DE4418213A1 - Anordnung zur Bestimmung einer optischen Weglänge mit Richtungserkennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung einer optischen Weglänge mit Richtungserkennung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die klassischen Methoden zur interferometrischen Bestimmung optischer Wege sind von dem Michelson-Interferometer abgelei­ tet. Dabei werden von einer monochromatischen Lichtquelle ebe­ ne Wellen erzeugt, die mit einem Strahlteiler in zwei Teilwel­ lenfelder aufgespaltet werden. Das eine Wellenfeld durchläuft dabei eine Referenzstrecke, das andere die eigentliche Meß­ strecke. Die von Referenz- und Meßspiegel reflektierten Wellen interferieren hinter dem Teilerspiegel, wo die durch Änderung des Meßweges variierende Lichtintensität von Lichtempfängern erfaßt wird. Eine nachgeschaltete Elektronik leitet dann aus den Signalen die Weglängenänderung des Meßspiegels ab. Beim Stand der Technik wird die Bewegungsrichtung des Meß­ spiegels aufwendig mit polarisationsoptischen Methoden be­ stimmt. Hiefür wird eine polarisierte ebene Welle in das In­ terferometer gekoppelt, die von einem Polarisationsstrahltei­ ler in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilwellen auf gespalten werden. Je eine λ/4-Platte im Referenz- und Meß­ strahlengang haben die Aufgabe, daß die beiden zurücklaufenden Teilwellen hinter dem Strahlteiler interferieren können. Zuvor müssen sie jedoch zusammen eine dritte λ/-Platte durchlaufen, wodurch sie in rechts- und linkszirkulare Wellen umgewandelt werden. Zwei Lichtempfänger mit davorgeschalteten und gegen­ einander um 450 gedrehten Analysatoren liefern dann die Qua­ dratursignale, aus denen eine geeignete Elektronik den Ver­ schiebungsweg mit der Bewegungsrichtung ableitet. Die drei für eine Richtungserkennung benötigten λ/-Platten und der Polarisationsstrahlteiler sind von Nachteil, denn sie erhöhen die Herstellkosten und erschweren die Miniaturisierung der Anordnung.

Die Überwindung dieses Nachteils gelingt mit einer in der EP 99940 A beschriebenen Anordnung, bei der monochromatisches Licht auf zwei relativ zueinander bewegten und hintereinander angeordneten Spiegeln gerichtet wird. Einer der beiden Spiegel ist für die Lichteinkopplung teiltransparent ausgelegt und der andere ist an einem bewegten Objekt angebracht, dessen Weg gemessen werden soll.

Die beiden Spiegel bilden zusammen zwei Fabry-Perot-Interfero­ meter (im folgenden kurz FP-Interferometer genannt), die sich entweder in ihrer lateralen Position oder Polarisation unter­ scheiden. Hierdurch entsteht ein Signal, dessen Form auf cha­ rakteristischer Weise von der Spiegellaufrichtung abhängig ist und daher von einer Elektronik hinsichtlich Verfahrweg und Laufrichtung ausgewertet werden kann.

Die Nachteile dieses Meßkopfes liegen darin, daß die Anordnung aus zwei FP-Interferometern besteht, und ein von der Weg­ richtung asymmetrisches Signal aus Maxima und Minima auszuwer­ ten ist. Durch letztere Einschränkung geht die Möglichkeit einer einfachen Signalinterpolation verloren, die doch gerade zu einer erheblichen Steigerung der Wegauflösung führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Wegmessung mit Richtungserkennung anzugeben, die nur mit ei­ nem FP-Interferometer auskommt und die interpolierbare Quadra­ tursignale liefert, so wie sie in der klassischen Weglängen­ messung üblich sind.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Beispiele für die erfindungsgemäße Anordnung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel der erfindungsgeinäßen Anordnung zur Messung der optischen Weglängenänderung zwischen den Spiegeln (2, 5),

Fig. 2 zeigt zur Erläuterung einen für die erfindungsgemäße Anordnung einsetzbaren Quadraturdetektor,

Fig. 3 zeigt eine faseroptische Ausführung eines Quadraturde­ tektors,

Fig. 4 zeigt eine mögliche technische Variante der bean­ spruchten Erfindung.

Fig. 1 enthält zunächst einen monochromatischen Beleuchtungs­ apparat 1, dessen kollimierte, linear polarisierte und kohä­ rente Lichtwelle in das aus den Spiegeln 2 und 5 gebildete FP- Interferometer durch den teiltransparenten Planspiegel 2 ein gekoppelt wird.

Die Planspiegel 2, 5 können auf bewegten Objekten montiert sein, so daß sich ihr Abstand voneinander verändern kann.

Optische Wegdifferenzen können aber auch durch die interne oder externe Beeinflussung der Lichtwellenreflexion an den Spiegeln (2, 5) oder an einem im FP-Resonator geeignet ein­ gebrachten und als Spiegel ausgeführten Einflußkörper (8) her­ vorgerufen werden. In dem zuletzt genannten Fall gelangt die Lichtwelle unter einem von null verschiedenen Einfallswinkel auf die Spiegeloberfläche, so daß der Strahlengang im FP-Re­ sonator um den zweifachen Einfallswinkel abgewinkelt ist. Der­ artige reflektierende Oberflächen verändern bei der Reflexion die Phase der Lichtwelle durch äußere oder innere physikali­ sche Einflußgrößen wie z. B. Druck, Temperatur, Strahlung jeg­ licher Art, Konzentration, Phasenumwandlung, Magnetostriktion, Kerr-, Pockelseffekt etc.

Eine λ/-Platte 3 im FP-Interferometer erzeugt zwischen ihr und dem Planspiegel 5 rechts- und linkszirkularpolarisierte Wellen, die in Verbindung mit dem Quadraturdetektor 6 die Qua­ dratursignale für die Bestimmung der aktuell durchlaufenen optischen Wegdifferenz mit der Durchlaufrichtung liefert. Ein geeignet belegter und zur Laufrichtung der Lichtwelle im FP- Interferometer gekippter teildurchlässigen Spiegel 4 dampft die zwischen den Spiegeln 2, 5 zirkulierenden Wellen, so daß die ausgekoppelten Signale näherungsweise sinus- bzw. cosinusförmig von der optischen Weglängendifferenz abhängig sind.

In dem Quadraturdetektor 6 wird die vom Spiegel 4 ausgekoppel­ te, ebene Lichtwelle mit einer Aufweitungsoptik 9, die im ein­ fachen Fall aus einer einzelnen Sammel- oder Zerstreuungslinse bestehen kann, in eine Kugelsegmentwelle umgewandelt. Hier­ durch wird in Höhe der Detektoren 12, 12a das Interferenzge­ biet aufgeweitet und es sind auch noch bei Kippfehlern der Spiegel 2, 5 innerhalb bestimmter Toleranzen Interferenzsigna­ le zu detektieren.

Zur Gewinnung der Quadratursignale befindet sich im Quadra­ turdetektor Fig. 2 ein Teilerspiegel 10, der die Lichtintensi­ tät je zur Hälfte auf die beiden Detektoren 12 bzw. 12a ver­ teilt. Damit zwischen den beiden sinusförmig variierenden Si­ gnalen am Ausgang der Detektoren 12, 12a ein Phasenunterschied von π/2 entsteht, müssen die Analysatoren 11, 11a in ihrer Analysatorstellung um 45° gegeneinander verdreht sein.

Fig. 3 zeigt eine faseroptische Variante des Quadraturdetek­ tors 6. Nach der Aufweitung des Lichtwellenfeldes durch die Aufweitoptik 9 gelangt ein Teil des Lichtes in die Faseroptik 13. Sie besteht aus einem sich verzweigenden Lichtwellenlei­ ter, so daß die Lichtintensität je zur Hälfte auf die Detekto­ ren 12, 12a geführt wird. Die Verzweigung kann dabei fast un­ mittelbar vor den Lichtdetektoren erfolgen, so daß neben der Lichteinkopplung auch die Lichtauskopplung über lange Entfer­ nungen mit Lichtwellenleitern durchgeführt werden kann. Da­ durch ist eine galvanische Trennung zwischen der Elektronik und dem FP-Interferometer hergestellt, die den Einsatz des Wegsensors beispielsweise auch in explosionsgefährdeten Berei­ chen ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt bei einem minimalen Aufwand an hochwertigen optischen Bauteilen eine größtmögliche Miniaturisierung des Meßkopfes, wodurch diese Anordnung nur ein sehr geringes Einbauvolumen beansprucht.

Aus diesem Grund kommen Anwendungen im Bereich hochgenauer optischer Wegmessungen für die erfindungsgemäße Anordnung in Betracht, für die konventionelle Interferometer zu groß oder zu aufwendig wären. Der Einsatz integriertoptischer Interfe­ rometer nach dem Michelson-Prinzip wäre zwar auch möglich, jedoch ist aufgrund der schlechten Strahlqualität des Meß­ strahles sowie der schwierigen Einkopplung des Meßlichts zu­ rück in das Interferometer die meßbare optische Weglänge auf einige Dezimeter begrenzt. Außerdem werden von einem derarti­ gen Meßsystem nur sehr kleine Kippwinkel des Meßspiegels tole­ riert und beschränkt daher die Anwendung auf präzisionsgeführ­ te Meßspiegel.

Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, Positionier- und Meßti­ sche für die automatisierte Mikroskopie, Präzisions-Bestüc­ kungsautomaten, Meßinstrumente für die Maßhaltigkeitskontrolle sowie Präzisionsscanner und Plotter etc. mit der erfindungsge­ mäßen Anordnung auszustatten.

In der Fig. 4 ist eine Ausführung der erfindungsgemäßen Anord­ nung beispielhaft dargestellt. Dabei ist der Beleuchtungsappa­ rat 1 als Kombination aus einer monochromatischen Lichtquelle, Einkoppellinse 15 und Auskoppellinse 16 aus Gradientenindex­ linsen sowie einer polarisationserhaltenden Monomodefaser 16 aufgebaut. Es kann sinnvoll sein, zwischen der Einkoppeloptik 15 und der Lichtquelle 14 einen Faradayisolator 18 zu schal­ ten, der störende Reflexionen an Glas-Luftflächen in der Lichtquelle verhindern soll. Dies ist insbesondere dann meist erforderlich, wenn die Lichtquelle 14 ein Laser ist. Das FP- Interferometer wird in dieser beispielhaften Ausführung aus einem teiltransparenten Spiegel 2 und dem Spiegel 5 gebildet. In dieser Ausführung ist die teiltransparente Planspiegelflä­ che 2 an der der Lichtquelle zugewandten Seite der λ/-Platte aufgebracht. Der Meßspiegel befindet sich in diesem Beispiel auf einem geführten Schlitten 18, dessen Verfahrweg zu jedem Zeitpunkt mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bestimmt werden soll. Der Quadraturdetektor setzt sich hierbei aus der Sammellinse 9, die hier aus Gründen der Platzersparnis ebenfalls als Gradientenindexlinse ausge­ führt ist, dem sich verzweigenden Lichtwellenleiter 13 sowie den Lichtempfängern 12, 12a mit ihren Analysatoren 11, 11a zusammen. Die von den beiden lichtelektrischen Wandlern 12, 12a abgegebenen Quadratursignale werden der Auswerteeinheit zugeführt, die in bekannter Weise einen zum Verfahrweg propor­ tionalen Meßwert ausgibt.

Durch den Einsatz mikrooptischer Bauteile wie z. B. Gradienten­ indexlinsen, Lichtwellenleiter etc. kann der Aufbau der erfin­ dungsgemäßen Anordnung zur Wegmessung mit Richtungserkennung zu einem hohen Grad miniaturisiert werden. Ein Aufbau der er­ findungsgemäßen Anordnung mit Methoden der integrierten Optik ist ebenfalls denkbar und kann zu einer weiteren Miniaturisie­ rung des Meßkopfes führen.

Claims (11)

1. Anordnung zur optischen Wegmessung mit gleichzeitiger Rich­ tungserkennung

• - mit einem Beleuchtungsapparat (1) zur Erzeugung eines mo­ nochromatischen, parallelen und linear polarisierten Licht­ strahls,
• - mit mindestens einem teiltransparenten Planspiegel (2), der den einen Spiegel eines Fabry-Perot-Interferometers (kurz: FP- Interferometer) darstellt,
• - mit einem Spiegel (5), der den zweiten Spiegel des FP-Inter­ ferometers darstellt,
• - mit einem Quadraturdetektor (6) und einer Elektronik (7) zum Detektieren, Auswerten und Darstellen der Lichtinterferenzen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Spiegeln (2) und (5)
• - eine Verzögerungsplatte (3), vorzugsweise eine λ/4-Platte, angeordnet ist,
• - eine Lichtauskopplung (4) das EP-Interferometer in einer Weise dämpft, daß der Quadraturdetektor (6) aus dem Interfe­ renzwellenfeld zwei Signale ableiten kann, die sinusförmig mit der sich ändernden optischen Wegdifferenz zwischen den Spie­ geln (2, 5) variiert und die untereinander eine Phasendiffe­ renz von +π/2 oder -π/2 aufweisen, je nachdem ob die optische Wegdifferenz zu- oder abnimmt,
• - die Elektronik (7) aus den Quadratursignalen in bekannter Weise die Weginformationen ermittelt.

2. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Spiegel (2, 5) an einem bewegten Objekt ange­ bracht ist.

3. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des optischen Weges zwischen den Spiegeln (2, 5) durch die Varia­ tion des oder der Brechungsindizes bei Lichttransmission durch einen in das FP-Interferometer eingebrachten Einflußkörpers (8) hervorgerufen werden kann und diese Änderung des oder der Brechungsindizes durch externe oder interne physikalische Ein­ flußgrößen wie z. B. Temperatur, Druck, Konzentration, Mi­ schungsverhältnis, elektro- oder magnetooptische Effekte etc. entstehen können.

4. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des optischen Weges zwischen den Spiegeln (2, 5) durch die Varia­ tion des oder der Brechungsindizes bei Lichtreflexion an einem in das FP-Interferometer eingebrachten Einflußkörpers (8) hervorgerufen werden kann und diese Änderung des oder der Bre­ chungsindizes durch externe oder interne physikalische Ein­ flußgrößen wie z. B. Temperatur, Druck, Konzentration, Mi­ schungsverhältnis, elektro- oder magnetooptische Effekte etc. entstehen können.

5. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des optischen Weges zwischen den Spiegeln (2, 5) durch die Varia­ tion der Phase der reflektierten Welle an mindestens einem der Spiegel (2) und (5) hervorgerufen werden kann und diese Phase­ nänderung durch externe oder interne physikalische Einflußgrö­ ßen wie z. B. Temperatur, Druck, Konzentration, Mischungsver­ hältnis, elektrisches oder magnetisches Feld etc. entstehen können.

6. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtauskopplung (4) mit einem im FP-Interferometer angeord­ neten Teilerspiegel erreicht wird, der sich vor oder hinter der Verzögerungsplatte (3) befinden kann.

7. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtauskopplung (4) hinter einem der beiden FP-Interferome­ terspiegeln (2, 5) erfolgt, die zu diesem Zweck als teil­ transparente Spiegel auszuführen sind.

8. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Quadraturdetektor (6) aus

• - einer Aufweitungsoptik (9) besteht, die die parallelen Lichtwellen in Kugelsegmentwellen überführt,
• - einem Strahlteiler (10) zur Aufspaltung in zwei Teilwellen,
• - Analysatoren (11, 11a), deren Analysatorstellungen unter­ einander eine Winkeldifferenz von vorzugsweise 45° aufweisen,
• - Detektoren (12, 12a) zur Umwandlung der Lichtintensität hinter den Analysatoren in elektrische Signale zur weiteren Bearbeitung in der Auswerteelektronik (7).

9. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Quadraturdetektor (6) neben der Aufweitungsoptik (9) einen Lichtwellenleiter mit Verzweigung enthält, und daher jeweils die Hälfte der Lichtintensität auf jede der beiden Detektoren trifft.

10. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der monochromatische Beleuchtungsapparat (1) einen Laser oder eine Laserdiode enthält.

11. Anordnung zur optischen Wegmessung mit Richtungserkennung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsapparat (1) aus einer Laser-Faserkopplung (15, 18) sowie einer Monomodefaser (16) mit kollimierender Lichtaus­ kopplung (17) besteht.