DE4306884C2

DE4306884C2 - Phasenmoduliertes Interferometer

Info

Publication number: DE4306884C2
Application number: DE19934306884
Authority: DE
Inventors: Juergen Bauer; Ehrhard Dammann
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH; Jenoptik AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1993-02-23
Filing date: 1993-03-05
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2013-03-06
Also published as: DE4306884A1

Description

Die Erfindung betrifft ein phasenmoduliertes Interferometer zur Auswertung von Phasenver schiebungen aufgrund von Änderungen optischer Weglängen im Meßarm des Interferometers. Insbesondere findet sie Anwendung für Präzisionslängenmeßsysteme, die vorzugsweise das Heterodynverfahren zur Auswertung verwenden.

Präzisionslängenmeßsysteme, basierend auf Interferometern, sind seit Einführung des Lasers bekannt. Prinzipiell wird zwischen homodynen und heterodynen Auswerteverfahren unter schieden. Heterodynverfahren werden im allgemeinen bevorzugt aufgrund ihrer Möglichkeit des Vor- und Rückwärtszählens und der infolge verschwindenden Gleichlichtanteils hohen In terpolation. Derzeit wird ausschließlich die Einseitenbanddetektion zur Auswertung genutzt. Zur Erzeugung eines Seitenbandes bzw. zur räumlichen Trennung der Seitenbänder werden Zeemann-Aufspaltung oder Braggablenkung genutzt. Bei integrierten optischen Heterodynin terferometern kann neben der Strahlteilung und -rekombination auch eine Frequenz- oder Pha senmodulation vorgenommen werden. Wegen der Stabilität und der aufwendigen Abbildung von monomodigen Streifenwellenleitern auf Schichtwellenleitern und umgekehrt mit Hilfe von Tapern, Linsen oder Gittern werden Interferometer mit durchgehenden Streifenwellenleitern angestrebt. Dadurch entfällt jedoch die akustooptische Braggablenkung zur räumlichen Tren nung der Seitenbänder. Auf der Grundlage des elektrooptischen Effekts läßt sich im Streifen wellenleiter eine Phasenmodulation realisieren. Bei genau definierter elektrischer Ansteuerung des Modulators kann eine Seitenbandunterdrückung erreicht werden. So beschreibt VOGES u. a. in IEEE Journ. Quant. Electr. QE-18 (1982), S. 124-129 eine definierte elektrische An steuerung des Modulators durch Sägezahnimpulse mit definiertem Rücklauf und erreicht damit eine Seitenbandunterdrückung von 40 dB.

Die Erzeugung solcher Ansteuersignale ist jedoch aufwendig und erfordert sehr hohen Regel aufwand.

In der Offenlegungsschrift DE 41 03 914 A1 wird ein Interferometer offenbart, bei dem der Schwerpunkt auf der Richtungsbestimmung der Längenänderung liegt. Die dazu verwendeten zwei Referenzarme werden integriert-optische realisiert und ermöglichen eine optische Phasenmodulation, die in gleicher Weise, wie von VOGES vorgeschlagen, durch Sägezahnansteuerung des Phasenmodulators und nachfolgende Einseitenbandunterdrückung ausgewertet werden. In bezug auf die vollständige Unterdrückung eines Seitenbandes gelten infolge der notwendigen Genauigkeit der Ansteuerung des Phasenmodulators dieselben oben beschriebenen Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein phasenmoduliertes Interferometer zu realisieren, das ohne komplizierte Ansteuerung des Phasenmodulators zu auswertefähigen Überlagerungs signalen aus Meß- und Referenzarm des Interferometers gelangt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem phasenmodulierten Interferometer mit einem Meßarm und einem Referenzarm, in dem in einem der beiden Interferometerarme ein Phasen modulator zur Phasenmodulation der optischen Strahlung angeordnet ist und in dem ein Detek tor zur Aufnahme eines optischen Überlagerungssignals aus Meß- und Referenzarm vorhanden ist, wobei dem Detektor eine Auswerteelektronik zur Bestimmung der Phasenverschiebung des Signals nachgeordnet ist, dadurch gelöst, daß am Phasenmodulator ein sinusförmiges Ansteuersignal mit einer Modulationsfrequenz ω_o und einer Amplitude ϕ_o anliegt, daß eine Einrichtung zur multiplikativen Mischung des Überlagerungssignals mit einem Sinussignal der Mischfrequenz ω_M im Signalweg des Überlagerungssignals angeordnet ist, wobei dieses Sinussignal phasen- und frequenzstarr mit dem Ansteuersignal gekoppelt ist, daß dem Detektor ein Bandpaßfilter nachgeordnet ist, dessen Filterfrequenz ω_F so gewählt ist, daß sie mit Summen- und Differenzfrequenz aus zwei unterschiedlichen Harmonischen der Modulations frequenz ω_o und der Mischfrequenz ω_M entsprechend der Gleichung

ω_F = (2m - 1)ω_o + ω_M = 2nω_o - ω_M mit m, n = 1, 2, 3, . . .
und m ≦ n

übereinstimmt, so daß bei geeigneter Wahl eines durch die Amplitude ϕ_o des Ansteuersignals beeinflußten Arbeitspunktes am Ausgang des Bandpaßfilters ein Signal der Form

S = const.cos(ω_Ft - kx)

entsteht, das mit üblichen Verfahren zur Bestimmung der Phasenverschiebung ausgewertet wird und bei dem t die Zeit, k die Wellenzahl und x die zu messende Distanz sind.

Dabei läßt sich die Einrichtung zur multiplikativen Mischung des Überlagerungssignals mit einem Sinussignal in zwei Varianten gestalten.

Zweckmäßig ist diese Einrichtung ein Multiplikator, der dem Detektor nachgeordnet ist und an dessen zweitem Eingang das Sinussignal mit der geeigneten Mischfrequenz anliegt. Die zweite Möglichkeit zur Realisierung der multiplikativen Mischung ergibt sich vorteilhaft durch Einsatz eines zweiten Phasenmodulators, dem im Signalweg des optischen Überlage rungssignals vor dem Detektor liegend ein Ansteuersignal mit der geeigneten Mischfrequenz zugeführt wird.

Für beide Varianten wird der bekannte erste Phasenmodulator so eingestellt, daß die Amplitude des Ansteuersignals die Gleichung

J_2m-1(2ω_o) = J_2n(2ω_o) mit m, n = 1, 2, 3, . . .

erfüllt, wobei die J_i die i-te Besselfunktion ist.

Vorteilhaft ist die Erfindung in einem dreiarmigen Interferometer, beispielsweise zur Kompensation von Wellenlängendriften bei einer Wegmessung, realisiert, indem ein zweiter Referenzarm vorhanden ist, wobei die beiden Referenzarme mit dem Meßarm zwei separat auszuwertende Überlagerungssignale hervorbringen, und in jedem Signalweg der zwei Über lagerungssignale ein zweiter Phasenmodulator vor dem jeweiligen Detektor angeordnet ist. Eine weitere zweckmäßige, integriert-optisch realisierbare Ausführung der Erfindung ist ein dreiarmiges Interferometer beispielsweise zur Erreichung einer gekoppelten Zwei-Koordinaten- Wegmessung, bei dem ein zweiter Meßarm vorhanden ist, wobei die beiden Meßarme mit demselben Referenzarm zwei separat auszuwertende Überlagerungssignale hervorbringen, und in jedem Signalweg der zwei Überlagerungssignale ein zweiter Phasenmodulator vor dem jeweiligen Detektor angeordnet ist.

Für beide Gestaltungsmöglichkeiten von dreiarmigen Interferometern kann auch problemlos von einer optischen Sinussignalzumischung mittels eines elektrooptischen Phasenmodulators auf eine elektronische Sinussignalmischung nach dem Detektor gewechselt werden. Vorteilhaft wird aber sowohl die Aufspaltung und Überlagerung der optischen Signale als auch die Realisierung der elektrooptischen Phasenmodulatoren integriert-optisch ausgeführt. Es erweist sich weiterhin von Vorteil, aus dem Frequenzspektrum des Überlagerungssignals ein oder mehrere Signale unterschiedlicher Frequenzen zur Regelung des Ansteuersignals des be kannten Phasenmodulators auszufiltern.

Die grundlegende Idee der Erfindung liegt in der Überlegung, mit einer einfachen Sinusan steuerung des bekannten Phasenmodulators eine Signalstruktur des Überlagerungssignals aus Meß- und Referenzsignal zu erzeugen, die sich in bekannter Weise bezüglich Phasenverschie bungen im Meßarm auswerten läßt. Das wird gemäß der Erfindung erreicht, indem dem Über lagerungssignal aus Meß- und Referenzarm ein phasen- und frequenzstabil an die Sinusan steuerung des bekannten Phasenmodulators gekoppeltes Sinussignal zugemischt und aus dem Frequenzspektrum des so entstandenen Mischsignals ein Signal bei einer Filterfrequenz ausge filtert und analysiert wird, bei der die Summen- und Differenzfrequenzen aus zwei unterschied lichen Harmonischen der Modulationsfrequenz des bekannten Phasenmodulators und der Mischfrequenz des beigemischten Sinussignals gleich sind. Mit der Wahl eines geeigneten Ar beitspunktes der Amplitude des Ansteuersignals am Phasenmodulator entsteht damit ein in üb licher Weise auswertbares Kosinussignal zur Bestimmung der Phasenverschiebung.

Mit dem erfindungsgemäßen phasenmodulierten Interferometer ist es möglich, anstelle einer komplizierten Sägezahnansteuerung mit einer Sinusansteuerung und einer Sinussignalbeimi schung im Überlagerungssignal des Interferometers zu derselben Signalstruktur zu gelangen, die die Auswertung von Phasenverschiebungen und damit eine gewünschte Wegmessung ge stattet.

Die einfache Sinusansteuerung für Phasenmodulator und Mischsignalerzeugung bringt zudem noch den Vorteil, daß sich entsprechende elektrooptische Modulatoren auf integriert-optischen Chips (IOC) realisieren lassen und somit ein integriert-optisches phasenmoduliertes Interfero meter, insbesondere Heterodyninterferometer, für verschiedene technische Anwendungen in dustriell herstellbar ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltschema der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2 eine Ausführungsform mit elektrischer Sinussignalbeimischung

Fig. 3 eine Gestaltungsform als integriert-optisches Doppelinterferometer mit optischer Sinussignalbeimischung

Das erfindungsgemäße Interferometer besteht in seinem Grundaufbau - wie in Fig. 1 dargestellt - aus einer Interferometeranordnung, die vorzugsweise als integriert-optischer Chip (IOC 1) ausgeführt ist und die in einem ihrer Interferometerarme (Meß- bzw. Referenzarm) einen Pha senmodulator 2 aufweist, wobei die Interferometeranordnung in üblicher Weise mit einer La serquelle, vorzugsweise in Form einer Laserdiode 3, einem Detektor 4 und einer den Meßarm des Interferometers bestimmenden Meßstrecke 5 gekoppelt ist.

Aus den Meß- und Referenzarmsignalen wird das sogenannte Überlagerungssignal gebildet, das bis zu seiner Analyse auf Phasenverschiebung optisch und elektronisch beeinflußt und ver arbeitet wird, wobei die optoelektronische Wandlung im Detektor 4 einen Schritt der üblichen Verarbeitung darstellt.

Erfindungsgemäß wird der bekannte Phasenmodulator 2 mit einem rein sinusförmigen An steuersignal mit der Modulationsfrequenz ω_o angesteuert und dem Überlagerungssignal mittels einer Einrichtung 8 zur multiplikativen Mischung des Überlagerungssignals mit einem Sinus signal mit der Mischfrequenz ω_M das phasen- und frequenzstarr mit dem Ansteuersignal ge koppelt ist, beigemischt. Den im Signalweg des Überlagerungssignals angeordneten Verarbei tungskomponenten Detektor 4 und Einrichtung 8 folgt ein elektronisches Bandpaßfilter 9, das relativ schmalbandig (dem Frequenzbereich der Meßaufgabe angepaßt) eine Signalkomponente ausfiltert, die sowohl die Summenfrequenz als auch die Differenzfrequenz aus Harmonischen der Ansteuerfrequenz ω_o und Mischfrequenz ω_M enthält, und das somit eine Filterfrequenz

aufweist.

In einer nachfolgenden Auswerteeinheit zur Bestimmung der Phasenverschiebung innerhalb der Meßstrecke 5 liegt dann bei geeigneter Arbeitspunkteinstellung bezüglich der Amplituden der zwei ausgewählten Harmonischen der Ansteuerfrequenz ω_o ein Signal der Struktur

S = const.(ω_Ft - kx)

vor, das mit den üblichen Auswertemethoden auf Phasenverschiebung ausgewertet werden kann und in der t die Zeit, und k die Wellenzahl und x die zu messende Distanz bedeuten.

Der geeignete Arbeitspunkt zur Vereinfachung der Signalstruktur, wie sie oben angegeben ist, entsteht bei Einhaltung der Bedingung

J_2m-1(2ϕ_o) = J_2n(2ϕ_o) mit m, n = 1, 2, 3, . . .
und m ≦ n,

wobei J_i die i-te Besselfunktion ist und ϕ_o die Amplitude des Ansteuersignals mit der Modula tionsfrequenz ϕ_o bedeutet.

In Fig. 2 ist eine auf dem obigen Grundprinzip basierende Ausführungsform dargestellt. Die Ansteuerung des Phasenmodulators 2 auf dem IOC 1 erfolgt dabei mit einem sinusförmi gen Signal, dessen Frequenz durch die Grundfrequenz f_o eines Generators 6 vorgegeben wird. Das von der Laserdiode 3 kommende Licht wird, vorzugsweise über Lichtleitfasern eingekop pelt, über die interferometrische Anordnung des IOC 1 auf die Meßstrecke 5 des Meßarmes und den Phasenmodulator 2, der bevorzugt im Referenzarm des Interferometers angeordnet ist, und als Überlagerungssignal aus beiden Interferometerarmen schließlich auf den Detektor 4 gebracht. Nach seiner Wandlung in ein elektrisches Signal wird das Überlagerungssignal einem Multiplikator 81 zugeführt, der die Einrichtung 8 zur Mischung des Überlagerungssignals mit einem Sinussignal als elektronische Gestaltungsvariante verkörpert. Das beizumischende Si nussignal wird dem Multiplikator 81 auf seinen zweiten Eingang ebenfalls vom Generator 6 über einen Frequenzteiler 7, in diesem speziellen Beispiel halbiert als Mischfrequenz ω_M = ¹/₂f_o, zugeführt. Um die Frequenzbedingung für das Bandpaßfilter 9 zu erfüllen, ist gemäß der Wahl von ω_M = ¹/₂f_o die Summen- und die Differenzfrequenz mit der ersten und der zweiten Harmonischen von ω_o = f_o auszufiltern. Das geschieht mit Wahl der Filterfrequenz ω_F = ³/₂f_o. Die beiden frequenz- und phasengleichen Signale am Ausgang des Bandpaßfilters 9 ergeben mit Wahl des Arbeitspunktes am Phasenmodulator 2 bei J₁(2ϕ_o) = J₂(2ϕ_o) das gewünschte reine Kosinussignal. Dieses Signal, das in einer Schwellwerteinheit 10 einem Schwellwertkriterium und einem nachgeordneten Richtungsdiskriminator 11, an dem ebenfalls die Grundfrequenz f_o des Generators 6 anliegt, einer Richtungserkennung für die Phasenverschiebung unterzogen wird, erfährt abschließend in einem Auswerterechner 12 seine Verarbeitung in üblicher Weise zur Ermittlung des Betrages der Phasenverschiebung und der zu messenden Wegdifferenz (Distanz x) entlang der Meßstrecke 5.

Das in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet die Darstellung eines integriert-optischen Chips 1 (IOC 1). Außerdem wird die mögliche einfache Realisierung eines Doppelinterferometers (auch dreiarmiges Interferometer) mit zwei Meßarmen und einem Referenzarm stilisiert dargestellt Von der Auswertung her können die Teilinterferometer je doch völlig separat betrachtet werden. Ihre Gemeinsamkeit resultiert nur aus der gemeinsamen Nutzung von Laserdiode 3, Referenzarm mit Phasenmodulator 2 und in einem Prozeß erzeug ten Streifenwellenleitern auf dem IOC 1. Der Vorteil zeigt sich in einer einheitlichen, kompak ten Wegmessung von zwei unabhängigen Koordinaten.

Die Besonderheit gegenüber dem ersten Beispiel aus Fig. 2 liegt in der andersartigen Realisie rung der Einheit 8 zur multiplikativen Mischung des Überlagerungssignals mit einem Sinus signal. Hier wird die vorteilhafte optische Mischung mittels eines zweiten Phasenmodulators 82 vor dem Detektor 4 offenbart. Der zweite Phasenmodulator 82 wird dazu integriert-optisch im Signalweg des Überlagerungssignals auf dem IOC 1 angeordnet, und zwar für jedes Überlage rungssignal der Teilinterferometer separat. Dem Detektor 4 folgt in jedem Auswertetrakt un mittelbar das Bandpaßfilter 9 mit der oben angegebenen allgemeinen Bedingung. Hervorzu heben ist hier noch die frequenz- und phasenstarre Kopplung der Ansteuersignale des Phasen modulators 2 mit den zweiten Phasenmodulatoren 82, deren Erzeugung nicht explizit darge stellt wurde. Die Frequenzen können wie im ersten Beispiel mittels eines gemeinsamen Gene rators 6 und geeigneter Frequenzteilung beliebig im Rahmen der Filterbedingung gewählt wer den, solange sich der Arbeitspunkt des Ansteuersignals geeignet einstellen läßt.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

IOC (integriert-optischer Chip)

2

Phasenmodulator

3

Laserdiode

4

Detektor

5

Meßstrecke

6

Generator

7

Frequenzteiler

8

Einrichtung zur multiplikativen Mischung

81

Multiplikator

82

zweiter Phasenmodulator

9

Bandpaßfilter

10

Schwellwerteinheit

11

Richtungsdiskriminator

12

Auswerterechner
ω_o

;Modulationsfrequenz
ϕ_o

Amplitude
f_o

Grundfrequenz
ω_M

Mischfrequenz
ω_F

Filterfrequenz

Claims

1. Phasenmoduliertes Interferometer mit einem Meßarm und einem Referenzarm, in dem in einem der beiden Interferometerarme ein Phasenmodulator zur Phasenmodulation der opti schen Strahlung angeordnet ist und in dem ein Detektor zur Aufnahme eines optischen Überlagerungssignals aus Meß- und Referenzarm vorhanden ist, wobei dem Detektor eine Auswerteelektronik zur Bestimmung der Phasenverschiebung des Signals nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
am Phasenmodulator (2) ein sinusförmiges Ansteuersignal mit einer Modulations frequenz ω_o und einer Amplitude ϕ_o anliegt,
eine Einrichtung (8) zur multiplikativen Mischung des Überlagerungssignals mit einem Sinussignal der Mischfrequenz ω_M im Signalweg des Überlagerungssignals angeordnet ist, wobei dieses Sinussignal phasen- und frequenzstarr mit dem Ansteuersignal ge koppelt ist,
dem Detektor (4) ein Bandpaßfilter (9) nachgeordnet ist, dessen Filterfrequenz ω_F so gewählt ist, daß sie mit Summen- und Differenzfrequenz aus zwei Harmonischen der Modulationsfrequenz ω_o und der Mischfrequenz ω_M entsprechend der Gleichung
ω_F = (2m - 1)ω_o + ω_M = 2nω_o - ω_M mit m, n = 1, 2, 3, . . .
und m ≦ n
übereinstimmt, so daß bei geeigneter Wahl eines durch die Amplitude ϕ_o des Ansteuersignals beeinflußten Arbeitspunktes am Ausgang des Bandpaßfilters (9) ein Signal der Form
S = const.cos(ω_Ft - kx)
entsteht, das mit üblichen Verfahren zur Bestimmung der Phasenverschiebung ausge wertet wird und bei dem t die Zeit, k die Wellenzahl und x die zu messende Distanz sind.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (8) zur multiplikativen Mischung des Überlagerungssignals ein Multi plikator (81) ist, der zwischen dem Detektor (4) und dem Bandpaßfilter (9) angeordnet ist und an dessen zweitem Eingang das Sinussignal mit der Mischfrequenz ω_M anliegt.

3. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (8) zur multiplikativen Mischung des Überlagerungssignals ein zweiter Phasenmodulator (82) ist, der im Signalweg des optischen Überlagerungssignals vor dem Detektor (4) angeordnet ist und dem das Sinussignal mit der Mischfrequenz ω_M als An steuersignal zugeführt wird.

4. Interferometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Arbeitspunkt des Ansteuerungssignals am Phasenmodulator (2) so eingestellt ist, daß die Amplitude ϕ_o die Gleichung
J_2m-1(2ϕ_o) = J_2n(2ϕ_o) mit m, n = 1, 2, 3 . . .
und m ≦ n
erfüllt, wobei die J_i die i-te Besselfunktion ist.

5. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dreiarmigen Interferometer, bei dem vorzugsweise zur Erreichung der Kom pensation von Wellenlängendriften der Laserdiode (3) ein zweiter Referenzarm vorhanden ist, wobei die beiden Referenzarme mit dem Meßarm zwei separat auszuwertende Überlagerungssignale hervorbringen, und in jedem Signalweg der zwei Überlagerungs signale ein zweiter Phasenmodulator (82) vor dem Detektor (4) angeordnet ist.

6. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dreiarmigen Interferometer, bei dem vorzugsweise zur Erreichung einer Zwei- Koordinaten-Wegmessung ein zweiter Meßarm vorhanden ist, wobei die beiden Meßarme mit demselben Referenzarm zwei separat auszuwertende Überlagerungssignale hervorbringen, und in jedem Signalweg der zwei Überlagerungssignale ein zweiter Phasenmodulator (82) vor dem jeweiligen Detektor (4) angeordnet ist.

7. Interferometer nach Anspruch 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Aufspaltung und Überlagerung der optischen Signale als auch die Realisie rung der elektrooptischen Phasenmodulatoren (2; 82) integriert-optisch ausgeführt sind.

8. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Frequenzspektrum des Überlagerungssignals mindestens ein Signal mit einer von Ansteuersignal und Sinussignal verschiedenen Frequenz zur Regelung des Ansteuer signals ausgefiltert wird.