EP4602326A1 - Interferometer-system und messverfahren - Google Patents

Interferometer-system und messverfahren

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Publication number
EP4602326A1
EP4602326A1 EP23793233.0A EP23793233A EP4602326A1 EP 4602326 A1 EP4602326 A1 EP 4602326A1 EP 23793233 A EP23793233 A EP 23793233A EP 4602326 A1 EP4602326 A1 EP 4602326A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
measurement
laser source
interferometer
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23793233.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jean-Michel Asfour
Thomas Kinder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tem Messtechnik GmbH
Dioptic GmbH
Original Assignee
Tem Messtechnik GmbH
Dioptic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tem Messtechnik GmbH, Dioptic GmbH filed Critical Tem Messtechnik GmbH
Publication of EP4602326A1 publication Critical patent/EP4602326A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02002—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies
    • G01B9/02004—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies using frequency scans
    • G—PHYSICS
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    • G01B9/02001—Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02007—Two or more frequencies or sources used for interferometric measurement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/60—Reference interferometer, i.e. additional interferometer not interacting with object

Definitions

  • the object of the present invention was to overcome the disadvantages of the prior art and to provide an interferometer system and a measuring method for measuring an object or a wavefront, by means of which a very precise absolute measurement can be achieved in a very large measuring range.
  • a tunable measuring laser source designed to emit a variable measuring beam within a (in particular predetermined but always known) measuring frequency range AV M ZU,
  • a reference laser source designed to emit a reference beam with a known frequency
  • a measuring interferometer arrangement comprising an interferometer designed for the interferometric measurement of an interference phase on an object by means of the measuring beam and the comparison beam, wherein the interferometer system is designed for simultaneous measurement with the measuring laser source and the comparison laser source for determining the distance,
  • a phase determination unit designed to determine the number Acp M of phase passes of the measuring beam in the measuring interferometer arrangement during a tuning of the frequency of the measuring laser source
  • a distance determination unit designed to determine the distance of an object to a reference based on a weighted phase difference of the measured number of phase passes Acp M of the measuring beam and a value of a phase change Acp v between two measurements with comparison beams.
  • the measuring beam emitted by the measuring laser source lies in the measuring frequency range M, which must be known and is preferably predetermined, e.g. by measurement or selection of suitable components and/or operating parameters.
  • the frequency of the comparison beam of the comparison laser source must be known.
  • the frequency can be determined, for example, by presetting, by selecting the components and parameters or by measuring the frequency.
  • the laser sources are preferably laser diodes, in particular distributed feedback lasers (DFB). These are laser diodes, in which the active material is periodically structured.
  • the structures of changing refractive index form a one-dimensional interference grating or an interference filter (Bragg mirror).
  • An example would be two DFB laser diodes at wavelengths of 633 nm and 795 nm, of which at least the measuring laser source can be tuned widely, in particular over more than 100 MHz or more than 1 GHz, in particular more than 10 GHz or more than 100 GHz. Tuning of the comparison laser source is not absolutely necessary.
  • the measuring interferometer arrangement comprises at least one interferometer, but can also have two or more interferometers, e.g. one interferometer for each of the two laser sources. It is important, however, that one and the same object is always measured with all beams.
  • the measuring interferometer arrangement preferably comprises other components such as lenses, prisms, beam splitters, mirrors, reference surfaces and a holder for the object to be measured.
  • a detector e.g. a camera or an image sensor with imaging optics, is also part of the measuring interferometer arrangement.
  • a unit for recording the measurements (images) is part of the interferometer system, in particular part of the measuring interferometer arrangement or the distance determination unit.
  • a preferred embodiment of the measuring interferometer arrangement is that of a Fizeau interferometer, in which an object is measured relative to a reference surface, e.g. a flat or curved mirror.
  • a reference surface e.g. a flat or curved mirror.
  • the basic structure of a Fizeau interferometer is known in the art. It is a special interferometer that can be used to assess the optical quality of surfaces and optics.
  • the measuring principle is based on comparing a surface to be measured with a reference surface of a reference surface using interferometry.
  • the interferometer system must be designed for simultaneous measurement with the measuring laser source and the comparison laser source. “Simultaneous” means The purpose of this invention is that during or for determining the distance, both measurements must be carried out, either simultaneously or alternately. This does not mean that the measurements are carried out first with the measuring laser source and then with the comparison laser source, but rather that during the tuning of the measuring laser source, multiple measurements must be carried out with the comparison laser source, e.g. at least at the beginning and at the end of the tuning and also (in particular multiple times) during the tuning (e.g. between measurements during the tuning). This can be achieved, for example, with a variable aperture that alternately lets through only the beam of a single laser source. However, measurements can also be carried out simultaneously, e.g.
  • a simultaneous measurement in the sense of the invention is a simultaneous measurement with both beams or an alternating measurement in which the beams (in particular multiple or many times) radiate in at different times from one another.
  • a single interferometer is used, at least if the two different beams of the measuring laser source and the comparison laser source can be separated from each other.
  • This can be achieved, for example, by having the beams enter the measuring interferometer arrangement at different times (e.g. by means of a so-called "chopper") or by separating the beams from each other using filters.
  • Interferometric measurements are well known in the art and are based on the fact that a partial beam of a beam is reflected from the object and interferes with another partial beam. In a Fizeau interferometer, this other partial beam comes from the reference surface, for example.
  • One point of the object can be measured at a time, e.g. with an interferometer with a point detector, whereby the surface of the object is scanned to measure it. Movements of the object are detected by the measurements with the comparison beam is compensated.
  • a surface measurement is carried out, e.g. with an interferometer which has a camera as a detector (or at least an image sensor matrix with imaging optics). In this case, it is preferred to emit the beams in the form of radiation cones. This is also preferred for measuring a wavefront and a corresponding interferometer system could be used as or in a wavefront sensor.
  • the phase determination unit can be part of the measuring interferometer arrangement or exist independently of it. For example, when recording using an image sensor (single pixel or pixel matrix), the phase determination unit can also be located in a computing unit that is connected to this image sensor via data technology. The phase determination unit determines the number of phase passes during a tuning of the frequency of the measuring laser source.
  • this (or another) phase determination unit can be used to determine its phase transitions. The use is identical to that for the measurement beam.
  • phase pass When the frequency of the measuring beam is tuned, its wavelength changes and thus also the phase measured in the measuring interferometer arrangement. Since the light waves follow a sine function or cosine function, the measured intensity will vary between maxima and minima, whereby the transition from one to the next maximum (2n) is referred to here as a "phase pass". These changes are counted and result in a number of phase passes. Even if this number results in an integer value in the simplest case (counting all maxima or minima), distance calculations could already be carried out with it. However, since intermediate values can also be estimated with an image sensor, this number is preferably a rational number and also indicates intermediate stages (e.g. starting from a minimum via another minimum to the next maximum, the number would correspond to 1.5).
  • the measured time can also be used as a measure for the phase passes. If, for example, a phase pass lasts exactly 1 s and 34.567 s were measured during the tuning, then the number of phase passes can be specified as 34.567.
  • the phase determination unit is preferably designed to determine the time of the tuning and to determine the duration of a specified number of phase passes (even one).
  • the distance determination unit is designed to calculate values. Suitable calculation units are known and can be implemented in a computer system, for example.
  • the distance of an object to a reference is determined using the measured number of phase passes Acp M and the measurement frequency range Av M , which should ideally be well known. In order to compensate for minimal movements of the object during the measurement, the distance is determined based on a weighted phase difference of the measured number of phase passes Acp M of the measurement beam and the value (0 to 2n) of a phase change Acp v between two measurements with comparison beams. This is explained in more detail below.
  • a measuring method for determining a distance of an object to a reference with an interferometer system according to the invention, preferably for measuring an object or a wavefront, comprises the following steps:
  • a comparison laser source to the first frequency v v , emitting a first comparison beam and measuring an interference phase cp Vi corresponds to the first measurement with the measuring beam described above and is carried out analogously. log, except that the comparison laser source now emits a beam that is called the "comparison beam" for easier differentiation.
  • the comparison beam preferably has a different wavelength than the measurement beam, but this is not absolutely necessary.
  • the comparison laser source is set to a frequency of the Rb-Dl transition at 795 nm and stabilized using lock-in technology.
  • the measuring laser source is now tuned over the measuring frequency range Av M , e.g. over 100 GHz. This means that the frequency of the measuring beam is changed (continuously) from v M to another frequency. During this time, measuring beams from the measuring laser source continue to be emitted and measurements of the interference phase continue to take place. However, the interference phases will change continuously due to the change in the wavelength of the measuring beam and, as described above, phase transitions will occur which manifest themselves as intensity fluctuations on the image sensor. The number of phase transitions Acp M of the interference phase during tuning in the measuring interferometer arrangement is now counted during tuning. In addition to integer changes, changes that have already begun are also preferably recorded quantitatively, e.g. based on the tuning speed (see above), which improves the accuracy of the result.
  • a preferred interferometer system comprises a reference interferometer arrangement containing an interferometer with a known reference distance D R .
  • This reference interferometer arrangement is designed to determine a frequency change of the measuring laser source.
  • the distance determination unit is particularly preferably designed to determine the distance of an object from a reference based on the measured number of phase passes of the measuring beam and the known reference distance D R. This is explained in more detail below in the context of the corresponding measuring method.
  • the reference interferometer arrangement preferably comprises a further interferometer with a (possibly further) known reference distance, designed to determine a frequency change of the comparison laser source.
  • the (or a further) phase determination unit is preferably additionally designed to determine the number of phase passes during a detuning of the frequency of the comparison laser source in the reference interferometer arrangement.
  • a measurement of at least the measuring beams is carried out on the said reference interferometer arrangement with the known reference distance D R .
  • the interferometer system preferably comprises a corresponding tuning unit which is designed to tune the frequency of a comparison beam of the comparison laser source.
  • the information on the measurement frequency range preferably applies to the comparison frequency range.
  • the interferometer system preferably comprises a stabilization unit for stabilizing one of the laser sources to a frequency.
  • the general principle of such a stabilization e.g. to an atomic or molecular absorption line or to the interference maximum of a grating, is known in the prior art.
  • the interferometer system preferably comprises a beam guiding element, preferably a light guide, e.g. a glass fiber, designed to guide the light from both laser sources into the measuring interferometer arrangement.
  • the beam guiding unit preferably guides the beams from the laser sources to a single light guide using light guides, and is particularly preferably V- or Y-shaped for this purpose.
  • the term "light guide” refers to a single light-guiding element or a bundle of light-guiding elements by means of which light is guided in one direction.
  • the interferometer system preferably comprises a selection unit, e.g. a so-called "chopper", which is known in the prior art.
  • a selection unit e.g. a so-called "chopper", which is known in the prior art.
  • Such a selection unit is designed to alternately block out the beam of one of the two laser sources, so that at one measurement time only the measurement beam of the measurement laser source falls into the measurement interferometer arrangement and at another measurement time only the comparison beam of the comparison laser source falls into the measurement interferometer arrangement.
  • the laser beams are alternately blocked out using the selection unit (e.g. a chopper).
  • the selection unit e.g. a chopper.
  • the interferometer system preferably comprises an auxiliary interferometer designed to determine a tuning speed (change in frequency and/or phase as a function of time) of one of the laser sources, in particular of the measuring beam.
  • This auxiliary interferometer is assigned to one of the laser sources or both laser sources and is used to measure a property of the light of this laser source(s).
  • the reference interferometer arrangement can be designed to determine this tuning speed.
  • the auxiliary interferometer can also be assigned to the reference interferometer arrangement or be this reference interferometer arrangement. In principle, the reference interferometer arrangement can also be assigned to the laser sources or comprise interferometers that are assigned to the laser sources (but this does not necessarily have to be the case).
  • the auxiliary interferometer is designed in particular additionally to monitor a mode purity of one of the laser sources. If the tuning speed speed is known, a phase run that has already begun can be quantified very precisely by measuring the time when determining the phase runs. This makes it possible to specify the number of phase runs as a rational number, e.g. 100.437 runs. This increases the accuracy of a distance determination.
  • Each laser source i.e. the comparison laser source and/or the measuring laser source
  • Each laser source includes its own auxiliary interferometer to determine the frequency change or an auxiliary interferometer (or a reference interferometer arrangement) is used to measure both laser sources.
  • the interferometer used corresponds in terms of structure or measuring principle to the measuring interferometer arrangement and, in particular, is arranged in the same atmosphere. This has the advantage that refractive index compensation is achieved automatically and reflector movements in this interferometer are eliminated in the same way as in the measuring interferometer arrangement.
  • the measuring beam M of the measuring laser source 10a and the comparison beam V of the comparison laser source 10b are brought together by means of a beam guiding element 3, which here comprises a glass fiber into which the two beams of the laser sources 10a, 10b are coupled, e.g. by means of special coupling elements.
  • the glass fibers are brought together in a Y-shaped arrangement onto one fiber, so that both the measuring beam M and the comparison beam V emerge from the same glass fiber.
  • the image of the camera is evaluated by a phase determination unit 16, which is designed to measure the number of phase passes of the beams M, V in the measuring interferometer arrangement 9 during a tuning of the frequency.
  • a phase determination unit 16 which is designed to measure the number of phase passes of the beams M, V in the measuring interferometer arrangement 9 during a tuning of the frequency.
  • the phase determination unit 16 only determines the number Acp M of phase passes of the measuring beam M and the number A ⁇ p v of phase passes of the comparison beam V, while the measuring laser source is tuned over the frequency range Av M. What is not shown is that at the same time the same or another phase determination unit 16 determines the number Acp R of phase passes of the measuring beam M in the reference interferometer arrangement 13.
  • the quantities Ac and Acp R were calculated as weighted phase differences from measurements with measuring beam M and comparison beam V.
  • Figure 3 shows a block diagram of a preferred embodiment of the measuring method for determining a distance of an object O to a reference 8 with an interferometer system 1 as shown, for example, in Figure 1.
  • This method can also be used to measure an object or a wavefront if several measuring points are taken at different locations using the method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und ein Interferometer-System zur Bestimmung einer Distanz eines Objekts zu einer Referenz, bevorzugt zur Vermessung eines Objekts oder einer Wellenfront, das Interferometer-System umfassend: - eine durchstimmbare Mess-Laserquelle, dazu ausgelegt, einen variablen Mess-Strahl innerhalb eines Mess-Frequenzbereichs (ΔvM) zu emittieren, - eine Vergleichs-Laserquelle, dazu ausgelegt, einen Vergleichs-Strahl mit einer bekannten Frequenz zu emittieren, - eine Messinterferometer-Anordnung umfassend ein Interferometer, ausgelegt zur interferometrischen Messung einer Interferenzphase an einem Objekt mittels des des Mess-Strahls und des Vergleichs-Strahls, wobei das Interferometer-System (1) für eine simultane Messung mit der Mess-Laserquelle (10a) und der Vergleichs-Laserquelle (10b) für die Bestimmung der Distanz ausgestaltet ist, - eine Phasen-Bestimmungseinheit, ausgelegt zur Bestimmung der Anzahl (ΔφM) von Phasendurchläufen des Mess-Strahls in der Messinterferometer-Anordnung während einer Durchstimmung der Frequenz der Mess-Laserquelle, - eine Distanz-Bestimmungseinheit, ausgelegt zur Bestimmung der Distanz eines Objekts zu einer Referenz basierend auf einer gewichteten Phasendifferenz der gemessenen Anzahl von Phasendurchläufen (ΔφM) des Mess-Strahls und einem Wert einer Phasenänderung (ΔφV) zwischen zwei Messungen mit Vergleichs-Strahlen.

Description

Interferometer-System und Messverfahren
Die Erfindung betrifft ein Interferometer-System und ein Messverfahren zur Vermessung eines Objekts oder einer Wellenfront, insbesondere auf Basis eines Fizeau-Interferometers. Insbesondere betrifft die Erfindung ein absolutmessendes Interferometer auf der Basis durchstimmbarer Laser (insbesondere DFB-Laserdioden), bevorzugt mit einer (insbesondere atomaren) Frequenzreferenz.
Die präzise Vermessung von Oberflächenformen ist eine wichtige Aufgabe in der Wissenschaft und der industriellen Fertigung. Für die Vermessung empfindlicher Oberflächen, aber auch für andere Oberflächen werden nicht-taktile (berührungslose) Verfahren bevorzugt. Unter diesen wiederum kommt der Interferometrie eine besondere Bedeutung zu, weil bei dieser mit vergleichsweise einfachen Bildsensoren (Kameras) in Verbindung mit einer geeigneten Lichtquelle und wenigen optischen Elementen bereits Höhenunterschiede von weit unter einem Mikrometer auf der Oberfläche detektiert werden können. Fortgeschrittene Systeme können sogar Unebenheiten in der Größenordnung eines Atomdurchmessers detektieren.
Interferometer und interferometrische Vermessungen sind hinlänglich bekannt. Die Vermessungen beruhen auf der Wellennatur des Lichtes: Eine von einer Lichtquelle ausgesendete (hinreichend kohärente) Welle wird in zwei Teilwellen aufgespalten, die nach einer Reflexion an einem Prüfling wieder überlagert werden, nachdem sie unterschiedliche Wege durchlaufen haben. Die Leistungsdichte (Intensität, Helligkeit I) am Ort der Überlagerung ändert sich dabei periodisch mit der Differenz der Längen beider Wege, wobei die Periode gleich der Wellenlänge X ist. Im einfachsten Fall ist der funktionelle Zusammenhang mit I = cos <p sinusförmig. Darin ist die Phase <p eine lineare Funktion der optischen Weglängendifferenz L mit <p = 2nL/Ä. Befindet sich am Ort der Überlagerung ein Bildsensor, z.B. in Form einer Kamera, derart, dass (ggf. nach einer mathematischen Transformation) jedem Bildpunkt ein Punkt auf der Prüflingsoberfläche („Objektpunkt“) zugeordnet werden kann, so trägt die Intensität des Bildpunktes eine Information über die räumliche Lage des Objektpunktes.
Solche (einfachen) interferometrischen Messverfahren haben den Vorteil, dass sie Messungen mit einer sehr hohen Genauigkeit ermöglichen, jedoch den Nachteil, dass die Ergebnisse nicht immer eindeutig sind. Aufgrund der Periodizität des Weg- Helligkeits-Zusammenhanges lässt sich allein aus der Helligkeit kein geometrischer Messwert (Abstand o. ä.) gewinnen, denn die Phase an einem Bildpunkt lässt sich aus dem Helligkeitswert bestenfalls modulo 2n bestimmen. Durch einen Vergleich der Phasen benachbarter Bildpunkte lässt sich jedoch eine Information über deren Abstandsdifferenz gewinnen, da z.B. in Bereichen, an denen der Prüfling eine Vertiefung aufweist, das reflektierte Licht einen geringfügig weiteren Weg zurücklegt, und bei erhabenen Bereichen einen kürzeren. Die Gesamtheit aller Höhendifferenzen zusammengenommen ergibt die Form des Prüflings.
Eine Voraussetzung für dieses Verfahren ist, dass die Höhendifferenz benachbarter Messpunkte so gering ist, dass die Phasendifferenz der zugeordneten Bildpunkte kleiner als n ist. Um dennoch Messungen an stark gekrümmten Oberflächen vornehmen zu können, kann die Wellenfront der zu reflektierenden Welle der Prüflingsform angepasst werden. Das Phasenbild zeigt dann Abweichungen der Prüflingsform von der Form der Wellenfront an. So werden z.B. sphärische Spiegel oder Linsen mit Kugelwellen beleuchtet. Bei nicht-sphärischen Oberflächen kann die Anpassung z.B. durch ein (computergeneriertes) Hologramm erfolgen. Bei Fertigungsprozessen optischer Bauteile ist insbesondere die Bestimmung des Krümmungsradius der vermessenen Oberflächen eine wichtige und (ggf. mehrfach) wiederkehrende Aufgabe. Dazu wird der Prüfling mit Kugelwellen beleuchtet. Er erscheint „glatt“, wenn die Kugelmittelpunkte von Welle und reflektierender Oberfläche übereinstimmen. Der Abstand der Fläche von diesem Mittelpunkt ist der gesuchte Krümmungsradius.
Übliche Anordnungen sind in der Praxis z.B. Twyman-Green-Interferometer, Fizeau- Interferometer oder Tilted-Wave-Interferometer. Hierzu ist zu beachten, dass wenn solche Interferometer mit Licht genau einer konstanten Wellenlänge arbeiten, sie weder a) die Form von Stufen in der Oberfläche vermessen können, wenn die Stufenhöhe eine halbe Wellenlänge überschreitet, noch b) die Position eines Prüflings in Bezug auf die Apparatur bestimmen können, noch c) die Weglängendifferenz der interferierenden Teilwellen bestimmen können, insbesondere nicht die Dicke von parallelflächigen Bauteilen, bei denen eine Teilwelle an der Vorderfläche und die zweite an der rückwärtigen Fläche reflektiert wird und somit die Weglängendifferenz gleich der Objektdicke ist.
Insbesondere die Radienbestimmung erfordert daher zusätzliche Mittel zur Messung von Abständen zwischen einem Prüfling und ausgezeichneten Punkten oder Flächen der Apparatur. Gängige Methoden erfordern sogar, den Prüfling über eine Distanz zu bewegen, die gleich dem Krümmungsradius ist. Die Messunsicherheit und -dauer der zusätzlichen Messmittel begrenzt dadurch die Genauigkeit der Radiusbestimmung und den Durchsatz der Fertigungsstraße.
Um diese Mehrdeutigkeiten zu überwinden und Absolutmessungen in Bereichen größer als die verwendete Lichtwellenlänge zu ermöglichen, gibt es einige interferometri- sche Verfahren, z.B. solche, die mit zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge arbeiten und deren Eindeutigkeit im Bereich der Schwebungswellenlänge liegen (Mehrwellenlängeninterferometrie), oder solche, die auf einer Änderung der Wellenlänge beruhen.
Bei der Mehrwellenlängeninterferometrie werden 2 oder mehr Wellenlängen zur Beleuchtung verwendet, und Differenzen der zu jeder Einzelwellenlänge erzeugten Phasenbilder berechnet. Diese Differenzbilder verhalten sich wie Phasenbilder, die von einer Lichtquelle mit viel größerer Wellenlänge (nämlich der Schwebungswellenlänge) erzeugt worden wäre. Dadurch steigt der Eindeutigkeitsbereich für jeden Bildpunkt, so dass größere Objektbewegungen oder größere Stufenhöhen auf der Oberfläche gemessen werden können. Grundsätzlich bleibt aber der periodische Zusammenhang zwischen Helligkeit und Weglängendifferenz an jedem Bildpunkt erhalten, sodass weiterhin nur Längen-ZAbstandsänderungen detektiert werden können. Der Versuch, durch sehr große Schwebungswellenlängen den Eindeutigkeitsbereich ebenfalls sehr groß zu machen, scheitert jedoch meist daran, dass dann die Anforderungen an die zahlenmäßige Unsicherheit der beteiligten Wellenlängenwerte enorm ansteigt.
Methoden mit variabler Wellenlänge nutzen den Umstand aus, dass in dem Fall, dass die Weglängendifferenz der am Bildpunkt interferierenden Teilwellen verschieden von Null ist (was im allgemeinen der Fall ist), sich bei einer Änderung der Lichtwellenlänge die Helligkeitsphase ändert. Dabei ist die Phasenänderung (also die Gesamtheit ganz oder teilweise durchlaufener Perioden) proportional zur Frequenzänderung des Lichtes und der Proportionalitätsfaktor ist gleich der Weglängendifferenz.
Ein Vorteil dieser Methode ist der gänzliche Wegfall der Mehrdeutigkeit, weshalb man die Methode auch „Absolutinterferometrie“ nennt. Ein erheblicher Nachteil ist jedoch die große Empfindlichkeit gegenüber Objektbewegungen während der Messung: Schon eine Änderung der Weglängendifferenz um wenige Mikrometer während der Messung kann zu Messfehlern im Millimeterbereich führen. Absolutinterferometer zur flächigen Formvermessung sind daher darauf angewiesen, dass sich der Prüfling und das durchstrahlte Medium (die Luft) während der Messung nicht bewegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Interferometer-System sowie ein Messverfahren zur Vermessung eines Objekts oder einer Wellenfront zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine sehr genaue Absolutmessung in einem sehr großen Messbereich erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Interferometer-System sowie ein Messverfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
Ein erfindungsgemäßes (absolutmessendes) Interferometer-System erlaubt eine Vermessung eines Objekts oder einer Wellenfront durch Bestimmung einer Distanz von Punkten des Objekts zu einer Referenz. Diese Referenz ist ein Punkt an einer bekannten Position oder eine Punktmenge auf einer Referenzfläche. In einem Fizeau- Interferometer wird zum Beispiel die Form eines Objekts als Distanz des jeweiligen Punktes des Objekts zu einem Punkt einer Referenzfläche bestimmt. Das Interferometer-System umfasst die folgenden Komponenten:
- Eine durchstimmbare Mess-Laserquelle, dazu ausgelegt, einen variablen Mess-Strahl innerhalb eines (insbesondere vorbestimmten aber stets bekannten) Mess- Frequenzbereichs AVM ZU emittieren,
- Eine Vergleichs-Laserquelle, dazu ausgelegt, einen Vergleichs-Strahl mit einer bekannten Frequenz zu emittieren,
- Eine Messinterferometer-Anordnung umfassend ein Interferometer, ausgelegt zur interferometrischen Messung einer Interferenzphase an einem Objekt mittels des Mess-Strahls und des Vergleichs-Strahls, wobei das Interferometer-System für eine simultane Messung mit der Mess-Laserquelle und der Vergleichs-Laserquelle für die Bestimmung der Distanz ausgestaltet ist,
- Eine Phasen-Bestimmungseinheit, ausgelegt zur Bestimmung der Anzahl AcpM von Phasendurchläufen des Mess-Strahls in der Messinterferometer-Anordnung während einer Durchstimmung der Frequenz der Mess-Laserquelle,
- Eine Distanz-Bestimmungseinheit, ausgelegt zur Bestimmung der Distanz eines Objekts zu einer Referenz basierend auf einer gewichteten Phasendifferenz der gemessenen Anzahl von Phasendurchläufen AcpM des Mess-Strahls und einem Wert einer Phasenänderung Acpv zwischen zwei Messungen mit Vergleichs-Strahlen.
Wohlgemerkt sind hier nur die für die Erfindung wesentlichen Merkmale aufgelistet. Das Interferometer-System umfasst alle weiteren Komponenten, die ein Interferometersystem ausmachen, wie z.B. optische Komponenten, Halterungen, Aufnahmeeinheiten oder Verstelleinheiten.
Das Interferometer-System umfasst also zwei unabhängige Laserquellen, eine Mess- Laserquelle und zusätzlich eine Vergleichs-Laserquelle. Die Mess-Laserquelle ist dabei durchstimmbar. Die Vergleichs-Laserquelle muss lediglich einen Vergleichs-Strahl mit einer einzigen Frequenz ausgeben, kann jedoch ebenfalls dazu ausgelegt sein, einen variablen Vergleichs-Strahl innerhalb eines Vergleichs-Frequenzbereichs zu emittieren. Der Vergleichs-Strahl kann als Strahl zur Bestimmung von Abstandsänderungen durch (relative oder absolute) Bewegungen des Objekts angesehen werden.
Der von der Mess-Laserquelle emittierte Mess-Strahl liegt im Mess-Frequenzbereich M, der bekannt sein muss und bevorzugt vorbestimmt ist, z.B. durch Messung oder Auswahl geeigneter Komponenten und / oder Betriebsparameter.
Die Frequenz des Vergleichs-Strahl der Vergleichs-Laserquelle muss bekannt sein. Die Feststellung der Frequenz kann z.B. durch Voreinstellung, durch Wähl der Komponenten und Parameter oder durch Frequenzmessung erfolgen.
Die Laserquellen sind bevorzugt Laserdioden, insbesondere Distributed feedback laser (Abkürzung: DFB, deutsch: Laser mit verteilter Rückkopplung). Dies sind Laserdioden, in denen das aktive Material periodisch strukturiert ist. Die Strukturen wechselnden Brechungsindexes bilden ein eindimensionales Interferenzgitter bzw. einen Interferenzfilter (Bragg-Spiegel). Ein Beispiel wären zwei DFB-Laserdioden bei den Wellenlängen 633 nm und 795 nm, von denen wenigstens die Mess-Laserquelle weit durchgestimmt werden kann, insbesondere über mehr als 100 MHz oder mehr als 1 GHz, insbesondere mehr als 10 GHz oder mehr als 100 GHz. Eine Durchstimmung der Vergleichs- Laserquelle ist nicht unbedingt notwendig.
Es werden hier zunächst Laserquellen betrachtet, deren Frequenzen gut bekannt sind. Weiter unten werden Ausführungsformen beschrieben, die eine Verbesserung im Hinblick auf die Genauigkeit der Frequenz des Mess-Strahls erlauben.
Die Messinterferometer-Anordnung umfasst mindestens ein Interferometer, kann aber auch zwei oder mehr Interferometer aufweisen, z.B. ein Interferometer für jede der beiden Laserquellen. Wichtig ist jedoch, dass mit allen Strahlen stets ein und dasselbe Objekt vermessen wird. Die Messinterferometer-Anordnung umfasst bevorzugt weitere Komponenten wie z.B. Linsen, Prismen, Strahlteiler, Spiegel, Referenzfläche sowie eine Halterung für das zu vermessende Objekt. Auch ein Detektor, z.B. eine Kamera oder ein Bildsensor mit einer abbildenden Optik sind Teil der Messinterferometer- Anordnung. Eine Einheit zur Aufnahme der Messungen (Bilder) ist Teil des Interferometer-Systems, insbesondere Teil der Messinterferometer-Anordnung oder der Distanz- Bestimmungseinheit
Eine bevorzugte Ausführungsform der Messinterferometer-Anordnung ist die eines Fizeau-Interferometers, bei dem ein Objekt relativ zu einer Referenzfläche, z.B. einem planen oder gewölbten Spiegel, vermessen wird. Der grundsätzliche Aufbau eines Fizeau-Interferometers ist im Stand der Technik bekannt. Es ist ein spezielles Interferometer, das für die Beurteilung der optischen Qualität von Oberflächen und Optiken verwendet werden kann. Das Messprinzip basiert auf dem Vergleich einer zu vermessenden Oberfläche mit einer Referenzoberfläche einer Referenzfläche mittels Interferometrie.
Das Interferometer-System muss für eine simultane Messung mit der Mess- Laserquelle und der Vergleichs-Laserquelle ausgestaltet sein. „Simultan“ bedeutet im Sinne dieser Erfindung, dass während der bzw. für die Bestimmung der Distanz beide Messungen durchgeführt werden müssen und zwar gleichzeitig oder alternierend. Es ist damit nicht gemeint, dass zuerst die Messungen mit der Mess-Laserquelle erfolgen und danach die Messungen mit der der Vergleichs-Laserquelle, sondern dass während der Durchstimmung der Mess-Laserquelle mehrfach Messungen mit der Vergleichs- Laserquelle erfolgen müssen, z.B. zumindest am Anfang und am Ende der Durchstimmung und auch (insbesondere vielfach) während der Durchstimmung (z.B. zwischen Messungen während der Durchstimmung). Dies kann z.B. mit einer variablen Blende realisiert werden, die alternierend nur den Strahl einer einzigen Laserquelle durchlässt. Messungen können aber auch gleichzeitig erfolgen, z.B. mit zwei Interferometern, wobei das eine das Objekt mit dem Messstrahl antastet, und das andere mit dem Vergleichsstrahl (ggf. aus einer anderen Richtung), oder es kann mit einer Chopper-Anordnung gearbeitet werden, die alternierend nur einen der Strahlen zu einem Interferometer durchlässt, oder es kann mit einer Filteranordnung gearbeitet werden, die Strahlen aus einem Interferometer je nach ihrer Wellenlänge auf verschiedene Detektoren lenkt. Kurz gesagt: eine simultane Messung im Sinne der Erfindung ist eine gleichzeitige Messung mit beiden Strahlen oder eine alternierende Messung, bei der die Strahlen (insbesondere mehrfach oder vielfach) zeitlich versetzt zueinander einstrahlen.
Bevorzugt wird ein einziges Interferometer verwendet, zumindest wenn die beiden unterschiedlichen Strahlen der Mess-Laserquelle und der Vergleichs-Laserquelle voneinander getrennt werden können. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass die Strahlen zu unterschiedlichen Zeiten in die Messinterferometer-Anordnung einstrahlen (z.B. mittels eines sogenannten „Choppers“) oder die Strahlen mit Filtern voneinander getrennt werden.
Interferometrische Messungen sind hinlänglich im Stand der Technik bekannt und basieren darauf, dass ein Teil-Strahl eines Strahls am Objekt reflektiert wird und mit einem anderen Teil-Strahl interferiert. Bei einem Fizeau-Interferometer stammt dieser andere Teil-Strahl z.B. von der Referenzfläche.
Es kann jeweils ein Punkt des Objekts vermessen werden, z.B. mit einem Interferometer mit Punktdetektor, wobei zur Vermessung des Objekts dessen Oberfläche abgefahren wird. Bewegungen des Objekts werden dabei durch die Messungen mit dem Vergleichs-Strahl kompensiert. Es ist jedoch besonders bevorzugt, dass eine flächige Messung durchgeführt wird, z.B. mit einem Interferometer, welches eine Kamera als Detektor aufweist (oder zumindest eine Bildsensor-Matrix mit einer abbildenden Optik). In diesem Fall ist es bevorzugt, die Strahlen in Form von Strahlungskegeln auszusenden. Dies ist auch zur Vermessung einer Wellenfront bevorzugt und ein entsprechendes Interferometer-System könnte als oder in einem Wellenfrontsensor Verwendung finden.
Im Folgenden wird bei Berechnungen und Beispielen bevorzugt von einer Referenzfläche ausgegangen, ohne jedoch andere Ausführungsformen auszuschließen.
Die Phasen-Bestimmungseinheit kann Teil der Messinterferometer-Anordnung sein oder unabhängig von dieser existieren. Beispielsweise kann bei einer Aufnahme mittels eines Bildsensors (Einzelpixel oder Pixelmatrix) die Phasen-Bestimmungseinheit auch in einer mit diesem Bildsensor datentechnisch verbundenen Recheneinheit befinden. Die Phasen-Bestimmungseinheit bestimmt die Anzahl von Phasendurchläufen während einer Durchstimmung der Frequenz der Mess-Laserquelle.
Bei einer Durchstimmung der Vergleichs-Laserquelle kann diese (oder eine andere) Phasen-Bestimmungseinheit verwendet werden, um deren Phasendurchgänge zu bestimmen. Die Verwendung ist identisch zu der Verwendung beim Mess-Strahl.
Bei einer Durchstimmung der Frequenz des Mess-Strahls ändert sich seine Wellenlänge und damit auch die in der Messinterferometer-Anordnung gemessene Phase. Da die Lichtwellen einer Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion folgen, wird die gemessene Intensität zwischen Maxima und Minima variieren, wobei der Übergang von einem zum nächsten Maximum (2n), hier als „Phasendurchlauf“ bezeichnet wird. Diese Änderungen werden gezählt und ergeben eine Anzahl der Phasendurchläufe. Auch wenn diese Anzahl im einfachsten Falle (zählen aller Maxima oder Minima) einen ganzzahligen Wert ergibt, könnte man bereits Distanzberechnungen damit durchführen. Da sich jedoch mit einem Bildsensor auch Zwischenwerte abschätzen lassen, ist diese Anzahl bevorzugt eine rationale Zahl und gibt auch Zwischenstufen an (z.B. ausgehend von einem Minimum über ein weiteres Minimum bis zum nächsten Maximum entspräche die Anzahl 1,5). Wird kontinuierlich verstimmt, kann die gemessene Zeit auch als Maß für die Phasendurchläufe sein. Wenn z.B. ein Phasendurchlauf genau 1 s dauert und 34,567 s während der Durchstimmung gemessen wurden, dann kann die Anzahl der Phasendurchläufe mit 34,567 angegeben werden. Bevorzugt ist in diesem Falle die Phasen-Bestimmungseinheit dazu ausgelegt, die Zeit der Durchstimmung zu ermitteln und die Dauer einer festgelegten Anzahl von Phasendurchläufen (auch einen) zu bestimmen.
Die Distanz-Bestimmungseinheit ist zur Berechnung von Werten ausgelegt. Geeignete Recheneinheiten sind bekannt und können z.B. in einem Rechensystem ausgeführt werden. Die Distanz eines Objekts zu einer Referenz wird mittels der gemessenen Anzahl von Phasendurchläufen AcpM und dem Mess- Frequenzbereich AvM bestimmt, der idealer Weise gut bekannt sein sollte. Um minimale Bewegungen des Objektes während der Messung zu kompensieren, wird die Distanz basierend auf einer gewichteten Phasendifferenz der gemessenen Anzahl von Phasendurchläufen AcpM des Mess- Strahls und dem Wert (0 bis 2n) einer Phasenänderung Acpv zwischen zwei Messungen mit Vergleichs-Strahlen ermittelt. Dies wird im Folgenden genauer ausgeführt.
Ein erfindungsgemäßes Messverfahren zur Bestimmung einer Distanz eines Objekts zu einer Referenz mit einem erfindungsgemäßen Interferometer-System, bevorzugt zur Vermessung eines Objekts oder einer Wellenfront, umfasst die folgenden Schritte:
- Einstellen der Mess-Laserquelle auf eine erste Frequenz vM, und bevorzugt Stabilisieren dieser Frequenz mit einer Stabilisierungseinheit, Aussenden eines ersten Mess- Strahls der Mess-Laserquelle mit dieser Frequenz auf ein Objekt in der Messinterfero- meter-Anordnung, und Messung einer Interferenzphase mit der Messinterferometer- Anordnung,
- Einstellen einer Vergleichs-Laserquelle auf eine erste Frequenz vv, und bevorzugt Stabilisieren dieser Frequenz mit einer Stabilisierungseinheit, Aussenden eines ersten Vergleichs-Strahls der Vergleichs-Laserquelle mit dieser Frequenz auf das Objekt in der Messinterferometer-Anordnung und Messung einer Interferenzphase cpVi mit der Messinterferometer-Anordnung, wobei diese Messung vor einem Durchstimmen des Mess-Laserquelle erfolgt,
- Durchstimmen der Mess-Laserquelle über den Mess-Frequenzbereich AvM, Aussenden weiterer Mess-Strahlen der Mess-Laserquelle und Messung der Anzahl der Phasenübergänge AcpM der Interferenzphase während des Durchstimmens in der Messinterferometer-Anordnung mittels der Phasen-Bestimmungseinheit,
- mehrfaches Aussenden eines Vergleichs-Strahls der Vergleichs-Laserquelle auf das Objekt und Messung einer weiteren Interferenzphase cpV2 mit der Messinterferometer- Anordnung, wobei diese Messung simultan zu dem Durchstimmen des Mess-Laser- quelle erfolgt, wobei „simultan“ bedeutet, dass Mess-Strahlen und Vergleichs-Strahlen gleichzeitig oder alternierend für (die voneinander unabhängigen) Messungen einstrahlen,
- Berechnung der Distanz des Objekts zur Referenz aus dem Verhältnis der gemessenen Phasenübergänge AcpM, von A<pv = | Acpvi - AcpV2| , des Mess-Frequenzbereichs AvM, und bevorzugt auch einer Frequenz vM eines der Mess-Strahlen, insbesondere des ersten Mess-Strahls, sowie einer Frequenz vv eines der Vergleichs-Strahlen, insbesondere des ersten Vergleichs-Strahls, unter Bildung einer gewichteten Phasendifferenz Arp, besonders bevorzugt nach der Formel Arp = AcpM - Acpv • vM/vv.
Zunächst wird dabei die Mess-Laserquelle auf eine erste Frequenz vM eingestellt. Damit dies sehr genau erfolgen kann, erfolgt bevorzugt eine Stabilisation dieser Frequenz mit einer Stabilisierungseinheit. Beispielsweise wird die Mess-Laserquelle eine Frequenz eines J2-Übergangs eingestellt und durch Lock-In-Technik stabilisiert.
Ist die Mess-Laserquelle eingestellt, kann eine erste Messung erfolgen. Dazu wird ein erster Mess-Strahl der Mess-Laserquelle mit dieser Frequenz ausgesendet, trifft auf ein Objekt in der Messinterferometer-Anordnung und ein Teil-Strahl des Mess-Strahls wird von diesem Objekt reflektiert. In der Messinterferometer-Anordnung interferiert nun dieser reflektierte Teil-Strahl auf einen anderen Teil-Strahl (der z.B. an einer Referenzfläche reflektiert wurde) und interferiert mit diesem. Das entstehende Interferenzmuster wird gemessen und daraus die Phasenbeziehung dieser beiden Teil-Strahlen, die als „Interferenzphase“ bezeichnet wird bestimmt. Von einem Bildsensor wird diese Interferenzphase als ein Intensitätswert wiedergegeben, von einer Pixelmatrix als Bildsensor als Matrix von Intensitätswerten.
Das Einstellen einer Vergleichs-Laserquelle auf die erste Frequenz vv, das Aussenden eines ersten Vergleichs-Strahls und die Messung einer Interferenzphase cpVi entspricht der vorangehend beschriebenen ersten Messung mit dem Mess-Strahl und erfolgt ana- log, bis auf den Unterschied, dass nun die Vergleichs-Laserquelle mit einem Strahl einstrahlt, der zur besseren Unterscheidung „Vergleichs-Strahl“ genannt wird. Bevorzugt hat der Vergleichs-Strahl eine andere Wellenlänge als der Mess-Strahl, dies ist aber nicht unbedingt notwendig. Beispielsweise wird die Vergleichs-Laserquelle bei 795 nm auf eine Frequenz des Rb-Dl-Übergangs eingestellt und durch Lock- In-Technik stabilisiert.
Nun wird die Mess-Laserquelle über den Mess-Frequenzbereich AvM durchgestimmt, z.B. über 100 GHz. Dies bedeutet, dass die Frequenz des Mess-Strahls von vM bis zu einer anderen Frequenz (kontinuierlich) geändert wird. Währenddessen werden weiter Mess-Strahlen der Mess-Laserquelle ausgesendet und es finden weiterhin Messungen der Interferenzphase statt. Die Interferenzphasen werden sich jedoch aufgrund der Änderung der Wellenlänge des Mess-Strahls stetig ändern und es ergeben sich wie vorangehend beschrieben Phasenübergänge, die sich in Intensitätsschwankungen auf dem Bildsensor äußern. Die Anzahl der Phasenübergänge AcpM der Interferenzphase während des Durchstimmens in der Messinterferometer-Anordnung wird nun während des Durchstimmens gezählt. Dabei werden neben ganzzahligen Änderungen bevorzugt auch angefangene Änderungen quantitativ erfasst, z.B. basierend auf der Durchstimmgeschwindigkeit (s.o.), was die Genauigkeit des Ergebnisses verbessert.
Der simultan zu dem Durchstimmen erfolgenden Messungen mit der Vergleichs-Laser- quelle kann ein erneutes Einstellen der Vergleichs-Laserquelle auf eine Frequenz vorausgehen, insbesondere wenn mit einer anderen Frequenz gemessen werden soll. Wird wieder mit der ersten Frequenz vv gemessen, ist es lediglich bevorzugt, die Vergleichs-Laserquelle zu stabilisieren, damit die Abweichung der Frequenz des Vergleichs-Strahls im Vergleich zur vorangehenden Messung gering ist. Im Grunde ist dieser Schritt ansonsten der gleiche wie die vorangehende Messung mit der Vergleichs-Laserquelle, nur dass er gleichzeitig oder zeitlich versetzt alternierend (d.h. simultan) zu dem Durchstimmen erfolgt. Wenn sich an der Position des Objektes (absolut oder relativ z.B. zu einer Referenzfläche) irgendetwas geändert haben sollte, wird sich dies in der gemessenen Interferenzphase widerspiegeln. Je nach gewünschter Genauigkeit kann eine solche Messung vielfach während des Durchstimmens erfolgen, z.B. in dem während des Durchstimmens ein Chopper alternierend zwischen Mess-Strahl und Vergleichs-Strahl wechselt. Darauf basierend erfolgt dann eine Berechnung der Distanz D aus dem Verhältnis der gemessenen Phasenübergänge AcpM sowie Acpv = |cpvi - <pv2|, des Mess-Frequenz- bereichs AvM und bevorzugt auch einer Frequenz vM des ersten Mess-Strahls sowie einer Frequenz vv des Vergleichs-Strahls, unter Bildung einer gewichteten Phasendifferenz Arp.
Im Folgenden werden Grundlagen der Distanzbestimmung und weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass eine bevorzugte Vorrichtung auch analog zu der entsprechenden Beschreibung des Verfahrens ausgestaltet sein kann und umgekehrt und dass insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Betrachtet man die in Stand der Technik bekannten Formeln zur Distanzberechnung, so stellt man fest, dass für hochgenaue Messungen der Mess-Frequenzbereich AvM sehr genau bekannt sein muss. Dies zu bewerkstelligen kann problematisch sein. Um die Genauigkeit diesbezüglich zu verbessern umfasst ein bevorzugtes Interferometer- System eine Referenzinterferometer-Anordnung enthaltend ein Interferometer mit einer bekannten Referenzdistanz DR. Diese Referenzinterferometer-Anordnung ist dabei zur Bestimmung einer Frequenzänderung der Mess-Laserquelle ausgelegt.
Die Distanz-Bestimmungseinheit ist in diesem Falle besonders bevorzugt zur Bestimmung der Distanz eines Objekts zu einer Referenz basierend auf den gemessenen Anzahlen der Phasendurchläufe des Mess-Strahls und der bekannten Referenzdistanz DR ausgelegt. Dies wird nachfolgend genauer im Rahmen des entsprechenden Messverfahrens erläutert.
In dem Falle, dass die Vergleichs-Laserquelle ebenfalls durchgestimmt wird, umfasst die Referenzinterferometer-Anordnung bevorzugt ein weiteres Interferometer mit einer (ggf. weiteren) bekannten Referenzdistanz, ausgelegt zur Bestimmung einer Frequenzänderung der der Vergleichs-Laserquelle. In diesem Falle ist die (oder eine weitere) Phasen-Bestimmungseinheit bevorzugt zusätzlich zur Bestimmung der Anzahl von Phasendurchläufen während einer Verstimmung der Frequenz der Vergleichs- Laserquelle in der Referenzinterferometer-Anordnung ausgelegt. Bei einem bevorzugten Messverfahren, erfolgt eine Messung zumindest der Mess- Strahlen an der besagten Referenzinterferometer-Anordnung mit der bekannten Referenzdistanz DR. Dabei erfolgt während des Durchstimmens der Mess-Laserquelle über den Mess-Frequenzbereich AvM, zusätzlich zur Messung der Anzahl der Phasenübergänge AcpM auch eine Messung der Anzahl der Phasenübergänge AcpR in der Referenzinterferometer-Anordnung mittels einer Phasen-Bestimmungseinheit.
Die Distanz D wird dann aus der Referenzdistanz DR und einem Verhältnis basierend auf den Anzahlen der gemessenen Phasenübergänge bestimmt, insbesondere mittels gewichteter Phasendifferenzen (s.o.). Die Referenzdistanz DR dient dabei gewissermaßen als Maßstab.
Bevorzugt umfasst das Interferometer-System eine Durchstimmungseinheit, welche zur Durchstimmung der Frequenz eines Mess-Strahls der Mess-Laserquelle ausgelegt ist, wobei die Durchstimmungseinheit bevorzugt dazu ausgelegt ist, die Mess-Laserquelle so durchzustimmen, dass der Betrag der Änderung der Frequenz des Mess-Strahls größer als 1 GHz ist, wobei Durchstimmungen über einen Mess-Frequenzbereich AvM größer als 10 GHz oder gar größer als 100 GHz bevorzugt sind. Eine solche Durchstimmeinheit ist grundsätzlich im Stand der Technik bekannt und kann z.B. durch eine variable Spannungs- oder Stromsteuerung der Mess-Laserquelle realisiert werden.
In dem Falle, dass die Vergleichs-Laserquelle ebenfalls durchstimmbar sein soll, umfasst das Interferometer-System bevorzugt eine entsprechende Durchstimmungseinheit, welche zur Durchstimmung der Frequenz eines Vergleichs-Strahls der Vergleichs-Laserquelle ausgelegt ist. Für den Vergleichs-Frequenzbereich gelten bevorzugt die Angaben zum Mess-Frequenzbereich.
Bevorzugt umfasst das Interferometer-System eine Stabilisierungseinheit zur Stabilisation einer der Laserquellen auf eine Frequenz. Das generelle Prinzip einer solchen Stabilisation, z.B. auf eine atomare oder molekulare Absorptionslinie oder auf das Interferenzmaximum eines Gitters ist im Stand der Technik bekannt. Bevorzugt umfasst das Interferometer-System ein Strahlführungselement, bevorzugt ein Lichtleiter, z.B. eine Glasfaser, ausgelegt zur Führung des Lichtes beider Laserquellen in die Messinterferometer-Anordnung. Bevorzugt führt dazu die Strahlführungseinheit die Strahlen der Laserquellen mittels Lichtleitern auf einen einzigen Lichtleiter, und ist dafür besonders bevorzugt V- oder Y-förmig ausgestaltet. Mit dem Begriff „Lichtleiter“ ist dabei ein einziges lichtleitendes Element oder ein Bündel von lichtleitenden Elementen gemeint, mittels derer Licht in eine Richtung geleitet wird.
Bevorzugt umfasst das Interferometer-System eine Selektionseinheit, z.B. einen sogenannten „Chopper“, welcher im Stand der Technik bekannt ist. Solch eine Selektionseinheit ist zum alternierenden Ausblenden des Strahls jeweils einer der beiden Laserquellen ausgelegt, so dass zu einem Messzeitpunkt nur der Mess-Strahl der Mess- Laserquelle in die Messinterferometer-Anordnung fällt und zu einem anderen Messzeitpunkt nur der Vergleichs-Strahl der Vergleichs-Laserquelle in die Messinterferometer-Anordnung fällt.
Um die bei der Messung entstehenden Interferenzmuster der beiden Laserquellen zu trennen, werden die Laserstrahlen mit der Selektionseinheit (z.B. einem Chopper) abwechselnd ausgeblendet. Bei Betrachtung mit einer Kamera geschieht dies bei Auslese mit einer Kamera bevorzugt im halben Kameratakt.
Bevorzugt umfasst das Interferometer-System ein Hilfsinterferometer ausgelegt zur Bestimmung einer Durchstimmgeschwindigkeit (Änderung der Frequenz und/oder der Phase in Abhängigkeit von der Zeit) einer der Laserquellen, insbesondere des Mess- Strahls. Dieses Hilfsinterferometer ist dabei einer der Laserquellen oder beiden Laserquellen zugeordnet und dient zur Vermessung einer Eigenschaft des Lichts dieser La- serquelle(n). Es sei hier angemerkt, dass alternativ oder zusätzlich die Referenzinterferometer-Anordnung dazu ausgelegt sein kann, diese Durchstimmgeschwindigkeit zu bestimmen. Auch kann das Hilfsinterferometer der Referenzinterferometer-Anordnung zugeordnet sein oder diese Referenzinterferometer-Anordnung sein. Im Grunde kann die Referenzinterferometer-Anordnung ebenfalls den Laserquellen zugeordnet sein oder Interferometer umfassen, die den Laserquellen zugeordnet sind (muss aber nicht zwingend). Das Hilfsinterferometer ist dabei insbesondere zusätzlich zur Überwachung einer Modenreinheit einer der Laserquellen ausgelegt. Wenn die Durchstimmgeschwin- digkeit bekannt ist, kann durch Messung der Zeit bei der Ermittlung der Phasendurchläufe sehr genau ein angefangener Phasendurchlauf quantifiziert werden. Es ist dadurch also möglich, die Anzahl der Phasendurchläufe als rationale Zahl anzugeben, z.B. 100,437 Durchläufe. Dies steigert die Genauigkeit einer Distanzbestimmung.
Jede Laserquelle, also die Vergleichs-Laserquelle und/oder die Mess-Laserquelle kann dabei mit einem Interferometer vermessen werden. Dabei können zwei bevorzugte Fälle unterschieden werden: Jede Laserquelle umfasst ein eigenes Hilfsinterferometer zur Bestimmung der Frequenzänderung oder ein Hilfsinterferometer (oder eine Referenzinterferometer-Anordnung) wird zur Vermessung beider Laserquellen genutzt. Im ersten Fall ist es bevorzugt, kleine, kompakte Interferometer zu nutzen. Im zweiten Fall ist es bevorzugt, dass das verwendete Interferometer vom Aufbau bzw. Messprinzip der Messinterferometer-Anordnung entspricht und insbesondere auch in derselben Atmosphäre angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass automatisch eine Brechzahlkompensation erreicht wird, und außerdem Reflektorbewegungen in diesem Interferometer genauso eliminiert werden, wie in der Messinterferometer-Anordnung.
Bevorzugt umfasst das Interferometer-System noch weitere Komponenten, die im Stand der Technik grundsätzlich bekannt sind und der Verbesserung der Handhabung, Beseitigung störender Effekte oder der Verbesserung der Messgenauigkeit dienen. Bevorzugte weitere Komponenten sind z.B. optischer Faraday- Isolatoren, Elemente zur Einkopplung in eine Glasfaser für ein Messinterferometer oder für ein Referenzinterferometer oder Elemente zur dichroitischen Strahlüberlagerung.
Mit den im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemessenen Werten können noch bevorzugt weitere Berechnungen der Distanz durchgeführt werden, welche das Ergebnis verbessern. Hierzu ist zu beachten, dass bei vielen interferometrischen Distanzberechnungen ab bestimmten Distanzunterschieden keine Eindeutigkeit mehr vorliegt. Wenn jedoch die Distanz innerhalb der Eindeutigkeit eines anderen Bestimmungsverfahrens bestimmt werden kann und das Verfahren innerhalb seiner Eindeutigkeit eine genauere Bestimmung der Distanz zulässt, so kann zur Herstellung der Eindeutigkeit auf die „gröbere“ Distanzmessung zurückgegriffen werden. Bevorzugt wird nach einer vorgenannten Bestimmung der Distanz basierend auf den gemessenen Werten zusätzlich eine weitere Berechnung der Distanz durchgeführt.
Bevorzugt erfolgt diese Berechnung basierend auf einem Ein-Wellenlängen-Verfahren oder einem Zwei-Wellenlängen-Verfahren, welche im Grunde im Stand der Technik bekannt ist. Besonders ist, dass zur Herstellung der Eindeutigkeit auf die bereits im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte Distanz zurückgegriffen wird. Als Strahlen können sowohl Mess-Strahlen als auch Vergleichs-Strahlen verwendet werden, wobei bevorzugt die betreffenden Aufnahmen insbesondere aufeinanderfolgend erzeugt worden sind oder zumindest innerhalb eines Zeitraumes kleiner als 1 s. Eine Berechnung basierend auf einem Zwei-Wellenlängen-Verfahren erfolgt insbesondere unter Verwendung der gemessenen Werte zu einer Messung mit Mess- Strahl und einer Messung mit Vergleichs-Strahl. Eine Berechnung basierend auf einem Ein-Wellenlängen-Verfahren erfolgt insbesondere unter Verwendung der gemessenen Werte zu einer Messung mit Mess-Strahl oder einer Messung mit Vergleichs-Strahl.
Bevorzugt ist eine gestaffelte Distanzberechnung, bei der zunächst die Distanz mittels der gewichteten Phasendifferenz berechnet wird, dann eine Distanzberechnung basierend auf einem Zwei-Wellenlängen-Verfahren erfolgt und danach eine weitere Distanzberechnung mittels eines Ein-Wellenlängen-Verfahrens.
Im Folgenden wird ein bevorzugter Messablauf beschrieben. Es erfolgt dabei zunächst eine Absolutmessung mit einer variablen synthetischen Wellenlänge (WSV) ohne Vorkenntnis der Distanz, dann eine Absolutmessung mit Vorkenntnis der Distanz (2- Wellenlängen-Messung mit Schwebungswellenlänge A) und zuletzt eine 1- Wellenlängen-Messung.
Ist die Distanz schon bis auf A/2 bekannt (z. B. unmittelbar nach der Absolutmessung, wird die Mess-Laserquelle auf eine Frequenz des Jod-Überganges eingestellt und stabilisiert. Dann werden die Phasen an den Detektoren für Mess- und Vergleichs- Strahl im Messinterferometer aufgenommen und die Distanz aus der Phasendifferenz bestimmt, wobei die ganzzahligen Anteile von cp/2n aus der Absolutmessung rekonstruiert werden können. Hierbei soll die Messunsicherheit möglichst unterhalb der halben Lichtwellenlänge der Vergleichs-Laserquelle liegen (d.h. sicher innerhalb des Eindeutigkeitsbereiches einer inkrementellen Ein-Wellenlängen-Messung). Zuletzt wird die im Stand der Technik bekannte Ein-Wellenlängen-Messung durchgeführt, wobei dort die ganzzahligen Anteile von cp/2n aus der Absolutmessung und der Zwei-Wellenlängen-Messung rekonstruiert werden können.
Während der Ein- und Zwei-Wellenlängen-Messungen dienen die jeweiligen Wellenlängen der beteiligten Laserquellen als Maßstabsverkörperung. Diese ergibt sich aus den Frequenzen, die über den 12- oder Rb-Frequenzstandard rückführbar ist, und den Brechungsindex der Luft, der separat bestimmt wird. Bei der Absolutmessung verkörpert das Referenzinterferometer den Maßstab. Dieses sollte zuvor eingemessen werden.
Für eine präzise Phasenmessung im Interferometer ist es vorteilhaft, die Amplituden, Offsets und die Phasenbeziehung zwischen den Komponenten der Quadratursignale (insgesamt also die Lage der Signalellipse in der x-y-Ebene zu bestimmen. Dazu werden bevorzugt beide Laserquellen nacheinander geringfügig durchgestimmt, Wertepaare aufgezeichnet und über die Anpassung einer Kurve zweiter Ordnung nach Heydemann eine Korrektur durchgeführt. Diese Korrektur sollte vor jeder Absolutmessung (gleich welcher Methode) automatisch wiederholt werden.
Vorteil des erfindungsgemäßen Interferometer-Systems ist, dass mittels eines solchen Interferometers Abstände bis 2 m mit einer Unsicherheit von 0,2 pm absolut gemessen werden können. Diese Genauigkeit kann noch gesteigert werden, wenn man sich der oben genannten ergänzenden Messungen bedient.
Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen schematisch dargestellt.
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Interferometer-Systems.
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Laserquelle. Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Messverfahrens.
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Interferometer-Systems 1 zur Vermessung eines Objekts O durch Bestimmung einer Distanz eines Objekts O zu einer Referenz, die hier von einer Referenzfläche 8 gebildet wird. Das Interferometer- System 1 umfasst die folgenden Komponenten:
Eine durchstimmbare Mess-Laserquelle 10a, dazu ausgelegt, einen variablen Mess- Strahl M innerhalb eines Mess-Frequenzbereichs AvM zu emittieren sowie eine Vergleichs-Laserquelle 10b, dazu ausgelegt, einen Vergleichs-Strahl V mit einer bekannten Frequenz zu emittieren. Jede dieser Laserquellen (10) kann einen Aufbau aufweisen, wie in Figur 2 dargestellt.
Figur 2 zeigt den vorteilhaften Aufbau eine Laserquelle 10 für ein solches Interferometer-System 1. Eine Laserdiode 11 dient zur Aussendung eines Strahls, der vor dem Austritt zwei Strahlteiler 15 durchläuft und dort aufgeteilt wird. Mittels einer (für die Vergleichs-Laserquelle optionaler) Durchstimmungseinheit 14 kann der Strahl der Laserquelle 10 innerhalb eines Frequenzbereichs durchgestimmt werden, z.B. mittels Änderung der Spannung oder der Stromstärke. Der eine aufgeteilte Strahl läuft in eine (optionale) Referenzinterferometer-Anordnung 13 (hier in Form eines Hilfsinterferometers), in der während des Durchstimmens die Anzahl der Phasenübergänge gezählt wird. Der andere der aufgeteilten Strahlen läuft in eine (optionale) Stabilisierungseinheit 12 und die Laserquelle 10 kann dadurch z.B. mittels Lock-in-Verfahren stabilisiert werden. In einem besonderen Ausführungsbeispiel kann z.B. die Mess- Laserquelle 10a auf einen Jod-Übergang und die Vergleichs-Laserquelle 10b auf einen Rubidium-Übergang stabilisiert werden. An Stelle von Laserdioden 11 können im Grunde alle möglichen Lasermedien verwendet werden.
Es sollte beachtet werden, dass bis auf die Laserdiode nicht alle anderen Komponenten enthalten sein müssen. z.B. muss die Vergleichs-Laserquelle (10b) nicht unbedingt eine Durchstimmeinheit 14 oder eine Referenzinterferometer-Anordnung 13 aufweisen. Hingegen sind Stabilisierungseinheiten 12 sehr empfohlen. Was eine Stabilisierungeinheit 12 betrifft, ist die hier dargestellte mit einem Kopplungsmedium K ausgestattet, z.B. Jod oder Rubidium.
In dem besonderen Interferometer-System 1 nach Figur 1 werden der Mess-Strahl M der Mess-Laserquelle 10a und der Vergleichs-Strahl V der Vergleichs-Laserquelle 10b mittels eines Strahlführungselementes 3 zusammengeführt, welches hier jeweils eine Glasfaser umfasst, in die die beiden Strahlen der Laserquellen 10a, 10b eingekoppelt werden, z.B. mittels spezieller Einkopplungselemente. Die Glasfasern werden in einer Y-förmigen Anordnung auf eine Faser zusammengeführt, so dass sowohl der Mess- Strahl M als auch der Vergleichs-Strahl V aus derselben Glasfaser austreten.
Optional können die Strahlen auch ausgekoppelt werden, wie gestrichelt angedeutet und in einer Referenzinterferometer-Anordnung 13 deren Frequenzänderung vermessen werden. Dies könnte eine Alternative zu Figur 2 darstellen, wobei dort dann auf das Hilfsinterferometer 13 verzichtet werden kann und ein einziges Interferometer zur Vermessung beider Laserquellen 10a, 10b verwendet werden kann.
Damit bei einer solchen Zusammenführung einfach mit jeweils nur einem einzigen Strahl M, V gemessen werden kann, ist zwischen den Laserquellen 10 und dem Strahlführungselement 3 eine Selektionseinheit 2 in Form eines sogenannten „Choppers“ angeordnet. Die Selektionseinheit 2 hat die Form eines Rades (s. obige Darstellung, auf die der Pfeil hindeutet) mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen. Diese Bereiche sind dabei so angeordnet, dass in jeder Stellung des Rades jeweils einer der Strahlen von einem lichtundurchlässigen Bereich verdeckt wird und der jeweils andere Strahl durch einen lichtdurchlässigen Bereich hindurch scheinen kann.
Mittels der Selektionseinheit 2 ist eine simultane Messung mit dem Mess-Strahl M und dem Vergleichs-Strahl V mit einer schnellen Abwechslung zwischen den Strahlen M, V möglich. Es erfolgt also eine Vielzahl von alternierenden Messungen. Theoretisch wäre auch eine gleichzeitige Messung mit dem Mess-Strahl M und dem Vergleichs-Strahl V ohne die Selektionseinheit 2 möglich, wenn mit Filtern gearbeitet würde. Die hier abgebildete Selektionseinheit 2 ermöglicht jedoch einen einfachen und preisgünstigen Aufbau, der robust gegenüber Fehlern ist. Die dermaßen geführten und gesteuerten Strahlen M, V, treten dann in eine Messinter- ferometer-Anordnung 9 ein, wie mit den gestrichelten Strahlkegeln angedeutet ist. Diese Messinterferometer-Anordnung 9 umfassend hier ein Interferometer, ausgelegt zur interferometrischen Messung von Interferenzphasen an einem Objekt O mittels des Mess-Strahls M und des Vergleichs-Strahls V. Die Strahlen M, V treten durch einen Strahlteiler 4, der hier dazu dient, den Strahl in eine Kamera (mit einer Abbildungsoptik 5 und einem Bildsensor 6) zu lenken.
Die Strahlen M, V fallen durch einen Kollimator 7, der die Beleuchtung optimiert, auf das (hier transparente) Objekt O, wobei ein Teil-Strahl eines jeden Strahls von dem Objekt reflektiert wird. Ein anderer Teil dringt durch das Objekt hindurch und wird von der Oberfläche einer Referenzfläche 8 reflektiert. Die reflektierten Anteile interferieren auf dem Rückweg miteinander und werden über den Strahlteiler in die Kamera gelenkt, in der sie ein Interferenzmuster bilden. Die Form des Interferenzmusters hängt von der Form des Objektes O (und der Referenzfläche 8) ab. Der Abstand zwischen Objekt O und Referenzfläche 8 (besser: zwischen deren reflektierenden Oberflächen) ist der zu messende Abstand D.
Das Bild der Kamera wird von einer Phasen-Bestimmungseinheit 16 ausgewertet, die dazu ausgelegt ist, die Anzahl von Phasendurchläufen der Strahlen M,V in der Mess- interferometer-Anordnung 9 während einer Durchstimmung der Frequenz zu messen. In dem hier betrachteten Beispiel wird nur der Mess-Strahl M der Mess-Laserquelle 10a durchgestimmt, weshalb die Phasen-Bestimmungseinheit 16 hier nur die Anzahl AcpM von Phasendurchläufen des Mess-Strahls M und die Anzahl A<pv von Phasendurchläufen des Vergleichs-Strahls V ermittelt, während die Mess-Laserquelle über den Frequenzbereich AvM durchgestimmt wird. Was nicht dargestellt ist, ist, dass gleichzeitig dieselbe oder eine andere Phasen-Bestimmungseinheit 16 die Anzahl AcpR von Phasendurchläufen des Mess-Strahls M in der Referenzinterferometer-Anordnung 13 bestimmt.
Eine Distanz-Bestimmungseinheit 17, die zur Bestimmung der Distanz des Objekts O zu der Referenzfläche 8 ausgelegt ist, berechnet den Abstand aus der bekannten Distanz der DR in Referenzinterferometer-Anordnung 13 und der ermittelten Anzahlen AcpM und AcpR von Phasendurchläufen zu D = A(p/AcpR • DR. Die Größen Ac und AcpR wurden dabei als gewichtete Phasendifferenzen aus Messungen mit Mess-Strahl M und Vergleichs-Strahl V berechnet.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Messverfahrens zur Bestimmung einer Distanz eines Objekts O zu einer Referenz 8 mit einem Interferometer-System 1 wie es z.B. in Figur 1 gezeigt ist. Mit diesem Verfahren kann auch ein Objekt oder eine Wellenfront vermessen werden, wenn mit dem Verfahren mehrere Messpunkte an unterschiedlichen Stellen genommen werden.
In Schritt I erfolgt eine Einstellung der Mess-Laserquelle 10a auf eine erste Frequenz vM, und eine Stabilisierung dieser Frequenz mit einer Stabilisierungseinheit 12. Zudem erfolgt eine Einstellung der Vergleichs-Laserquelle 10b auf eine erste Frequenz vv, und eine Stabilisierung dieser Frequenz mit einer Stabilisierungseinheit 12. Dadurch erhält man zwei Strahlen, einen Mess-Strahl M und einen Vergleichs-Strahl V, mit jeweils stabilisierten Frequenzen. Diese Strahlen M, V, werden mittels der Selektionseinheit 2 abwechselnd in die Messinterferometer-Anordnung 9 eingestrahlt. Beispielsweise wird die Mess-Laserquelle 10a auf einen Jod-Übergang eingestellt und die Vergleichs-Laser- quelle 10b auf einen Rubidium-Dl-Übergang bei 795 nm.
In Schritt II erfolgt eine Messung der Interferenzphase des Mess-Strahls M und des Vergleichs-Strahls V mit der Messinterferometer-Anordnung 9. In der Messinterfero- meter-Anordnung 9 aus Figur 1 wird automatisch bei Eintreten eines Strahls in die Anordnung und Anwesenheit eines Objekts O ein Interferenzmuster in der Kamera erzeugt. Dieses muss nur noch aufgenommen werden.
In Schritt III wird die Mess-Laserquelle 10a verstimmt und weitere Messungen durchgeführt, was mit dem Pfeil zu Schritt II angedeutet ist. Dies wird so lange wiederholt, bis die Mess-Laserquelle 10a über den gewünschten Frequenzbereich AvM durchgestimmt worden ist. Während dieser Durchstimmung wird die Anzahl AcpM von Phasendurchläufen des Mess-Strahls M ermittelt und zwar für jedes Pixel des Bildsensors 6 der Kamera. In diesem Beispiel wird auch die Anzahl AcpR von Phasendurchläufen des Mess-Strahls M in der Referenzinterferometer-Anordnung 13 ermittelt. Dadurch, dass Mess-Strahl M und Vergleichs-Strahl V stets simultan (z.B. alternierend wie in Figur 1) in die Messinterferometer-Anordnung 9 eingestrahlt werden, kann einfach im Zuge der Messung so lange gewartet werden, bis nach dem Durchstimmen eine Messung einer letzten Interferenzphase des Vergleichs-Strahls V aufgenommen worden ist.
Nach den Aufnahmen erfolgt in Schritt IV eine Berechnung der Distanz D des Objekts O zureiner Referenzfläche 8 aus dem Verhältnis der während des Durchstimmens gemessenen Phasenübergänge AcpM (in der Mess- interferometer-Anordnung 9 und ggf. auch in der Referenzinterferometer-Anordnung 13), dem Phasenunterschied Acpv durch Bewegung des Objekts O und den bekannten (oder ermittelten) Größen über den Mess-Frequenzbereichs AvM, und auch einer Frequenz vM eines der Mess-Strahlen M sowie einer Frequenz vv eines der Vergleichs-Strahlen V, unter Bildung von gewichteten Phasendifferenz Arp und AcpR.
In Schritt V erfolgen dann zusätzlich weitere Berechnungen der Distanz basierend auf einem Zwei-Wellenlängen-Verfahren und einem Ein-Wellenlängen-Verfahren, insbesondere unter Nutzung der bereits aufgenommenen Daten.
Abschließend wird angemerkt, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel, wie z.B. „ein“ oder „eine“, nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. So kann „ein“ auch als „mindestens ein“ gelesen werden. Der Ausdruck „Anzahl“ ist ebenso als „mindestens ein(e)“ zu lesen. Begriffe wie „Einheit“ oder „Vorrichtung“ schließen nicht aus, dass die betreffenden Elemente aus mehreren zusammenwirkenden Komponenten bestehen können, die nicht unbedingt in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, auch wenn der Fall eines umfassenden Gehäuses bevorzugt ist. Bezugszeichenliste
1 I nterferometer-System
2 Selektionseinheit
3 Strahlführungselement
4 Strahlteiler
5 Abbildungsoptik
6 Bildsensor
7 Kollimator
8 Referenzfläche
9 Messinterferometer-Anordnung
10 Laserquelle
10a Mess-Laserquelle
10b Vergleichs-Laserquelle
11 Laserdiode
12 Stabilisierungseinheit
13 Referenzinterferometer-Anordnung
14 Durchstimmungseinheit
15 Strahlteiler
16 Phasen-Bestimmungseinheit
17 Distanz-Bestimmungseinheit
K Kopplungsmedium
M Mess-Strahl
O Objekt
V Vergleichs-Strahl

Claims

Ansprüche
1. Interferometer-System (1) zur Bestimmung einer Distanz eines Objekts (O) zu einer Referenz (8) umfassend:
- eine durchstimmbare Mess-Laserquelle (10a), dazu ausgelegt, einen variablen Mess-Strahl (M) innerhalb eines Mess-Frequenzbereichs AvM zu emittieren,
- eine Vergleichs-Laserquelle (10b), dazu ausgelegt, einen Vergleichs-Strahl (V) mit einer bekannten Frequenz zu emittieren,
- eine Messinterferometer-Anordnung (9) umfassend ein Interferometer, ausgelegt zur interferometrischen Messung einer Interferenzphase an einem Objekt (O) mittels des Mess-Strahls (M) und des Vergleichs-Strahls (V), wobei das Interferometer- System (1) für eine simultane Messung mit der Mess-Laserquelle (10a) und der Vergleichs-Laserquelle (10b) für die Bestimmung der Distanz ausgestaltet ist,
- eine Phasen-Bestimmungseinheit (16), ausgelegt zur Bestimmung der Anzahl AcpM von Phasendurchläufen des Mess-Strahls (M) in der Messinterferometer-Anordnung (9) während einer Durchstimmung der Frequenz der Mess-Laserquelle (10a),
- eine Distanz-Bestimmungseinheit (17), ausgelegt zur Bestimmung der Distanz eines Objekts (O) zu einer Referenz (8) basierend auf einer gewichteten Phasendifferenz der gemessenen Anzahl von Phasendurchläufen AcpM des Mess-Strahls (M) und einem Wert einer Phasenänderung Acpv zwischen zwei Messungen mit Vergleichs- Strahlen (V).
2. Interferometer-System nach Anspruch 1, umfassend eine Referenzinterferometer- Anordnung (13) enthaltend ein Interferometer mit einer bekannten Referenzdistanz DR, ausgelegt zur Bestimmung einer Frequenzänderung der Mess-Laserquelle (10a), wobei die Distanz-Bestimmungseinheit bevorzugt zur Bestimmung der Distanz eines Objekts (O) zu einer Referenz (8) basierend auf den gemessenen Anzahl AcpM der Phasendurchläufe des Mess-Strahls (M) und der bekannten Referenzdistanz DR erfolgt.
3. Interferometer-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Durchstimmungseinheit (14), welche zur Durchstimmung der Frequenz eines Mess- Strahls (M) der Mess-Laserquelle (10a) ausgelegt ist, wobei die Durchstimmungseinheit (14) bevorzugt dazu ausgelegt ist, die Mess-Laserquelle (10a) so durchzustimmen, dass der Betrag der Änderung der Frequenz des Mess-Strahls (M) größer als 100 MHz ist, insbesondere größer als 1 GHz.
4. Interferometer-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Stabilisierungseinheit (12) zur Stabilisation des Strahls (M, V) einer der Laserquellen (10) auf eine vorbestimmte Frequenz, bevorzugt
- eine erste Stabilisierungseinheit (12), insbesondere mit einem ersten Kopplungsmedium (K), ausgelegt zur optischen Stabilisation der Mess-Laserquelle (10a) auf eine vorbestimmte Frequenz und/oder
- eine zweite Stabilisierungseinheit (12), insbesondere mit einem zweiten Kopplungsmedium (K), ausgelegt zur optischen Stabilisation der Vergleichs- Laserquelle (10b) auf eine vorbestimmte Frequenz, wobei ein bevorzugtes Kopplungsmedium (K) insbesondere Jod oder Rubidium umfasst.
5. Interferometer-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein Strahlführungselement (3), bevorzugt einen Lichtleiter, z.B. eine Glasfaser, ausgelegt zur Führung des Strahls (M, V) zumindest einer der Laserquellen (10), insbesondere beider Laserquellen (10), in die Messinterferometer-Anordnung, wobei das Strahlführungselement (3) bevorzugt so gestaltet ist, dass bei einer Messung die Strahlen (M, V) beider Laserquellen (10) mittels Lichtleitern auf einen einzigen Lichtleiter geführt werden, und besonders bevorzugt V- oder Y-förmig ist.
6. Interferometer-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Selektionseinheit (2), insbesondere einen Chopper, ausgelegt zum alternierenden Ausblenden des Strahls (M, V) jeweils einer der beiden Laserquellen (10), so dass zu einem Messzeitpunkt nur der Mess-Strahl (M) der Mess-Laserquelle (10a) in die Messinterferometer-Anordnung (9) fällt und zu einem anderen Messzeitpunkt nur der Vergleichs-Strahl (V) der Vergleichs-Laserquelle (10b) in die Messinterferometer- Anordnung (9) fällt, wobei das Interferometer-System (1) bevorzugt so gestaltet ist, dass bei einer Messung mittels der Messinterferometer-Anordnung (9) eine alternierende Distanzmessung mit dem Mess-Strahl (M) und dem Vergleichs-Strahl (V) erfolgt.
7. Interferometer-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein Hilfsinterferometer ausgelegt zur Bestimmung einer Durchstimmgeschwindigkeit einer der Laserquellen (10), insbesondere des Mess-Strahls (M), und insbesondere zusätzlich ausgelegt zur Überwachung einer Modenreinheit einer der Laserquellen (10).
8. Messverfahren zur Bestimmung einer Distanz eines Objekts (O) zu einer Referenz (8) mit einem Interferometer-System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfassend die Schritte:
- Einstellen der Mess-Laserquelle (10a) auf eine erste Frequenz vM, und bevorzugt Stabilisieren dieser Frequenz mit einer Stabilisierungseinheit (12), Aussenden eines ersten Mess-Strahls (M) der Mess-Laserquelle (10a) mit dieser Frequenz auf ein Objekt (O) in der Messinterferometer-Anordnung (9), und Messung einer Interferenzphase mit der Messinterferometer-Anordnung (9),
- Einstellen einer Vergleichs-Laserquelle (10b) auf eine erste Frequenz vv, und bevorzugt Stabilisieren dieser Frequenz mit einer Stabilisierungseinheit (12), Aussenden eines ersten Vergleichs-Strahls (V) der Vergleichs-Laserquelle (10b) mit dieser Frequenz auf das Objekt (O) in der Messinterferometer-Anordnung (9) und Messung einer Interferenzphase cpVi mit der Messinterferometer-Anordnung (9), wobei diese Messung vor einem Durchstimmen des Mess-Laserquelle (10a) erfolgt,
- Durchstimmen der Mess-Laserquelle (10a) über den Mess-Frequenzbereich AvM, Aussenden weiterer Mess-Strahlen (M) der Mess-Laserquelle (10a) und Messung der Anzahl der Phasenübergänge AcpM der Interferenzphase während des Durchstimmens in der Messinterferometer-Anordnung (9) mittels der Phasen- Bestimmungseinheit (16),
- mehrfaches Aussenden eines weiteren Vergleichs-Strahls (V) der Vergleichs- Laserquelle (10b) auf das Objekt (O) und Messung einer weiteren Interferenzphase cpv2 mit der Messinterferometer-Anordnung (9), wobei diese Messung simultan zu dem Durchstimmen des Mess-Laserquelle (10a) erfolgt,
- Berechnung der Distanz des Objekts (O) zur Referenz (8) aus dem Verhältnis der gemessenen Phasenübergänge AcpM, von Acpv = | Acpvi - AcpV2|, des Mess- Frequenzbereichs AVM, und bevorzugt auch einer Frequenz vM eines der Mess- Strahlen (M) sowie einer Frequenz vv eines der Vergleichs-Strahlen (V), unter Bildung einer gewichteten Phasendifferenz Arp, besonders bevorzugt nach der Formel Acp = A<PM - Acpv ■ VM/VV.
9. Messverfahren nach Anspruch 8, wobei eine Messung zumindest der Mess-Strahlen (M) an einer Referenzinterferometer-Anordnung (13) mit einer bekannten Referenzdistanz DR erfolgt, und während des Durchstimmens der Mess-Laserquelle (10a) über den Mess-Frequenzbereich AvM, zusätzlich zur Messung der Anzahl der Phasenübergänge AcpM auch eine Messung der Anzahl der Phasenübergänge AcpR der Interferenzphase in der Referenzinterferometer-Anordnung (13) mittels der Phasen- Bestimmungseinheit (16) erfolgt, wobei danach die Distanz aus der Referenzdistanz DR und einem Verhältnis basierend auf den Anzahlen der gemessenen Phasenübergänge bestimmt, insbesondere mittels gewichteter Phasendifferenzen.
10. Messverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zusätzlich eine weitere Berechnung der Distanz basierend auf einem Zwei-Wellenlängen-Verfahren erfolgt, insbesondere unter Verwendung der gemessenen Werte zu einer Messung mit Mess-Strahl (M) und einer Messung mit Vergleichs-Strahl (V), und/oder wobei basierend auf den gemessenen Werten zusätzlich eine weitere Berechnung der Distanz basierend auf einem Ein-Wellenlängen-Verfahren erfolgt, insbesondere unter Verwendung der gemessenen Werte zu einer Messung mit Mess-Strahl (M) oder einer Messung mit Vergleichs-Strahl (V).
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