobei die Laufrichtung davon abhängt, ob die Wellenlänge gegenüber der stabilisierten vergrößert oder verkleinert wird, sie wechselt die Richtung und damit das Vorzeichen bei Gleich­ heit beider Wellenlängen. Für den Fall λ_v = λ_R und für die Bedingung λ_v = (i; 1/i) λ_R, worin λ_vT die variable und λ_R die stabilisierte Wellenlänge ist und i ein Integer, überdecken sich die Wellenlängen in allen Ordnungen des FPI.

Die Meßmethode beruht auf der Erkenntnis, daß in einem interferometrischen Meßarm, bei ganzzahliger Änderung der Anzahl Wellenlängen, hervorgerufen durch die Variation der Frequenz, die Frequenzdifferenz von Inkrement (Inter­ ferenzstreifenpassage) zu Inkrement konstant ist und der Länge des Meßarmes entspricht, wenn sie durch die Licht­ geschwindigkeit c dividiert wird:

2 D - ϕ λ = c/Δ ν = N3 · λ.

Die praktische Verwirklichung der Meßmethode wird dadurch erreicht, daß die Frequenzdifferenzen optisch und nicht elektronisch gemessen werden. Dabei ist es zweckmäßig, mit zwei Wellenlängen zu messen, wovon die eine stabil, die andere variabel ist. Die stabile Wellenlänge dient bei der Zählung der Interferenzstreifenpassagen als Index, bei der interferenzspektrometrischen Messung der Frequenzdif­ ferenzen als Frequenz- oder Wellenlängenreferenz und zur Auslösung der Triggerimpulse zur Ein- und Ausschaltung der Interferenzstreifenzähler. Die Wellenlängen der beiden Frequenzen sollen bevorzugt zueinander so liegen, daß die stabile an einem Ende und innerhalb des Variationsberei­ ches der variablen angeordnet ist.

Mit dieser Meßmethode läßt sich die gesamte Anzahl In­ terferenzstreifen über den unbekannten Meßbereich zählen, wenn die variable Wellenlänge von λ_v = λ_R bis λ_v = λ_R/2 oder λ_v = 2 λ_R verändert werden kann.

Da zum gegenwärtigen Zeitpunkt solche kohärenten Strah­ lungsquellen noch nicht verfügbar sind, können nur ca. 1% der Passagen gezählt werden. Der Zählbereich der Messung kann verdoppelt werden, wenn ein frequenzverdoppelnder Kristall eingesetzt wird, der die Wellenlänge λ_v in λ_v/2 wandelt. Der Einfachheit halber soll angenommen werden, daß mit drei Strahlenquellen gemessen wird;

die stabile λ_R
die variable λ_v und
die variable mit frequenzverdoppelndem Kristall λ_v/2.

Die λ_v/2-Quelle soll relativ zu den anderen im Spektrum so angeordnet sein, daß sie bei λ_R/2 liegt und λ_v/2 λ_R/2 variiert wird, so daß die Wellenlängenänderung gegenläufig zu λ_v λ_R verläuft.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung als Doppel-Interferometer. Als Strah­ lenquellen sind die stabilisierte Laserdiode 1 und die va­ riable Laserdiode 2 sowie die variable Laserdiode 3 mit dem frequenzverdoppelnden Kristall 3a, mit der nicht dar­ gestellten Kollimatoroptik so angeordnet, daß ihre Pola­ risationsrichtungen zueinander ausgerichtet sind, wobei die Polarisationsrichtungen der beiden variablen Dioden parallel verlaufen und durch das polarisationsoptische Prisma 4 die Strahlungen von 1 und 2 gemischt werden. Die Diode 3 wird über den dichromatischen Spiegel 5 eingeblen­ det. Das folgende nichtpolarisierende Teilerprisma 6 teilt die Intensitäten der Strahlung für das Meß-Interferometer und das Referenz-Interferometer. Das Referenz-Interfero­ meter 20, 21, 22 ist als Fabry-P´rot-Interferometer mit einem stabilen Distanzrohr 21 als Referenzstrecke ausge­ bildet. Mit 23 sind die Detektoren dieses Interferometers bezeichnet, die bevorzugt als Diodenarray mit paarweise als Differenzdioden geschalteten Ringdioden aufgebaut sind.

Die geteilte Strahlung für das Meß-Interferometer wird durch das Polarisationsteilerprisma 7 in die beiden Kompo­ nenten λ_R + λ_v zerlegt und durch die Prismen 7 und 8 ört­ lich voneinander getrennt, so daß die beiden Strahlengänge punktsymmetrisch zu den Tripelprismen 10 und 11 und zuein­ ander orthogonal verlaufen. Das nachfolgende Teilerpris­ ma 9 des Meßinterferometers kann als polarisierendes oder nichtpolarisierendes ausgebildet werden, je nach Wahl des zur Verwendung kommenden Interferometertyps. Für ein pola­ risationsoptisches Interferometer ist zusätzlich eine λ/8- Verzögerungsplatte erforderlich, um die Polarisation der Strahlung um 45° zu drehen, wenn dies nicht schon durch die relative Lagenzuordnung der Prismen 7 und 8 gegen­ über 9 erreicht wurde. Prisma 9 teilt die Strahlung in den Referenz- und Meßarm, wo sie von den Tripelprismen 10 und 11 versetzt reflektiert und in 9 wiedervereint wird. Im Referenzarm ist eine phasenschiebende Vorrichtung 12 ein­ gebaut, mit der der Betrag der Feinmessung kompensiert werden kann, die bevorzugt als piezokeramischer Wandler ausgeführt wird, der seine Länge in Abhängigkeit einer an­ liegenden Spannung ändert. Nach dem Austritt der Strahlen­ gänge aus dem Prisma 9 werden diese durch die Prismen 13 und 14 geteilt, zueinander phasenversetzt und durch die Photodioden 16-18 detektiert.

In den optischen Anordnungen des Referenz- und Meß-Inter­ ferometers sind je zwei autonome interferometrische Strah­ lengänge untergebracht. In jedem Interferometer je einer für die stabile Referenzwellenlänge λ_R und je ein weite­ rer für die variable Wellenlänge λ_v. Die beiden λ_R-Strah­ lengänge sind die Bezugsgröße der Wellenlängenreferenz und der Index bei der Messung.

Der Meßzyklus beginnt mit der Ermittlung des Bruchteils ϕλ_R aus der Gleichung

2 D = N λ_R + ϕλ_R.

Dazu ist lediglich die Messung der Phase ϕ im Meßinterfe­ rometer der Wellenlänge λ_R notwendig. Nach Abschluß der Messung wird die Phase ϕ kompensiert durch Anlegen einer Gleichspannung an den piezokeramischen Wandler des Phasen­ kompensators 12. Damit bleibt für die Grobmessung:

2 D - ϕλ_R = Nλ_R = c/Δν

c die Lichtgeschwindigkeit ist die Basiskonstante der Meter-Definition Δν ist die Frequenzdifferenz der variablen Strahlung zwi­ schen zwei Interferenzstreifenpassagen im Meß- und Referenz-Interferometer gegenüber dem Interferenzstrei­ fen der bekannten Wellenlänge λ_R als Index, es enthält die komplette Information über die gesuchte Strecke und ist konstant.

Für die nachfolgende Grobmessung kann die phasenkompensie­ rende Gleichspannung durch eine Wechselspannung überlagert werden, die den als Index dienenden Interferenzstreifen von λ_R moduliert. Das modulierte Signal kann elektronisch differenziert werden, wodurch die Genauigkeit der Messung verbessert wird.

Der Ablauf der Grobmessung beginnt mit der Variation der Wellenlänge λ_v aus der λ_R benachbarten Endlage der spek­ tralen Bandbreite, durch programmierte Änderung des In­ jektionsstromes der Laserdiode. Beim Erreichen des Zustan­ des λ_v = λ_R melden alle Diodenpaare 23 Gleichheit und ak­ tivieren die Zähler der Interferometer. Ist die zu messen­ de Distanz 2D < 2R, der Referenzlänge R, so empfängt der Meßdetektor 15 und 16 den ersten Zählimpuls, ausgelöst durch eine Interferenzstreifenpassage relativ zu λ_R. Im Zustand

empfängt auch das für die Zählung ausgewählte Diodenpaar des Referenzdetektors 23 den ersten Zählimpuls. Das Ende der Zählung wird kurz vor Erreichen des anderen Endes der spektralen Bandbreite von λ_v durch einen Zählimpuls (kon­ stante Anzahl) des Referenz-Interferometers ausgelöst, wenn λ_v ≠ λ_R/2 ist. Zwecks Interpolation der Interferenz­ streifenpassagen des Meßinterferometers kann ein Clock- Oszillator parallel zählen mit einer Zählrate, die etwa eine Zehnerpotenz über den zu interpolierenden Dekaden liegt.

Nach Abschluß dieser Messung kann eine weitere erfolgen mit einer variablen Strahlungsquelle 3 und einem vorge­ schalteten Kristall 3a zur Frequenzverdoppelung, bevorzugt gegenläufig zur ersten. Der Meßablauf ist der gleiche, beginnend mit dem Zustand λ_v = λ_R/2 melden alle Diodenpaa­ re 23 Gleichheit und aktivieren die Zähler der Interfero­ meter.

Laserdioden im Einmodbetrieb können zur Zeit um maximal 1% variiert werden. Nimmt man für das FP-Referenz-Inter­ ferometer eine optische Länge von 100 000 λ_R an, wählt man λ_R = 1 µm, so ergibt sich eine Baulänge von 50 mm. Für den angegebenen Bandbreitenbereich erhält man 1000 Streifen­ passagen im Referenzzähler und 100 000 im Meßzähler für eine angenommene Meßdistanz von 10 m. Weitere 200 000 bei der zusätzlichen Messung mit Frequenzverdopplung im Spektralbereich von λ_R/2.

Die Verwendung eines FPI als Referenz hat den Vorteil, daß man ein Detektorpaar von 23 dazu verwenden kann, um die Laserdiode von λ_R wellenlängenstabil zu regeln. Durch einen dem Detektorpaar vorgeschalteten Polarisator wird der Einfluß von λ_v eliminiert und nur die Strahlung von λ_R durchgelassen. Diese fällt als schmaler Ring auf den Doppelring des Differenzdetektors und regelt über den In­ jektionsstrom die Laserdiode so, daß ihre Wellenlänge konstant bleibt. Durch die Regelung auf konstante Wellen­ länge bleibt das Interferenzstreifenmuster des FPI stabil und in Übereinstimmung mit den Dimensionen des Detektor­ array. Diese Rückkopplung kann man gleichzeitig dazu be­ nutzen, die Kohärenz der Diode zu regeln, indem man das Frequenzrauschen minimiert.

Für die Regelung der statistischen Fluktuation der Fre­ quenz der variablen Strahlungsquelle ist ein weiteres se­ parates FPI veränderbarer Länge erforderlich, dessen Län­ genänderung mit der Variation der Wellenlänge der Quelle so rückgekoppelt ist, daß die Interferenzerscheinung im Interferometer örtlich und in ihrer Dimension konstant bleibt.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens beschrieben worden. Selbstverständlich ist es mög­ lich, daß die erfindungsgemäße Meßmethode mit nur einer variablen Strahlungsquelle oder akustooptischen Wandlern und Frequenzreferenzen in Form von Gas- oder Dampfzellen durchgeführt wird. Auch können die apparativen Aufbauten der Interferometer anders gewählt werden sowie die Kombi­ nation von Meß- und Referenz-Interferometer. Ferner ist die Erfassung und Auswertung der Meßdaten dem jeweils ge­ wählten interferometrischen Meßprinzip anzupassen und kann in einem anderen Aufbau erfolgen. Die vorstehend er­ läuterte Anordnung hat jedoch den Vorteil, daß sie sehr einfach mit bekannten Mitteln beschrieben werden kann, so daß sie für einen Durchschnittsfachmann geläufig ist.

Der erfindungsgemäße Aufbau und die Meßmethode erlauben eine digitale Zählung der Anzahl N Interferenzstreifen auf der Meßstrecke zwischen zwei physikalisch gut definierten Zuständen: λ_v = λ_R und λ_v = λ_R/2 bzw. λ_v = 2λ_R.

Damit ist ein Fortschritt gegenüber der analogen Phasen­ messung und ihren gestuften Meßfrequenzen, die den Stand der Technik darstellen, erreicht.

Claims (11)

1. Gerät zur dimensionellen Messung, beinhaltend kohärente Strahlungsquellen, Frequenz- oder Wellenlängenreferen­ zen, Interferometer und photoempfindliche Empfänger, die mit elektronischen Schaltungen verknüpft sind, die empfangene optische Signale quantifizieren, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine kohärente Strahlungsquelle verän­ derlicher Wellenlänge und eine zugeordnete Wellenlän­ gen- oder Frequenzreferenz oder mindestens eine zweite stabile Strahlungsquelle als Referenzwellenlänge oder -frequenz, die im Spektralbereich der veränderlichen liegen, deren Strahlungen durch optische Elemente kol­ limiert, optisch isoliert, vereint, geteilt, reflek­ tiert, wiedervereint, separiert und detektiert werden, wobei sie zwei interferometrische Anordnungen, die min­ destens je einen interferometrischen Strahlengang be­ inhalten, wovon die eine ein Meß-Interferometer unbe­ kannter und die andere ein Referenz-Interferometer be­ kannter Dimension ist, gemeinsam aber optisch isoliert durchlaufen, die eine gemeinsame Interferenz der Strah­ lungen untereinander ausschließt und die Strahlungen separiert, um eine getrennte Detektion der Interferenz­ erscheinungen jeder einzelnen Strahlung zu gewährlei­ sten, die von den photoempfindlichen Sensoren der In­ terferometer in Abhängigkeit der Differenzfrequenz der Strahlungen gegenüber einer Referenzfrequenz detektiert und einer nachfolgenden gemeinsamen elektronischen Schaltung zugeführt werden, die die Impulsfolgen der Interferenzstreifenpassagen speichert, interpoliert, mathematisch verarbeitet, vergleicht und daraus die un­ bekannte Dimension des Meß-Interferometerarmes ermit­ telt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der interferometrische Strahlengang für die stabi­ lisierte Wellenlänge λ_R oder Frequenz ν_R im Meß-Inter­ ferometer gegenüber demjenigen der variablen Wellenlän­ ge λ_v oder Frequenz ν_v so geführt wird, daß er ge­ trennt beeinflußbar ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Referenzarm des Meß-Interferometers eine op­ tische Vorrichtung angebracht ist, mit welcher die Pha­ se im Interferometer kontinuierlich verschoben wird.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Phasenschiebung in ihrer Wir­ kungsweise, der Phasenschiebung überlagert, periodisch moduliert wird.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenz-Interferometer vom Fabry-P´rot-Typ mit Luftabstand der Platten ist und daß dieser Luft­ abstand durch eine stabile Vorrichtung gewährleistet wird, die aus einem Material besteht, welches von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft verändern, nur in einem vernachlässigbaren Maß beeinflußt wird und daß diese Vorrichtung Öffnungen hat zum freien Durchfluß der Luft.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Photodetektorpaar, mindestens eine Interferenzerscheinung des Referenz-Interferometers de­ tektiert, über einen Rückkopplungskreis mit einer Strahlungsquelle verbunden ist und diese in ihrer Fre­ quenz so beeinflußt, daß die Interferenzerscheinung örtlich unverändert bleibt und die Wellenlänge der Strahlungsquelle dadurch stabilisiert wird.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Photodetektorpaar mindestens eine Interferenzerscheinung des Referenz-Interferometers de­ tektiert, über einen Rückkopplungskreis mit einer Strahlungsquelle verbunden ist und diese in ihrer sta­ tistischen Frequenzfluktuation so regelt, daß diese auf ein Minimum kompensiert und die Kohärenz optimal wird.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Photodetektorpaare mindestens zwei Interferenzerscheinungen ungleicher Ordnung des Refe­ renz-Interferometers detektieren und bei gleichzeitiger Überlagerung von zwei Wellenlängen eine elektronische Schaltung aktivieren.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Photodetektorpaare mindestens zwei Interferenzerscheinungen ungleicher Ordnung des Refe­ renz-Interferometers detektieren und die Interferenz­ streifendurchgänge voneinander unabhängig zählen.

10. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle veränderlicher Wellenlänge oder Frequenz durch ein zusätzliches Fabry-P´rot- Interferometer steuerbarer Länge über einen Rückkopp­ lungskreis in ihrer Frequenz so geregelt wird, daß die Interferenzerscheinung örtlich stabil bleibt und als Signal für einen zweiten Rückkopplungskreis dient, der ihre statistische Frequenzfluktuation auf ein Mi­ nimum regelt.

11. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Strahlung mindestens einer Quelle durch eine optische Vorrichtung verdoppelt wird.