DE4209260C2

DE4209260C2 - Einrichtung zur Längenmessung

Info

Publication number: DE4209260C2
Application number: DE19924209260
Authority: DE
Inventors: Edgar Dipl Ing Fichter
Original assignee: Hommelwerke GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 1992-03-21
Filing date: 1992-03-21
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2012-03-22
Also published as: DE4209260A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Längen messung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch "IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QU-18, Nr. 10, Oktober 1982, S. 1647 ff", ist es bekannt, daß durch Modulation der Wellenlänge eines Lasers aus einem einfachen Michelson Interferometer sowohl die Richtung als auch der Betrag der Änderung der optischen Pfaddifferenz durch eine geeignete Demodulationselektronik gewonnen werden kann. Die Demodulation der Interferometersignale erfolgt dabei nach dem Prinzip der homodynen Demodulation. Bei dieser Methode erhält man am Ausgang der Demodulationselek tronik ein Zweiphasen-Drehfeld, das sowohl die Auswertung der Bewegungsstrecke als auch der Bewegungsrichtung des Meßreflektors ermöglicht. Die beiden Drehfeldsignale werden dabei wie folgt beschrieben:

BGI₁(C)sinΦ(t)

BHI₂(C)cosΦ(t).

Dabei sind B, G und H durch das Interferometer vorgegebene Konstanten; Φ(t) ist der Phasenwinkel, I₁ und I₂ sind die Besselfunktionen erster und zweiter Ordnung, und C ist der Phasenhub, der durch die Modulation der Wellenlänge des Lasers bewirkt wird.

Nachteilig ist dabei, daß die demodulierten Signale mit den Besselfunktionen I₁(C) und I₂(C) multipli ziert werden. Die Besselfunktionen I₁(C) und I₂(C) sind unterschiedliche, vom Weg bzw. Phasenhub abhängige Schwingungen, für die Werte von C existieren, bei denen I₁(C) bzw. I₂(C) Null werden. Der Phasenhub C, der durch die Wellenlängenmodulation bewirkt wird, ist aber eine Funktion der optischen Differenz Meßlichtpfad und Bezugs lichtpfad. Bei einer Änderung der optischen Pfaddifferenz ändert sich aufgrund der Unterschiedlichkeit der Besselfunk tionen das Amplitudenverhältnis der demodulierten Signale; es gibt sogar Punkte, an denen eine Auslöschung der demodu lierten Signale auftritt, und zwar dort, wo die Besselfunk tionen durch Null gehen. Damit ist das bekannte Demodula tionsprinzip nur eingeschränkt für ein Längenmeßsystem einsetzbar, da es nur kleine Änderungen der optischen Pfad differenz zuläßt.

Durch EP 01 35 000 B1 ist ein optisches Interfero meter bekannt, das einen Meßlichtpfad und einen damit gekop pelten Bezugslichtpfad aufweist, wobei die Laserdiode von einer Gleichstromquelle mit einem Speisestrom gespeist ist. Auch die US 47 29 653 offenbart ein optisches Interferometer mit diesen genannten Merkmalen. Diese beiden bekannten optischen Interferometer weisen ebenfalls die eingangs genannten Nachteile auf, so daß sie nur eingeschränkt für ein Längenmeßsystem einsetzbar sind.

Durch DE 36 15 916 C2 ist es bekannt, den Speise strom einer Laserdiode in einem optischen Gyroskop und damit die Frequenz des von der Laserdiode emitierten Lichts so einzustellen, daß die durch die Meßgröße, also die Winkelro tation des Gyroskops verursachten Änderungen kompensiert werden. Diese Kompensation ist keine Modulation, so daß auch nicht die durch eine Modulation entstehenden, eingangs geschilderten Nachteile in Bezug auf eine Auslöschung der demodulierten Signale auftreten.

Durch DE 38 36 174 ist eine elektronische Schaltungsanordnung, insbesondere zur Längenmessung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Interferometers bekannt, bei der ein Meßlichtpfad, ein damit gekoppelter Betriebslichtpfad und als Lichtquelle eine Laserdiode verwendet wird, die von einer Gleichstromquelle mit einem Speisestrom gespeist ist, der von einem Modulator mit einem Wechselstrom als Modulationssignal moduliert ist. Diese bekannte optoelektronische Schaltungsanordnung erlaubt den Einsatz zur Längenmessung bei größeren Änderungen der optischen Farbdifferenz und eine Auswertung von Drehfeldsignalen, die zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Interferometerspiegels im Meßpfad dient. Diese bekannte Einrichtung hat trotz ihrer Vorteile gegenüber bereits früher bekannten Einrichtung Grenzen hinsichtlich der Auswertung der demodulierten Drehfeldsignale und hinsichtlich der verarbeitbaren Größen von Änderungen der optischen Farbdifferenz.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, das optische Interferometer der betreffenden Art so auszubilden, daß die Auswertung der demodulierten Drehfeld signale verbessert und der Einsatz bei größeren Änderungen der optischen Pfaddifferenz möglich ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Größe der Kosinus-/Sinussignale festzustellen, diese beiden Signale miteinander zu vergleichen und so ein Differenz signal zu bilden, und dieses als Regelsignal zur Regelung des Phasenhubes C zu verwenden, der durch die Wellenlängen modulation der Laserdiode bewirkt wird. Diese Regelung erfolgt dabei in einem Maße und in einem Sinne, daß Änderun gen der durch die Modulation bewirkten Streifenfrequenz am Ausgang des Interferometers aufgrund sich ändernder Diffe renz von Meßlichtpfad und Bezugslichtpfad des Interferome ters entgegengewirkt wird. Dies wird dadurch bewirkt, daß bei Änderung des Phasenhubes aufgrund der Unterschiedlich keit der Besselfunktion das Amplitudenverhältnis der demodu lierten Signale sich ändert. Im Ergebnis wird also erreicht, daß die Amplituden unabhängig von der optischen Differenz Meßlichtpfad und Bezugslichtpfad weitgehend gleich sind und so eine sichere Bestimmung der Änderungsrichtung des Meß lichtpfades auch bei großen Längen des Meßlichtpfades auf grund des den Sinus-/Kosinussignalen zugrundeliegenden Drehfeldes möglich ist.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Lehre des An spruchs 1 ist im Anspruch 2 angegeben. Nach dieser Weiter bildung werden Regelsignale nur dann erzeugt, wenn eine Meßbewegung vorhanden ist. Dabei ist es weiterhin zweck mäßig, daß dem Amplitudenvergleicher Spitzenwertspeicher vorgeschaltet sind, die nur die Spitzenwerte der Sinus-/Ko sinussignale erfassen, wenn Meßbewegungen auftreten. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Sinus-/Kosinussignale nicht nur gleich sind und die Bildung eines ordnungsgemäßen Drehfeldes ermöglicht, sondern auch ihren Maximalwert haben, so daß ein sicherer Betrieb der Einrichtung auch bei langem Meßlichtpfad möglich ist.

Anhand eines in der Zeichnung gezeigten Blockschalt bildes soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Ein Interferometer 1 weist eine Laserdiode 2 auf, deren Licht über einen Meßlichtpfad 3 zu einem Meßreflektor 4 in Form eines Spiegels führt, der in Richtung eines Dop pelpfeiles 5 in Richtung des Meßlichtpfades 3 beweglich ist und sich beispielsweise auf einer Oberfläche befindet, deren Abstand zu dem Interferometer 1 gemessen werden soll.

Ein Bezugslichtpfad 6 erstreckt sich zwischen einem Bezugsreflektor 7 und einer Fotodiode 8 und ist über einen eine Koppelstelle 9 darstellenden teildurchlässigen Spiegel mit dem Meßlichtpfad 3 gekoppelt.

Eine Gleichstromquelle 10 speist über eine Leitung 11 und einen Modulator 12 sowie eine Leitung 13 die Laserdiode 2. Ein Oszillator 15 erzeugt eine Wechselspannung, die über eine Leitung 16 und einen Multiplizierer 17 in einen Steuer eingang 18 des Modulators 12 gelangt. Auf diese Weise wird der Speisestrom für die Laserdiode 2 mit der Frequenz des Oszillators 15 moduliert. Der Modulationshub und die Mittel lage sind dabei so gewählt, daß sich die Wellenlänge des Lasers nur innerhalb von zwei benachbarten Sprungstellen der Strom/Wellenlängencharakteristik der Laserdiode 2 ändert.

Die Ausgangsspannung der Fotodiode 8 gelangt über eine Leitung 19 in einen Strom/Spannungswandler 20 und weiter über eine Leitung 21 und einen Verstärker 22 sowie über eine Leitung 23 in die einen Eingänge von Phasendemodulatoren 24 und 25. Der andere Eingang des Phasendemodulators 24 ist über eine Leitung 26 mit einem Frequenzverdoppler 27 verbun den, dessen Eingang mit der Leitung 16 verbunden ist, die die Wechselspannung von dem Oszillator 15 führt. Der andere Eingang des Phasendemodulators 25 ist direkt mit der Leitung 16 und damit mit dem Oszillator 15 verbunden. Der Phasende modulator 24 ist über einen Tiefpaß 28 mit einer Klemme 29 verbunden, die an einem Cosinus-Eingang eines Vorwärts/- Rückwärtszählers 30 zur Anzeige der Bewegungen des Meßre flektors 4 in Richtung des Doppelpfeiles liegt. Der Phasen demodulator 25 ist über einen Tiefpaß 31 mit einer Klemme 32 verbunden, an die der Sinus-Eingang des Vorwärts/-Rückwärts zählers angeschlossen ist.

An die Ausgänge der Tiefpässe 28 und 31 und damit auch an die Ausgänge der Phasendemodulatoren 24, 25 sind über Leitungen 33, 34 Spitzenwertspeicher 35, 36 angeschlossen, deren Ausgänge über Leitungen 37, 38 mit einem Amplituden vergleicher 39 verbunden sind, der einen Umschalter 40 steu ert.

Leitung 33 ist über eine Leitung 41 mit einem Ana log-/Digitalwandler 42 verbunden, dessen Ausgang über eine Leitung 43 mit dem Umschalter 40 verbunden ist, dessen Umschaltkontakte über Leitungen 44, 45 mit einem Vorwärts/- Rückwärtszähler 46 verbunden ist, dessen Ausgang über einen Digital-/Analogwandler 47 mit dem Multiplizierer 17 verbun den ist.

Bei Betrieb wird in der bekannten Weise die Frequenz der Laserdiode 2 mit einer Trägerfrequenz aufgrund der Modulation mit der Frequenz des Oszillators 15 beaufschlagt. Damit hängt die Ausgangsspannung des Fotodetektors 8 sowohl von den durch diese Modulation bewirkten Lichtstreifendurch läufen als auch von denjenigen ab, die durch die Bewegung des Meßreflektors 4 in Richtung des Doppelpfeiles 5 bedingt sind. Das Ausgangssignal des Fotodetektors 8 gelangt nach Umwandlung und Verstärkung in Verstärker 22 über Leitung 23 in die Phasendemodulatoren 24 und 25, in denen eine Phasen demodulation in Abhängigkeit von der Frequenz des Oszilla tors 15 erfolgt. Aufgrund der Frequenzverdopplung in dem Frequenzverdoppler 27 ergeben sich an den Ausgängen der Phasendemodulatoren 24 und 25 um 90° versetzte Spannungen, also Sinus - Cosinusspannungen, mit denen sich ein Drehfeld bilden ließe und die bei Einspeisung in den Vorwärts-/Rück wärtszähler 30 eine Vorwärts-/Rückwärtszählung ermöglichen, also eine Bestimmung der Bewegungen des Meßreflektors 4 in beide Richtungen des Doppelpfeiles 5. Die Grenzfrequenz der Tiefpaßfilter 28 und 31 liegt dabei unterhalb der Frequenz des Oszillators 15.

Ändert sich die Länge des Meßlichtpfades 3 aufgrund einer Bewegung des Meßreflektors 4, so ändern sich auch die Spannungen auf den Leitungen 33, 34 und damit an den Eingän gen der Spitzenwertspeicher 35, 36, die jeweils die Spitzen werte der Sinus- bzw. Kosinusspannung festhalten. Diese Spitzenwerte gelangen über die Leitungen 37, 38 in den Amplitudenvergleicher 39, der in Abhängigkeit von der Pola rität der Differenz der beiden Amplituden den Umschalter 40 betätigt, der so die von dem Analog-/Digitalwandler 42 kommenden Impulse in einer solchen Weise an den Vorwärts/- Rückwärtszähler 46 anlegt, daß dieser seinen Zählwert än dert, wodurch auch die Analogspannung am Ausgang des Digi tal-/Analogwandlers 47 geändert wird. Dadurch wird auch die Größe des Signals am Steuereingang des Modulators 12 und damit auch der Hub der Modulation geändert. Dies bewirkt wiederum eine Änderung der Größe der Sinus-/Kosinusspannun gen auf den Leitungen 33 und 34, wobei der Umschaltsinn des Umschalters 40 natürlich so gewählt ist, daß die bewirkte Änderung der Sinus-/Kosinusspannungen im Sinne einer Verrin gerung der Differenz zwischen beiden erfolgt.

Claims

1. Einrichtung zur Längenmessung, mit einem optischen Interferometer, das einen Meßlichtpfad, einen damit gekoppelten Bezugslichtpfad und als Lichtquelle eine Laserdiode aufweist, die von einer Gleichstromquelle mit einem Speisestrom gespeist ist, der von einem Modulator mit einem Wechselstrom als Modulationssignal moduliert ist, mit
einem ersten Phasendemodulator (25), dessen einer Ein gang mit dem Modulationssignal oder einem ungeraden Vielfachen davon, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Fotodetektors (8) und dessen Ausgang über ein Tiefpaßfilter (31) mit einem Sinuseingang eines Vorwärts-/Rückwärtszählers (30) verbunden ist,
einem zweiten Phasendemodulator (24), dessen einer Eingang mit dem Fotodetektor (8) am Ausgang des Inter ferometers (1) und dessen anderer Eingang über einen Frequenzvervielfacher (27), der ein gerades Vielfaches der Modulationsfrequenz erzeugt, mit dem Modulations signal und dessen Ausgang über ein Tiefpaßfilter (28) mit einem Kosinuseingang des Vorwärts-/Rückwärtszählers (30) verbunden ist,
wobei die Grenzfrequenz der beiden Tiefpaßfilter (28, 31) oberhalb der Frequenz des Modulationssignals liegt, und
mit einem an die Ausgänge des ersten und zweiten Pha sendemodulators (24, 25) angeschlossenen Amplitudenvergleicher, dessen Ausgangssignal die Größe des Modulationssignals steuert, derart, daß Änderungen der durch die Modulation bewirkten Streifenfrequenz am Ausgang des Interferometers (1) bei sich ändernder Differenz von Meßlichtpfad (3) und Bezugslichtpfad (6) des Interferometers (1) und damit Änderungen der Dif ferenz zwischen den Amplituden der Ausgangssignale der Phasendemodulatoren (24, 25) entgegengewirkt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Ausgang des Tiefpaßfilters (31) für die Sinusspannung oder der Ausgang des Tiefpaßfilters (28) für die Kosinusspannung an einen Analog-/Digitalwandler (42) angeschlossen ist, der bei Änderungen des Sinus- bzw. Ko sinussignals entsprechend der Änderungsgeschwindigkeit Taktimpulse erzeugt, die über einen Umschalter (40) entwe der an den Vorwärtseingang oder an den Rückwärtseingang eines Vorwärts-/Rückwärtszählers (46) anlegbar sind, dem ein Digital-/Analogwandler (17) nachgeschaltet ist, des sen Ausgang mit dem Steuereingang (18) des Modulators (12) für die Laserdiode (2) verbunden ist, wobei der Umschalter (40) mit dem Ausgang des Amplitudenvergleichers (39) ver bunden ist, derart, daß bei einer Differenz zwischen der Kosinusspannung und der Sinusspannung am Eingang des Am plitudenvergleichers der Hub des Modulators (12) in einem Maße und in einem Sinne verändert wird, daß die Differenz zwischen der Kosinus- und Sinusspannung verringert wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß dem Amplitudenvergleicher (39) Spitzenwert speicher (35, 36) vorgeschaltet sind.