WO1990011484A1 - Interferometeranordnung, insbesondere zur entfernungs- bzw. verschiebewegbestimmung eines beweglichen bauteiles - Google Patents

Interferometeranordnung, insbesondere zur entfernungs- bzw. verschiebewegbestimmung eines beweglichen bauteiles Download PDF

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WO1990011484A1 PCT/EP1990/000423 EP9000423W WO9011484A1 WO 1990011484 A1 WO1990011484 A1 WO 1990011484A1 EP 9000423 W EP9000423 W EP 9000423W WO 9011484 A1 WO9011484 A1 WO 9011484A1
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measuring
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interferometer arrangement
mode waveguide
interferometer
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Gerhard Leuchs
René Lazecki
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Tabarelli, Werner
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    • G01B2290/70—Using polarization in the interferometer

Definitions

  • Interferometer arrangement in particular for determining the distance or displacement path of a movable component
  • the invention relates to an interferometer arrangement, in particular for determining the distance or displacement path of a movable component, with a
  • Laser light source with a beam splitter for dividing the light emitted by the laser light source into a reference beam and a measuring beam, the measuring beam being guided through a single-mode waveguide and from there via a collimating decoupling lens or decoupling lens arrangement to the at least partially extending and arrives via a movable measuring path, with a recombination device on which the reference beam guided over a reference path and the measuring beam returning from the measuring path interfere, and with a detector device for analyzing at least one interference signal emerging from the recombination device.
  • interferometer arrangements are suitable for determining the distance or determining the displacement path and thus for detecting the position or changes in position of movable components, for example machine components. In practice, especially at the
  • Wavefront distortions of the measuring beam returning from the measuring section represent. Such wavefront distortions result from air streaks and, above all, in the industrial application of contaminants (oil vapors, etc.) of the air in which the
  • Interferometers for length measurement are also known, in which single-mode waveguides (single-mode glass fibers) are used. In such single-mode glass fibers, the light spreads with well-defined wavefronts.
  • a known interferometer couples light from a single-mode glass fiber through a lens onto the measuring section. The light reflected back from a flat mirror then returns to this glass fiber via the same lens.
  • Other known interferometers also use planar measuring mirrors which reflect the measuring beam back into themselves, a part of the light reflected by the measuring mirror being coupled back into the glass fiber originating from the light source and thus into the light source. Because of the high sensitivity to tilting of the flat measuring mirror, such interferometers are not suitable for measuring distances in the centimeter range and above. In addition, light which is reflected in the measurement beam reaches the laser light source.
  • the object of the invention is to provide a compact and inexpensive interferometer that can be adjusted at the place of use with little effort, in which practically no laser light can return from the interferometer to the laser light source and with which, in particular, the distances or displacement distances that occur in industrial use (typically in the centimeter-meter range and above) can be detected precisely and reliably.
  • a coupling lens or coupling lens arrangement are provided which couples the measuring beam reflected back by the measuring mirror designed as a retroreflector with beam offset into the second single-mode waveguide
  • the measuring beam at the measuring mirror is not thrown back into itself, but is coupled into a second single-mode waveguide with a beam offset via a separate coupling lens (or a coupling lens arrangement composed of several coupling systems).
  • the retroreflector used ie a Reflector, which can throw rays lying in a certain angular range at least in a certain plane of incidence regardless of the angle of incidence parallel to itself with beam offset
  • the retroreflector preferably has a triple mirror or triple prism, the property of the tilt invariance (even when the ret roref lecturer is rotated, the reflected beam remains parallel to the incident beam), which has an advantage over longer mirrors compared to flat mirrors.
  • a triple mirror reflects incident ones in a certain solid angle range
  • the adjustment effort in the area of the measuring beam is considerably reduced.
  • the interferometer is then correctly adjusted (assuming a relatively simple pre-adjustment of the other optical components) if sufficient light is coupled into the second glass fiber.
  • this is primarily due to the property of the retroreflector to always reflect rays in parallel, and by suitable ones
  • Lens dimensions are not particularly critical.
  • the interferometer will be designed so that the single-mode waveguide from which the measuring beam is coupled out and the second single-mode waveguide are parallel in their end region facing the measuring section lie.
  • it can preferably be provided that at least the end regions of the single-mode waveguide facing the measuring section, from which the measuring beam is coupled out, and the second single-mode waveguide on a common one Carrier are fixed, the coupling and decoupling lenses are attached to this carrier.
  • Such wavefront distortions lead to intensities outside the axis in the focal plane of the coupling lens (outside the diffraction-limited diameter around the focal point where the entry point of the second glass fiber is located) and do not get into the second waveguide and are therefore masked out by the spatial filter.
  • the room filter i.e. after the entrance surface of the second single-mode waveguide, one has a measuring beam "cleaned" of wavefront distortions with an almost ideal wavefront, which is then brought into interference with the reference beam.
  • the interference signal obtained in this way is of high quality and delivers flawless measurement results.
  • Such a waveguide can advantageously be designed as a waveguide path that has diffused onto a wafer. It is particularly advantageous if the
  • Single-mode waveguide of the interferometer, the beam splitter and the recombiner are integrated on the same wafer, and the reference beam as well Interference signal originating from the recombination device is also guided in single-mode waveguide tracks which are diffused in the same wafer. Thanks to this integrated design, a large part of the optical signal
  • Wavefront distortions "cleaned" measuring beam Due to the almost exclusive use of integrated optical components, a considerable price advantage over known interferometers can also be achieved.
  • the use of waveguide tracks diffused into a wafer for an interferometer is already known per se.
  • the measuring beam emerging from the waveguide path is caused by a plane mirror arranged at a short distance from the exit point
  • the beam splitter and the recombination device are separate optical elements.
  • the beam splitter and the recombination device are separate optical elements.
  • Single-mode waveguides are guided, the beam splitter and the recombination device being formed by waveguide couplers.
  • Figures 1 to 3 show schematic representations of exemplary embodiments of the interferometer arrangement according to the invention.
  • the interferometer arrangement shown in FIG. 1 has a laser light source 1 (preferably a laser diode), the light of which is coupled into a single-mode waveguide track 2 which is diffused onto a wafer 3 made of lithium niobate.
  • a beam splitter B the division into the measuring beam, which is initially continued in the waveguide path 4, and into the reference beam, which is also integrated in the wafer 3, takes place
  • Reference branch 5 leads via a mirror 6 to the recombination device A.
  • the measuring beam emerges from the waveguide 4 and is collimated with a decoupling lens 7.
  • the measuring section now leads through the gaseous ambient medium (usually air) and over a retroreflector 8 (triple mirror), which is attached, for example, to a tool slide, not shown.
  • This retroreflector 8 sends the measuring beam back in parallel offset, a lateral displacement of the retroreflector or its tilt does not change the direction of the retroreflective measuring beam, but only to a non-critical extent its parallel offset.
  • the measuring beam returning from the retroreflector 8 is coupled into a second single-mode waveguide 11 through a separate coupling lens 9. This prevents feedback of disruptive laser light into the laser diode 1.
  • the surface 10 of the single-nm waveguide 9 diffused into the wafer 3 in the focal plane of the lens 9 acts as a spatial filter, which fades out intensities caused by wavefront distortions lying outside the focal range. Since it is a single-mode waveguide, the wavefront of the measuring beam coupled into the waveguide 11 via the lens 9 is almost ideal. Wavefront distortions along the measurement path via the retroreflector 8 only lead to a deterioration in the coupling. To adjust the interferometer arrangement according to the invention, only a sufficient amount of light needs to get into the waveguide path 11 diffused into the wafer 3.
  • a coupling into the second waveguide is typically carried out for those beams which impinge on the coupling lens in the millimeter range around the lens axis, which is not a particularly critical requirement.
  • the measuring beam returning from the measuring section is brought into interference in the recombination device designed as beam splitter A with the reference beam guided in the reference branch 5.
  • the interference signals are then detected by detectors 12 a - d and in one evaluated electronic remote switching, not shown.
  • the exemplary embodiment shown is a single-frequency interferometer, in which two different polarization directions of the light emitted by the light source 1 are used in order to obtain information about the direction of movement of the retroreflector 8.
  • a polarization-dependent phase retarder 13 is integrated in front of the recombination device, which causes, for example, a relative phase difference of 90 ° between the two polarization directions.
  • the two complementary outputs of the recombination device A are also included via waveguide tracks 14 and 15 diffused into the wafer 3
  • Influencing factors or actually come from a movement of the ret roref lecturer After the combination of the measuring and reference beams, one not only uses an interference signal beam, but also uses it
  • Beam splitter which delivers a complementary interference signal. Now that all influences, the intensity change disturbing, act on both complementary signals in the same way, while only an actual method of the slide leads to a change in the interference pattern and thus to relative intensity shifts of the two complementary signals, this procedure also gives homodyne laser interferometers the possibility of how in the two-frequency device (heterodyne method) described below, to reliably detect a standstill of the mechanical system.
  • the interferometer arrangement according to the invention can also be operated heterodyne, two light frequencies having different frequencies being used.
  • the lithium niobate material used has the advantage that acousto-optic modulators can also be integrated, these being vapor-deposited in order to obtain a light frequency shifted by the acoustic frequency. M a n would then have to install such an acousto-optic modulator shortly before the measuring beam emerges from the wafer 3, although it may be advisable for signaling reasons to install a second acousto-optic modulator in the reference beam in order to avoid direct crosstalk into the detection electronics.
  • Interferometer is then only a detection photodiode on place of the four photo elements 12 a - d necessary.
  • the polarization-dependent phase retarder and the polarization beam splitters 16 and 17 can also be omitted.
  • Measuring beam since both have ideal wave fronts in the one-wave - wave.
  • most of the optical components can already be pre-adjusted.
  • Reference path 5 and the sum of the parts 4 and 11 of the measuring path running in the wafer are of equal length, the interferometer is also largely independent of the temperature of the wafer 3.
  • Laser diodes 1 are particularly suitable as light sources, since they take up little space and are inexpensive.
  • the measurement result of an interferometer is available in units of the air wavelength present on the measuring section, which in turn depends on the frequency of the light and the refractive index of the surrounding medium (mostly air), it is advantageous to continuously determine this air wavelength using your own device.
  • the frequency of the light source is known, a refractive index determination is sufficient to know the air wavelength.
  • the determination of the refractive index can be determined using the so-called parameter method by determining the air temperature, the air humidity and the air pressure. If one also wants to include the frequency of the light source in the determination of the air waves, there is the possibility of a comparison with a body (etalon), in which the same environmental conditions prevail as on the measuring section. In such a case, it is necessary to branch light from the light source out of the actual interferometer. In the simplest case, this is done via a beam splitter C, which is immediately after the
  • Light source is arranged in the beam path.
  • the measurement path leads, an excellent constancy and reproducibility of the optical beam guidance is achieved.
  • glass and, for example, are also suitable as wafer materials
  • Gallium arsenide In addition to the possibility of integrating the single-mode waveguide on a wafer, there is also the possibility of using glass fibers as the single-mode waveguide, as is the case with the exemplary embodiment shown in FIG. 2.
  • the interferometer shown in Fig. 2 is used to detect the displacement of a movable component (not shown) on which the triple mirror 8 is conveniently attached directly. That from one
  • Laser diode 1 originating laser light is coupled into the glass fiber 2 and then arrives at the coupler B, which divides the light into those belonging to the measuring branch
  • Glass fiber 4 and the glass fiber 5 belonging to the reference branch performs, via a decoupling lens 7, the light from the glass fiber 4 arrives at the actual measuring section running in the ambient medium (air) and is reflected back with the beam offset by the triple mirror 8 parallel to itself.
  • a separate coupling lens 9 now couples the reflected steel back into a second single-mode waveguide (glass fiber 11).
  • the end regions of the glass fibers 4 and 11 facing the measuring section are parallel, which means that there is no need for complex deflection devices
  • Measuring beam is given in the glass fiber 11.
  • these can be fastened on a common carrier 18, which advantageously also carries the decoupling lens 7 and the coupling lens 9, which also ensures their relative adjustment to the glass fibers 4 and 11, respectively.
  • the coupling-in lens 9 and the coupling-out lens 7 are advantageously of the same design and in particular have the same focal length.
  • Gradient index lenses are particularly suitable as coupling and decoupling lenses, which can be attached directly to the carrier 18 via their flat connecting surface.
  • the light returned from the measuring section in the glass fiber 11 and the light guided in the glass fiber 5 of the reference branch are recombined in the coupler A.
  • the preferably 90 phase shift between the two polarizations for detecting the direction of movement of the measuring slide can be achieved in a known manner via total reflection in the triple prism or with a birefringent quarter-wave plate (not shown in FIG. 2) in the measuring beam.
  • the interference signals at the two outputs from coupler A are with a polarization beam splitter or with a
  • Beam splitters and polarizations are detected separately according to the polarization states perpendicular to one another (detectors 12a, b, c, d). According to the execution for example in FIG. 2, the polarization-state-dependent division takes place via two beam splitters A1 'and A2' and four polarization filters 26a-d arranged in front of each detector 12a-d. If polarization beam splitters are used instead of beam splitters A1 'and A2', polarization filters 26a-d can be omitted.
  • the polarization-dependent signal division can be any suitable polarization-dependent signal division.
  • FIGS. 2a and 2b it can also be done as shown in FIGS. 2a and 2b, as shown in FIGS. 2a and 2b (see also V a r i a n t e n d i e s e
  • a lens 27 is provided, which is just in front of the two
  • Exit points of the recombination device A is arranged.
  • the two beams imaged by the lens 27 reach a polarization beam guide A3 and from there to the four detectors 12a-d.
  • the beam splitters A1 'and A2' are dispensed with and the divergent radiation cones 28, 29 from the two exit fibers of the recombination device A are used to obtain a spatial and ultimately via the polarization filters 26a-d to achieve the polling state-dependent signal distribution.
  • the detectors 12a-d are connected to an electronic evaluation circuit 19.
  • Light source 1 originating except for the
  • Measuring medium running in the surrounding medium is guided in single-mode wave conductors (glass fibers), which largely eliminates the influence of stray light and at the
  • the beam splitter for dividing the light into the measuring beam and reference beam is also used as a recombination device at which the measuring beam and the reference beam are brought into interference.
  • the beam splitter (coupler B) and the recombination device (coupler A) are separate optical components in order to prevent the effects of
  • the sum of the glass paths in the glass fibers 4 and 11 and the path in the glass fiber 5 are preferably of the same length in order not to have any relative length changes between the reference and measuring branches in the event of any temperature fluctuations.
  • Beam cone from the waveguide lens focal lengths in the range of 1 mm to 10 mm, preferably between 2 and 4 mm are particularly favorable if you want to record displacement distances in the meter range.
  • the same reference numerals designate the same or equivalent components as in FIGS. 1 and 2.
  • the essential difference between the embodiment shown in FIG. 3 and the embodiment shown in FIG. 1 is that In the embodiment shown in FIG. 1, two different polarizations are used, one of which is phase-delayed relative to the other, preferably by 90 °, in order to ultimately obtain out-of-phase interference signals, while in the embodiment shown in FIG. simply polarized light comes out and the phase-shifted desired for detecting the direction of movement of the retroreflector 8
  • Interference signals are generated in spatially separate evaluation channels, as will be described in more detail below.
  • a beam splitter 20 divides the reference beam of the
  • Reference branch 5 into two separate reference beam branches 24 and 25.
  • the beam splitter unit 21 divides that from the measuring section into the second
  • Single-mode waveguide 11 coupled measuring beam into two measuring beams which are guided in the waveguides 26 and 27.
  • the two recombining devices A 1 and A 2 we have a new measurement and a partial beam brought to interference. It is now crucial that the relative
  • phase position between the measuring partial beam and the reference partial beam at the recombination device A1 on the one hand and at the recombination device A2 on the other hand is different, which means that of the detectors 12a and 12c on the one hand and 12b and 12d on the other
  • Phase trimming device is provided with which, for example, a phase shift of 90 ° can be caused.
  • the lines of light propagation shown in FIG. 3 can be implemented in practice as glass fibers or in an optically integrated construction.
  • twistable glass fiber loops can be used for trimming. (This effect has recently become known in connection with the BERRY phase.)
  • interferometer according to the invention can be operated not only with visible light, but also, for example, with infrared light.

Abstract

Interferometeranordnung zur Entfernungs- bzw. Verschiebewegbestimmung eines beweglichen Bauteiles, mit einer Laserlichtquelle (1), mit einem Strahlteiler (B) zur Aufteilung des von der Laserlichtquelle emittierten Lichtes in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl. Der Meßstrahl ist zunächst in einem Einmoden-Wellenleiter (4) geführt und gelangt von diesem über eine kollimierende Auskoppellinse (7) auf die zumindest teilweise in Luft verlaufende und über einen beweglichen Meßspiegel (8) führende Meßstrecke. In einer Rekombinationseinrichtung (A) interferieren der über eine Referenzstrecke (5) geführte Referenzstrahl und der von der Meßstrecke zurückkehrende Meßstrahl. Eine Detektoreinrichtung (12a-d, 19) analysiert aus der Rekombinationseinrichtung (A) austretende Interferenzsignale. Erfindungsgemäß sind ein zweiter Einmoden-Wellenleiter (11) und eine gesonderte Einkoppellinse (9) vorgesehen, welche den durch den als Retroreflektor (8) ausgebildeten Meßspiegel mit Strahlversatz zurückreflektierten Meßstrahl in den zweiten Einmoden-Wellenleiter (11) einkoppelt.

Description

Interferometeranordnung, insbesondere zur Entfernungs- bzw. Verschiebewegbestimmung eines beweglichen Bauteiles
Die Erfindung betrifft eine Interferometeranordnung, insbesondere zur Entferungs- bzw. Verschiebewegbestimmung eines beweglichen Bauteiles, mit einer
Läserlichtquelle, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung des von der Laserlichtquelle emittierten Lichtes in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl, wobei der Meßstrahl durch einen Einmoden-Wellenleiter geführt ist und von diesem über eine kollimierende Auskoppellinse bzw. Auskoppellinsenanordnung auf die zumindest teilweise in einem gasförmigen Umgebungsmedium verlaufende und über einen beweglichen Meßspiegel führende Meßstrecke gelangt, mit einer Rekombinationseinrichtung, an der der über eine Referenzstrecke geführte Referenzstrahl und der von der Meßstrecke zurückkehrende Meßstrahl interferieren, und mit einer Detektoreinrichtung zur Analyse zumindest eines aus der Rekombinationseinrichtung austretenden InterferenzsingaIs. interferometeranordnungen eignen sich prinzipiell zur Abstandsbestimmung bzw. Verschiebewegbestimmung und somit zur Erfassung der Lage bzw. von Lageänderungen von beweglichen Bauteilen, beispielsweise Maschinenbauteilen. In der Praxis, insbesondere bei der
industriellen Anwendung hat sich jedoch gezeigt, daß vor allem die bekannten Einfrequenz-Interferometer- anordnungen, bei denen transversale räumliche Interferenzfiguren beobachtet werden, äußerst schwierig justierbar sind. Ein Problem stellen auch praktisch unvermeidbare
Wellenfrontverzerrungen des von der Meßstrecke zurückkommenden Meßstrahles dar. Derartige Wellenfrontverzerrungen rühren von Luftschlieren und vor allem bei der industriellen Anwendung auftretender Verunreinigungen (öldämpfe etc.) der Luft, in der sich der
Meßstrahl ausbreitet, sowie von Ungenauigkeiten der verwendeten optischen Komponenten her. Die letzgenannten Ungenauigkeiten der optischen Komponenten ließen sich allenfalls durch entsprechend teure Komponenten vermeiden. Damit verteuert sich aber die gesamte Interferometeranordnung wesentlich und Wellenfrontverzerrungen des Meßstrahles aufgrund der in der Praxis auftretenden Luftbedingungen sind immer noch nicht vermieden. Die genannten Wellenfrontverzerrungen führen bei bekannten Einfrequenzen zu einer Veränderung des beobachteten räumlichen Interferenzmusters und damit zu einer Verfälschung des Meßergebnisses. Aber auch bei bekannten Zweifrequenz-Heterodyn-Interferometern, bei denen die Schwebungsfrequenz zwischen Meß- und Referenzstrahl leicht verschiedener Frequenz beobachtet wird, wirken sich die genannten Wellenfrontverzerrungen ungünstig aus. Sie verringern nämlich, wie auch bereits geringe Abweichungen von der ideal exakten Justierung, die Güte der Interferenz, also den auszuwertenden Modulationshub des oszillierenden Interferenzsignals im Verhältnis zum Signalhintergrund.
Es sind bereits auch Interferometer zur Längenmessung bekannt, bei denen Einmoden-Wellenleiter (Monomode- Glasfasern) zum Einsatz kommen. In solchen Monomode- Glasfasern breitet sich das Licht mit wohldefinierten Wellenfronten aus. Ein bekanntes Interferometer koppelt beispielsweise Licht aus einer Monomode-Glasfaser über eine Linse auf die Meßstrecke aus. Das von einem ebenen Spiegel zurückreflektierte Licht gelangt dann über dieselbe Linse wieder in diese Glasfaser zurück. Auch andere bekannte Interferometer verwenden ebene Meßspiegel, die den Meßstrahl in sich zurückwerfen, wobei auch hier ein Teil des vom Meßspiegel zurückgeworfenen Lichtes in die von der Lichtquelle stammende Glasfaser und damit in die Lichtquelle zurückgekoppelt wird. Wegen der großen Empfindlichkeit auf Verkippungen des ebenen Meßspiegels sind solche Interferometer für Meßstrecken im Zentimeterbereich und darüber nicht geeignet. Außerdem gelangt durch den in sich zurückgeworfenen Meßstrahl Licht in die Laserlichtquelle.
Es hat sich gezeigt, daß besonders Laserdioden sehr empfindlich auf zurückreflektiertes Licht reagieren und daher dort zurückreflektiertes Licht besonders kritisch und unerwünscht ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes und kostengünstiges Interferometer zu schaffen, das am Einsatzort mit geringem Aufwand justierbar ist, bei dem praktisch kein Laserlicht aus dem Interferometer in die Laserlichtquelle zurückgelangt und mit dem insbesondere auch die bei der industriellen Anwendung auftretenden Entfernungen bzw. Verschiebewege (typischerweise im Zentimeter-Meterbereich und darüber) genau und zuverlässig erfaßbar sind.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß ein zweiter Einmoden-Wellenleiter und eine gesonderte
Eιnκoppellinse bzw. Einkoppellinsenanordnung vorgesehen sind, welche den durch den als Retroreflektor ausgebildeten Meßspiegel mit Strahlversatz zurückreflektierten, Meßstrahl in den zweiten Einmoden-Wellenleiter einkoppelt
Beim erfindungsgemäßen Inferferometer wird der Meßstrahl am Meßspiegel nicht in sich selbst zurückgeworfen, sondern mit Strahlversatz über eine gesonderte Einkoppellinse (bzw. eine aus mehreren zu einem Linsensystem zusammengefaßten Einkoppellinsenanordnung) in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter eingekoppelt.
Dieser konstruktive Mehraufwand stellt sicher, daß kein störendes Licht vom Interferometer in die Laserlichtquelle zurückgekoppelt wird und bringt damit vor allem bei Laserdioden, die ihre Emission bei zurückgekoppeltem Licht empfindlich ändern, entscheidende
Vorteile. Der verwendete Retroreflektor (d.h. ein Reflektor, der in einem bestimmten Winkelbereich zumindest in einer bestimmten Einfallsebene Liegende Strahlen unabhängig vom Einfallswinkel parallel zu sich selbst mit Strahlversatz zurückwerfen kann) stellt bei der Justage gegenüber ebenen Spiegeln keinen Nachteil dar. Es hat sich gezeigt, daß die beim seitlichen Verschieben des Retroreflektors auftretende Strahlversatzänderung bei geeigneter Wahl der Aus- und Einkoppellinsen leicht zu beherrschen ist, daß also das Treffen des zweiten Einmoden-Wellenleiters bzw. der Einkoppellinse eine Einkopplung des von der Meßstrecke zurückkehrenden
Wellenleiters relativ unkritisch ist. Außerdem weist der Retroreflektor vorzugsweise einen Tripelspiegel oder Tripelprisma, die Eigenschaft der Kippinvarianz (auch beim Verdrehen des Ret roref Lektors bleibt der reflektierte Strahl parallel zum einfallenden Strahl) auf, was vor allem bei längeren Meßstrecken gegenüber ebenen Spiegeln einen Vorteil bringt. Ein Tripelspiegel reflektiert in einem bestimmten RaumwinkeIbereich einfallende
Lichtstrahlen parallel zu sich selbst zurück.
Gegenüber herkömmlichen Interferometern ohne Verwendung von Lichtleitern reduziert sich der Justieraufwand im Bereich des Meßstrahles erheblich. Das Interferometer ist dann richtig justiert (eine relativ einfache VorJustierung der übrigen optischen Komponenten vorausgesetzt), wenn ausreichend Licht in die zweite Glasfaser gekoppelt wird. Wie bereits oben erwähnt, ist dies vor allem durch die Eigenschaft des Retroreflektors, Strahlen immer parallel zurückzuwerfen, und durch geeignete
Linsendimensionierungen nicht besonders kritisch.
Günstigerweise wird man das Interferometer so ausbilden, daß der Einmoden-Wellenleiter, aus dem der Meßstrahl ausgekoppelt wird, und der zweite Einmoden-Wellenleiter in ihrem der Meßstrecke zugewandten Endbereich parallel liegen. Um eine genaue relative Justierung der gesonderten Ein- und Auskoppellinsen- und Wellenleiter zu erzielen, kann bevorzugt vorgesehen sein, daß zumindest die der Meßstrecke zugewandten Endbereiche des Einmoden- Wellenleiters, aus dem der Meßstrahl ausgekoppelt wird, und des zweiten Einmoden-Wellenleiters auf einem gemeinsamen Träger festgelegt sind, wobei die Ein- und Auskopplungslinsen an diesem Träger befestigt sind.
Durch die erfindungsgemäße Einkoppelung des Meßstrahles in eine zweite Glasfaser bzw. Einmoden-Wellenleiter erzielt man einen Raumfiltereffekt durch den Wellenfrontverzerrungen des von der Meßstrecke zurückkehrenden Meßstrahles beseitigt bzw.
stark verringert werden. Solche Wellenfrontverzerrungen führen nämlich in der Brennebene der Einkopplungslinse zu Intensitäten außerhalb der Achse (außerhalb des beugungsbeg renzt en Durchmessers um den Brennpunkt, wo die Eintrittsstelle der zweiten Glasfaser liegt) und gelangen nicht in den zweiten Wellenleiter, werden also vom Raumfilter ausgeblendet. Nach dem Raumfilter, d.h. nach der Eintrittsfläche des zweiten Einmoden-Wellenleiters, hat man also einen von Wellenfrontverzerrungen "gereinigten" Meßstrahl mit nahezu idealer Wellenfront, der dann mit dem Referenzstrahl zur Interferenz gebracht wird. Das so erhaltene Interferenzsignal weist eine hohe Güte auf und liefert einwandfreie Meßergebnisse.
Da es sich um einen Einmoden-Wellenleiter handelt, ist die Wellenfront im Wellenleiter nahezu ideal. Wellenfrontverzerrungen entlang der Meßstrecke verschlechtern lediglich die Einkoppelung in den Wellenleiter. Ein derartiger Wellenleiter kann günstigerweise als eine auf einen Wafer eindiffundierte Wellenleiterbahn ausgebildet sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die
Einmoden-Wellenleiter des Interferometers, der Strahlteiler und die Rekombinationseinrichtung auf demselben Wafer integriert sind, und der Referenzstrahl sowie das aus der Rekombinationseinrichtung stammende Interferenzsignal ebenfalls in einmodigen Wellenleiterbahnen geführt ist, die im selben Wafer indiffundiert sind. Durch diese integrierte Bauweise ist ein Großteil der optischen
Komponenten fix vorjustiert und man erhält eine ideale Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem von
Wellenfrontverzerrungen "gereinigten" Meßstrahl. Durch die fast ausschließliche Verwendung von integrierten optischen Komponenten kann auch ein erheblicher Preisvorteil gegenüber bekannten Interferometern erzielt werden. Die Verwendung von in einem Wafer eindiffundierten Wellenleiterbahnen für ein Interferometer ist zwar an sich bereits bekannt. Beim bekannten integrierten Interferometer wird aber der aus der Wellenleiterbahn austretende Meßstrahl durch einen in geringem Abstand von der Austrittsstelle angeordneten ebenen Spiegel
teilweise in denselben Wellenleiter zurückgeworfen, womit sich das bekannte Interferometer ausschließlich zur Messung von äußerst geringen Verschiebungen des ebenen Meßspiegels eignet und daher für die industrielle Anwendung nicht in Frage kommt. Außerdem kommt es dabei auch zu den eingangs erwähnten unerwünschten Rückkopplungen in die Lichtquelle.
Selbstverständlich ist es auch möglich und für einige Anwendungen auch vorteilhaft, wenn der Strahlteiler und die Rekombinationseinrichtung gesonderte optische Elemente sind. Wie bei der oben beschriebenen optisch integrierten Variante ist es auch hier im Hinblick auf eine einfache wohldefinierte Justierung günstig, wenn das aus der Lichtquelle stammende Licht in der gesamten Interferometeranordnung bis auf die im Umgebungsmedium zwischen Aus- und Einkoppellinse (nanordnung) über den Retroreflektor ver laufende Meßstrecke und gegebenenfalls bis auf den
Bereich hinter der Rekombinationseinrichtung in
Einmoden-Wellenleitern geführt ist, wobei der Strahlteiler und die Rekombinationseinrichtung durch Wellenleiterkoppler gebildet sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von Ausführungsbeispielen in der folgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Interferometeranordnung.
Die in Fig. 1 gezeigte Interferometeranordnung weist eine Läserlichtquelle 1 (vorzugsweise eine Laserdiode) auf, deren Licht in eine Einmoden-Wellenleiterbahn 2 eingekoppelt wird, welche auf einem Wafer 3 aus Lithium- Niobat eindiffundiert ist. In einem Strahlteiler B erfolgt die Aufteilung in den Meßstrahl, der zunächst in der Wellenleiterbahn 4 weitergeführt ist und in den Referenzstrahl, der im ebenfalls im Wafer 3 integrierten
Referenzzweig 5 über einen Spiegel 6 zur Rekombinationseinrichtung A führt. Der Meßstrahl tritt aus dem WellenLeiter 4 aus und wird mit einer Auskoppellinse 7 kollimiert. Die Meßstrecke führt nun durch das gasförmige Umgebungsmedium (meist Luft) und über einen Retrore- flektor 8 (Tripelspiegel), der beispielsweise an einem nicht dargestellten Werkzeugschlitten befestigt ist.
Dieser Retroreflektor 8 schickt den Meßstrahl parallel versetzt wieder zurück, wobei eine seitliche Verschiebung des Retroreflektors oder dessen Verkippung die Richtung des zurückstrahlenden Meßstrahles nicht verändert, sondern lediglich in einem unkritischnn Ausmaß seinen Parallelversatz. Erfindungsgemäß wird der vom Retroreflektor 8 zurückkehrende Meßstrahl durch eine gesonderte Einkoppellinse 9 in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter 11 eingekoppelt. Damit wird eine Rückkopplung von störendem Laserlicht in die Laserdiode 1 vermieden.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wirkt die in der Brennebene der Linse 9 um den Brennpunkt herum angeordnete Fläche 10 des in den Wafer 3 eindiffundierten Ei nmoden-Wellenleiters 9 als Raumfilter, welcher außerhalb des Brennpunktbereiches liegende, von Wellenfrontverzerrungen hervorgerufene Intensitäten ausblendet. Da es sich um einen Einmoden-Wellenleiter handelt, ist die Wellenfront des über die Linse 9 in den Wellenleiter 11 eingekoppelten Meßstrahles nahezu ideal. Wellenfrontverzerrungen entlang der Meßstrecke über den Retroreflektor 8 führen lediglich zu einer Verschlechterung des Einkoppeins. Zur Justierung der erfindungsgemäßen Interferometeranordnung braucht lediglich ausreichend viel Licht in die im Wafer 3 eindiffundierte Wellenleiterbahn 11 gelangen. Dies ist aber nicht kritisch, da die vom Retroreflektor 8 ebenfalls parallel zurückkommenden Strahlen von der Linse 9 im selben Punkt in der Brennebene gesammelt werden und dann alle den Wellenleiter 11 treffen. Eine Einkopplung in den zweiten Wellenleiter erfolgt beim gezeigten Ausführungsbeispiel typischerweise für jene Strahlen, die im Millimeterbereich um die Linsenachse auf die Einkoppellinse auftreffen, was keine besonders kritische Anforderung darstelIt. Der von der Meßstrecke zurückkehrende Meßstrahl wird in der als Strahlteiler A ausgebildeten Rekombinationseinrichtung mit dem im Referenzzweig 5 geführten Referenzstrahl zur Interferenz gebracht. Die Interferenzsignale werden dann von Detektoren 12 a - d erfaßt und in einer nicht dargestellten elektronischen Auswärtsschaltung ausgewertet. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Einfrequenz-Interferometer, bei dem zwei verschiedene Polarisationsrichtungen des von der Lichtquelle 1 ausgesandten Lichtes benutzt werden, um eine Information über die Bewegungsrichtung des Retroreflektors 8 zu erhalten. Dazu ist vor der Rekombinationseinrichtung ein polarisationsabhängiger Phasenverzögerer 13 integriert, der beispielsweise einen relativen Phasenunterschied von 90° zwischen den beiden Polarisationsrichtungen hervorruft. Die zwei komplementären Ausgänge der Rekombinationseinrichtung A sind über im Wafer 3 eindiffundierte Wellenleiterbahnen 14 bzw. 15 mit
Polarisationsstrahlteilern 16 bzw. 17 verbunden, deren Ausgänge zu den erwähnten Photodetektoren 12 a - d führen Diese Photodetektoren 12 a - d empfangen in ihrer Phasenlage relativ zueinander verschobene Interferenzsignale, aus denen sich nicht nur der Verschiebeweg des Retroreflektors 8, sondern auch dessen Verschieberichtung eindeutig bestimmen läßt. Weiters lassen sich aus der Erfansung der Intensitäten beider komplementärer Ausgänge 14 und 15 der Rekombinationseinrichtung A Einflußfaktoren (thermische Drifts der Mechanik und Elektronik, Intensitätsschwankungen der Lichtquelle, Intensitäts- Schwankungen aufgrund geringer De Justierungen), die sonst bei homodynem Betrieb zu Meßfehlern führen können, eliminieren, sodaß festgestellt werden kann, ob
Intensitätsänderungen nur aufgrund der Änderung von
Einflußfaktoren oder tatsächlich von einer Bewegung des Ret roref Lektors stammen. Man verwertet also nach der Vereinigung von Meß- und Referenzstrahl nicht nur einen Interferenzsignal-Strahl, sondern nützt
auch den zweiten Ausgang des
StrahIteilers, der ein komplementäres Interferenzsignal Lieeert. Da nun alle Einflüsse, die die Intensität störend verändern, auf beide Komplementär-Signale in gleicher Weise einwirken, während nur ein tatsächliches Verfahren des Schlittens zur Änderung des Interferenzbildes und damit zu relativen Intensitätsverschiebungen der beiden Komplementär-Signale führt, hat man bei dieser Vorgangsweise auch beim homodynen Laserinter- ferometer die Möglichkeit wie beim weiter unten beschriebenen Zweifrequenz-Gerät (Heterodyn-Verfahren), einen Stillstand des mechanischen Systems sicher zu erkennen. Durch die Einkopplung des Meßstrahles in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter und dem damit
verknüpften Raumfiltereffekt sowie durch die idealen Wellenfronten in den Einmoden-Wellenleitern ist gewährleistet, daß man auch unter Industriebedingungen
tatsächlich wohldefinierte komplementäre Interferenzsignale erhält, die dann von der Elektronik zuverlässig ausgewertet werden können.
Grundsätzlich läßt sich die erfindungsgemäße Interferometeranordnung auch heterodyn betreiben, wobei zwei frequenzmaßig verschiedene Lichtfrequenzen verwendet werden. Das verwendete Lithium-Niobatmaterial hat den Vorteil, daß auch akustooptisehe Modulatoren integriert werden können, wobei diese aufgedampft werden, um eine um die akustische Frequenz verschobene Lichtfrequenz zu erhalten. M a n müßte dann einen solchen akustooptischen Modulator kurz vor dem Austritt des Meßstrahles aus dem Wafer 3 einbauen, wobei es aus signaltechnischen Gründen unter Umständen empfehlenswert wäre, einen zweiten akustooptisehen Modulator in den Referenzstrahl einzubauen, um direkte Übersprecher in die Nachweiselektronik zu vermeiden. Bei der heterodynen Variante des
Interferometers ist dann nur eine Nachweisphotodiode an stelle der vier Photoelemente 12 a - d nötig. Auch können der polarisationsabhängige Phasenverzögerer und die Polarisationsstrahlteiler 16 und 17 entfallen. Durch die integrierte Bauweise, bei der das Licht im Wafer in Einmoden-Wellenleiterbahnen geführt ist, erzielt man eine kompakte Bauweise und eine ausgezeichnete Interferenz zwischen Referenzstrahl und
Meßstrahl, da beide in den Ein m o d e n - W e l l e n l e i t e r n ideale Wellenfronten aufweisen. Außerdem ist damit ein Großteil der optischen Komponenten bereits vorjustierbar.
Durch die Maßnahme, daß die im Wafer verlaufende
Referenzstrecke 5 und die Summe der im Wafer verlaufenden Teile 4 und 11 der Meßstrecke gleich lang sind, wird das Interferometer auch weitgehend unabhängig von der Temperatur des Wafers 3. Als Lichtquellen eignen sich insbesondere Laserdioden 1, da diese wenig Platz einnehmen und kostengünstig sind.
Da das Meßergebnis eines Interferometers in Einheiten der auf der Meßstrecke vorhandenen Luftwellenlänge vorliegt, die ihrerseits von der Frequenz des Lichtes und der Brechzahl des Umgebungsmediums (meist Luft) abhängt, ist es günstig, diese Luftwellenlänge über eine eigene Einrichtung laufend zu bestimmen. Bei bekannter Frequenz der Lichtquelle reicht eine Brechzahlbestimmung aus, um die Luftwellenlänge zu kennen. Im einfachsten Fall kann die Brechzahlbestimmung nach der sogenannten Parametermethode durch Bestimmung der Lufttemperatur, der Luftfeuchte und des Luftdruckes ermittelt werden. Will man auch die Frequenz der Lichtquelle in die Luftwellenbestimmung miteinbeziehen, bietet sich die Möglichkeit eines Vergleiches mit einer M a ß v e r k ö r p e r u n g (Etalon) an, in dem dieselben Umweltbedingungen herrschen wie auf der Meßstrecke. In einem solchen Fall ist es nötig, aus der Lichtquelle stammendes Licht aus dem eigentlichen Interferometer abzuzweigen. Dies geschieht im einfachsten Fall über einen Strahlteiler C, der gleich nach der
Lichtquelle im Strahlengang angeordnet ist.
Durch die Maßnahme, daß man den Meßstrahl vor der Meßstrecke im Umgebungsmedium in einem Einmoden-Wellenleiter führt und dann über eine Auskoppellinse auf
die Meßstrecke führt, erreicht man eine hervorragende Konstanz und Reproduzierbarkeit der optischen Strahlführung.
Als Wafermaterialien eignen sich neben dem angesprochenen Lithium-Niobat beispielsweise auch Glas und
Galliumarsenid. Neben der Möglichkeit, die Einmoden-Wellenleiter auf einem Wafer zu integrieren, besteht auch die Möglichkeit, Glasfasern als Einmoden-Wellenleiter zu verwenden, wie dies beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Das in Fig. 2 dargestellte Interferometer dient zur Erfassung des Verschiebeweges eines beweglichen Bauteiles (nicht dargestellt), auf dem der Tripelspiegel 8 günstigerweise direkt befestigt ist. Das aus einer
Laserdiode 1 stammende Laserlicht wird in die Glasfaser 2 eingekoppelt und gelangt hierauf in den Koppler B, der eine Aufteilung des Lichtes in die zum Meßzweig gehörige
Glasfaser 4 und die zum Referenzzweig gehörige Glasfaser 5 vornimmt, über eine Auskoppellinse 7 gelangt das Licht aus der Glasfaser 4 auf die eigentliche im Umgebungsmedium (Luft) verlaufende Meßstrecke und wird mit Strahlversatz durch den Tripelspiegel 8 parallel zu sich selbst zurückgeworfen. Erfindungsgemäß koppelt nun eine gesonderte Einkoppellinse 9 den zurückreflektierten Meßsthahl in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter (Glasfaser 11) ein. Günstigerweise liegen auch bei dem in Fig. 2 dargestellen Ausführungsbeispiel die der Meßstrecke zugewandten Endbereiche der Glasfasern 4 und 11 parallel, womit ohne aufwendige Umlenkeinrichtungen bei einer
Verschiebung des Tripelspiegels 8 immer eine gute
Einkopplung des von der Meßstrecke zurückkehrenden
Meßstrahles in die Glasfaser 11 gegeben ist.
Um eine präzise, relative Ausrichtung der Enden der
Glasfasern 4 und 11 zu erzielen, können diese auf einem gemeinsamen Träger 18 befestigt sein, der günstigerweise auch die Auskoppellinse 7 und die Einkoppellinse 9 trägt, womit auch deren relative Justierung zu den Glasfasern 4 bzw. 11 sichergestellt ist.
Die Einkoppellinse 9 und die Auskoppellinse 7 sind günstigerweise gleich ausgebildet und weisen insbesondere dieselbe Brennweite auf. Als Ein- und Auskoppellinsen eignen sich insbesondere Gradienten-Index-Linsen, die über ihre ebene Anschlußfläche direkt am Träger 18 befestigbar sind.
Das von der Meßstrecke in der Glasfaser 11 zurückgeführte Licht und das in der Glasfaser 5 des Referenzzweiges geführte Licht werden im Koppler A rekombiniert. Die vorzugsweise 90 betragende Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationen zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Meßschlittens kann in bekannter Weise über die Totalreflexion im Tripelprisma oder mit einer doppelbrechenden Viertelwellenplatte (in Fig. 2 nicht gezeigt) im Meßstrahl erreicht werden. Die Interferenzsignale an den beiden Ausgängen vom Koppler A werden mit einem Polarisationsstrahlteiler oder mit einem
Strahlteiler und Polarisationen nach den senkrecht zueinander stehenden Polarisationszuständen getrennt erfaßt (Detektoren 12a, b, c, d). Gemäß dem Ausführungs beispiel in Fig. 2 erfolgt die polarisationszustandabhängige Aufteilung über zwei Strahlteϊler A1 ' und A2' und vier vor jedem Detektor 12a-d angeordneten Polarisationsfiltern 26a-d. Wenn anstelle der Strahlteiler A1 ' und A2' Polarisationsstrahlteiler verwendet werden, können die Polarisationsfilter 26a-d entfallen.
Die polarisationsabhängige Signalaufteilung kann
alternativ auch so erfolgen, wie es in den Figuren 2a bzw. 2b d a r g e s t e l l t i s t ( B e i d e n V a r i a n t e n d i e s e r
F i g u r e n ist die Anordnung vor der Rekombinationseinrichtung A gleich wie in Fig. 2). Nach Figur 2a ist eine Linse 27 vorgesehen, die knapp vor den beiden
Austrittsstellen der Rekombinationseinrichtung A angeordnet ist. Die beiden von der Linse 27 abgebildeten Strahlen gelangen auf einen Polarisationsstrahlleiler A3 und von dort zu den vier Detektoren 12a-d. Bei der
Variante gemäß Fig. 2b wird gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Variante auf die Strahlteiler A1 ' und A2' verzichtet und die divergenten Abstrahlkegel 28,29 aus den beiden Austrittsfasern der Rekombinationseinrichtung A ausgenutzt, um eine räumliche und letztlich über die Polarisationsfilter 26a-d die pollrisationszustand- abhängige Signalaufteilung zu erreichen. Die Detektoren 12a-d sind an eine elektronische Auswertschaltung 19 angeschlossen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das aus der
Lichtquelle 1 stammende Licht bis auf die im
Umgebungsmedium verlaufende Meßstrecke in EinmodenWe l len lei te rn (G lasfasern) geführt, womit der Einfluß von Störlicht weitgehend ausgeschaltet ist und bei der
Rekombination im Koppler A in der Meßzweig-Glasfaser 11 und in der Referenzzweig-Glasfaser 5 wohldefinierte Wellenfronten vorliegen, die ein hervorragendes Interferenzsignal garantieren. Durch den bei der Einkopplung des von der Meßstrecke zurückkehrenden Meßstrahles in die Glasfaser 11 auftretenden Raumfiltereffekt werden allenfalls vorhandene Wellenfrontverzerrungen eliminiert
Bei vielen bekannten Interferometern wird der Strahlteiler zur Aufteilung des Lichtes in Meßstrahl und Referenzstrahl gleichzeitig auch als Rekombinationseinrichtung verwendet, an der der Meßstrahl und der Referenzstrahl zur Interferenz gebracht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Strahlteiler (Koppler B) und die Rekombinationseinrichtung (Koppler A) gesonderte optische Bauelemente sind, um Rückwirkungen von
Laserlicht auf die Lichtquelle sicher auszuschließen.
Die Summe der Glaswege in der Glasfaser 4 und 11 und der Weg in der Glasfaser 5 sind vorzugsweise gleich lang, um bei allfälligen Temperaturschwankungen keine relativ'en Längenänderungen zwischen Referenz- und Meßzweig zu haben.
Bei der Dimensionierung der Ein- bzw. Auskoppellinsen (insbesondere von deren Brennweite) sind mehrere
Punkte zu beachten: Die erreichbare Genauigkeit in der Winkeljustierung der optischen Achsen der Ein- und
Auskoppellinsen, der Durchmesser und damit die
beugungsbeg renzte Divergenz des Lichtstrahles auf der Meßstrecke und die Winkelgenauigkeit des Retroreflektors Es hat sich herausgestellt, daß bei den typischen Kerndurchmessern eines Monomod-Wellenleiters im Mikrometerbereich und bei den typischen Öffnungswinkeln des
Abstrahlkegels aus dem Wellenleiter Linsenbrennweiten im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm besonders günstig sind, wenn man Verschiebewege bis in den Meterbereich erfassen will. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Interferometeranordnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. äquivalente Bauteile wie in den Fig. 1 und 2. Der wesentliche Unterschied des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit zwei unterschiedlichen Polarisationen gearbeitet wird, von denen eine relativ zur anderen, vorzugsweise um 90º, phasenverzögert wird, um letztlich phasenverschobene Interferenzsignale zu erhalten, während man bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform mit unpolarisiertem bzw. einfach polarisiertem Licht auskommt und die zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Retroreflektors 8 gewünschten phasenverschobenen
Interferenzsignale in räumlich getrennten Auswertkanälen erzeugt, wie dies im folgenden näher beschrieben werden wird.
Ein Strahlteiler 20 teilt den Referenzstrahl des
Referenzzweiges 5 in zwei getrennte Referenz-Teilstrahlzweige 24 und 25 auf. Ähnlich teilt die Strahlteilereinheit 21 den von der Meßstrecke in den zweiten
Einmoden-Wellenleiter 11 eingekoppelten Meßstrahl in zwei Meß-TeiIstrahlen auf, die in den Wellenleitern 26 und 27 geführt sind. In den beiden Rekombinationseinrichtung e n A 1 und A 2 w e r d e n j e we i l s e i n Me ß - T e i l s t r a h l und ein Ref erenz-Te i l st rah l zur Interferenz gebracht. Entscheidend ist nun, daß die relative
Phasenlage zwischen Meß-TeiIstrahl und Referenz- Teilstrahl an der Rekombinationseinrichtung A1 einerseits und an der Rekombinationseinrichtung A2 andererseits verschieden ist, womit die von den Detektoren 12a und 12c einerseits und 12b und 12d andererseits
empfangenen Interferenzsignale ebenfalls gegeneinander phasenverschoben sind. Um die unterschiedlichen relativen Phasenlagen von Referenz-Teilstrahl und Meß-Teilstrahl an den beiden Rekombinationseinrichtungen A1 und A2 hervorzurufen, ist im Meß-Teilstrahlzweig 26 eine
Phasentrimmeinrichtung vorgesehen, mit der beispiels- weise eine Phasenverschiebung um 90º hervorgerufen werden kann. Die in Fig. 3 gezeigten Linien der Lichtausbreitung können in der Praxis als Glasfasern oder in optisch integrierter Bauweise realisiert werden.
Bei einer optisch integrierten Bauweise können die
Brechzahlen in den entsprechenden Wellenleitern
punktuell verändert werden, um die gewünschte Phasentrimmung zu erzielen. Bei einer Glasfaserausführung kann man verdrehbare Glasfaserschleifen zum Trimmen verwenden. (Dieser Effekt ist kürzlich im Zusammenhang mit der BERRY-Phase bekannt geworden.)
Beim Arbeiten mit voneinander woh l-get rennt en Kanälen, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, hat man gegenüber dem Arbeiten mit Polarisationen den Vorteil, daß polarisationsabhängige Effekte bei Spiegelungen und Totalreflexionen auf der Meßstrecke unkritisch sind und daß die Anforderungen an die Strahlteiler nochmals reduziert sind. Außerdem kann man beim Arbeiten mit voneinander wohl-getrennten Kanälen auf einfache Weise auch mehrere in gewünschten Ausmaßen relativ zueinander phasenverschobene Interferenzsignale erhalten, wenn man den Referenzstrahl in mehr als zwei Referenz-Teilstrahlen und den Meßstrahl in mehr als zwei Referenz-Meßstrahlen aufteilt, und diese Referenz-Teilstrahlen und Meß-TeiIstrahlen nach entsprechender Phasentrimmung an unterschiedlichen Rekombinationseinrichtungen zur Interferenz bringt.
Es ist klar, daß das erfindungsgemäße Interferometer nicht nur mit sichtbarem Licht, sondern beispielsweise auch mit infrarotem Licht betreibbar ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Interferometeranordnung, insbesondere zur Entfernungsbzw. Verschiebewegbestimmung eines beweglichen Bauteiles, mit einer Laserlichtquelle, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung des von der Lasertichtquelle emittierten Lichtes in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl, wobei der Meßstrahl durch einen Einmoden-Wellenleiter geführt ist und von diesem über eine kollimierende Auskoppellinse bzw. Auskoppellinsenanordnung auf die zumindest teilweise in einem gasförmigen Umgebungsmedium verlaufende und über einen beweglichen Meßspiegel führende Meßstrecke gelangt, mit einer Rekombinationseinrichtung, an der der über eine Referenzstrecke geführte Refe- renzstrahl und der von der Meßstrecke zurückkehrende Meßstrahl interferieren, und mit einer Detektoreinrichtung zur Analyse zumindest eines aus der
Rekombinationseinrichtung austretenden Interferenzsignals, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Einmoden-Wellenleiter (11) und eine gesonderte Einkoppellinse (9) bzw. Einkoppellinsenanordnung
vorgesehen sind, welche den durch den als Retroreflektor (8) ausgebildeten Meßspiegel mit Strahlversatz zurückreflektierten Meßstrahl in den zweiten Einmoden-Wellenleiter (11) einkoppelt.
2. Interf erometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einmoden-Wellenleiter (4), aus dem der Meßstrahl ausgekoppelt wird, und der zweite Einmoden-Wellenleiter (11) in ihrem der Meßstrecke zugewandten Endbereich parallel liegen.
3. Interferometeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppellinse (7) und die gesonderte Einkoppellinse (9) im wesentlichen gleich ausgebildet sind.
4. Interf erometeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Retroreflektor (8) ein in an sich bekannter Weise Tripelreflektor ausgebildet ist.
Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Lichtquelle (1) stammende Licht in der gesamten Interferometeranordnung bis auf die im Umgebungsmedium zwischen Aus- und Einkoppellinse (nano rdnung) (7 bzw. 9) über den Retroreflektor (8) verlaufende Meßstrecke und gegebenenfalls bis auf den Bereich hinter der
Rekombinationseinrichtung (A) in Einmoden-Wellenleitern (2,4,
5,11) geführt ist, wobei der Strahlteiler (B) und die Rekombinationseinrichtung (A) durch Wellenleiterkoppler gebildet sind.
6. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (B) und die Rekombinationseinrichtung (A) gesonderte optische Elemente sind.
7. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmoden-Wellenleiter (2,4,5,11) Glasfasern sind.
8. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmoden-Wellenleiter (2,4,5,11) als in einem Wafer eindiffundierte Wellenleiterbahnen ausgebildet sind.
9. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmoden-Wellen Leiter (2,4,5,11) des Interferometers, der Strahlteiler (B) und die Rekombinationseinrichtung (A) auf demselben Wafer integriert sind.
10. Interferometeranordnung nach Anspruch 8 oder 9, da- durch gekennzeichnet, daß das Wafermaterial
kristallines Lithium-Niobat ( LiNbO3) ist.
11. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der zwischen Strahlteiler (B) und Rekombinationsein- richtung (A) im Einmoden-Wellenleiter (4,11) verlaufenden Strecken des Meßstrahles und die in einem Einmoden-Wellenleiter (5) verlaufende
Referenzstrecke gleich lang sind.
12. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle
(I) eine Laserdiode ist.
13. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die der Meßstrecke zugewandten Endbereiche des Einmoden- Wellenleiters (4), aus dem der Meßstrahl ausgekoppelt wird, und des zweiten Einmoden-Wellenleiters
(11) auf einem gemeinsamen Träger (18) festgelegt sind.
14. Interferometeranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskopplungslinsen
(7,9) an diesem Träger befestigt sind.
15. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskopplungslinsen (ano rdnungen) (7,9) jeweils eine Brennweite im Bereich von 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise im Bereich von 2 mm bis 4 mm, aufweisen.
16. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskoppellinsen (7,9) Gradienten-Index-Linsen sind .
17. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (8) direkt an einem beweglichen Bauteil, insbesondere an einem linear verschiebbaren Meßschlitten befestigt ist.
18. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit nur einer Lichtfrequenz arbeitet (Homodyn-Betrieb) und daß wenigstens zwei Photodetektoren (12a, 12c bzw. 12b, 12d) vorgesehen sind, die die Signalintensitäten zweier komplementärer Interferenzsignale aus der Rekombinationseinrichtung (A) erfassen.
19. Interferometeranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Licht mit zwei vorzugsweise aufeinander senkrechten Polarisationsanteilen verwendet wird, daß im Meß- und/oder Referenzzweig eine Einrichtung (13) vorgesehen ist, die vor der Rekombination von Meß- und Interferenzstrahl in der Rekombinationseinrichtung (A)
eine relative Phasenverschiebung um eine vorbestimmte Phase, vorzugsweise 90º, zwischen den beiden Polarisationsanteilen hervorruft, und daß in zumindest einem Ausgangszweig (14 bzw. 15) der Rekombinationseinrichtung (A) ein Polarisationsstrahlteiler (16 bzw. 17) angeordnet ist, dessen Teilstrahl-Intensitäten über Photodetektoren (12a, 12b bzw. 12c, 12d) erfaßbar sind.
20. Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlteilereinheit vorgesehen ist, die den in einem
Einmoden-Wellenleiter geführten Referenzstrahl in mindestens zwei Referenz-Teilstrahler, aufteilt, daß eine weitere Strahlleilereinheit vorgesehen ist, die den von der Meßstrecke zurückgekehrten und in den zweiten Einmoden-Wellenleiter eingekoppelten Meßstrahl in mindestens zwei Meß-Teilstrahlen aufteilt, und daß wenigstens zwei Rekombinationseinrichtungen vorgesehen sind, in denen jeweils ein Referenz-Teilstrahl und ein Meß-Teilstrahl zur Interferenz gebracht sind, wobei die relativen
Phasenlagen von Referenz-Teilstrahl und Meß- Teilstrahl an den einzelnen Rekombinationsein- richtungen unterschiedlich sind.
21. Interferometeranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem Referenz- Teilstrahlzweig und/oder Meß-Teilstrahlzweig eine Phasentrimmeinrichtung angeordnet ist, um die unterschiedlichen relativen Phasenlagen von Referenz- Teilstrahl und Me ß -T e i l s t r a h l an den einzelnen
Rekombinationseinrichtungen festzulegen.
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