DE19528676A1 - Interferometeranordnung zur absoluten Distanzmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer zur absoluten Distanzmessung mit zwei Lasern unterschiedlicher Frequenz, von denen mindestens einer durch­ stimmbar ist, gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Für die absolute Distanzinterferometrie (ADI) haben sich Verfahren als vorteil­ haft erwiesen, die von einer variablen synthetischen Wellenlänge ausgehen. Änderungen dieser Wellenlänge werden durch die Änderung der Frequenz der beiden verwendeten Laser erreicht, deren Strahlenbündel durch geeignete opti­ sche Elemente kolinear überlagert werden.

Bekannte Verfahren der ADI verwenden mindestens einen Laser mit durch­ stimmbarer Wellenlänge. Diese unterscheiden sich in der Art und Weise der Detektion der Phasenänderung. Anordnungen mit zwei Lasern nutzen dabei das Heterodyn-Verfahren und führen die notwendige Phasendifferenzbildung mit­ tels Analogschaltungen, wie Mischer und Filter, durch. Bei den bekannten Anordnungen werden den Lasern nachgeordnete akustooptische Modulatoren (AOM) verwendet, um die Frequenz der Laserstrahlung zu verschieben und so eine geeignete, von fotoelektrischen Empfängern detektierbare Zwischenfre­ quenz zu erzeugen. Diese Zwischenfrequenz enthält alle zur Distanzmessung notwendigen Phaseninformationen. Nach elektronischer Mischung und Filte­ rung entstehen periodische Signale, die bei kontinuierlicher Änderung von min­ destens einer der innerhalb des Interferometers vorhandenen optischen Wel­ lenlängen sowohl dieser Änderung (Verstimmung) als auch dem Gangunter­ schied des Interferometers proportional sind. Es sind weitere Interferometerein­ heiten vorgesehen, die sich jedoch in ihren optischen Gangunterschieden unterscheiden und als Referenz- bzw. Vergleichsinterferometer dienen. Die elektronischen Misch- und Filterstufen realisieren eine Verknüpfung der unter­ schiedlichen Interferometersignale derart, daß von den AOM-Frequenzen unab­ hängige und nur durch Laserfrequenzvariation bedingte und den Reflektorent­ fernungen proportionale Phasenwinkeländerungen erfaßt werden. Über elek­ tronische A-D-Wandler werden die Signale zur Weiterverarbeitung und Auswer­ tung der Signalverläufe an einen Rechner weitergeleitet.

In US-PS 4 907 886, DE 41 39 839 und einer vorgeschlagenen Interferometeran­ ordnung sind Anordnungen dargestellt, die zur Bildung der Heterodynsignale zwei in ihren Frequenzen unterschiedliche AOM umfassen. Dadurch ist u. a. eine Signalbildung möglich, die auch bei nicht monotonem Durchstimmvorgang, z. B. infolge eines Frequenzjitters, eine exakte Phasenmessung erlaubt. Der Nach­ teil der bekannten Interferometer besteht jedoch darin, daß die optische Strahl­ führung und die elektronische Signalauswertung mit einem hohen technischen Aufwand verbunden sind. Insbesondere besteht das Problem, daß mit dem Ein­ satz von zwei AOM auch zwei verschiedene Strahlteilungspunkte innerhalb der Interferometeranordnung existieren. Die daraus resultierende Differenz der Gangunterschiede kann in Verbindung mit den unterschiedlichen Bedingungen in den einzelnen Teilabschnitten der Interferometeranordnung unkontrollierbare Phasenfluktuationen der Interferometersignale ergeben. Aus diesem Grunde ist ein Referenzinterferometer bei den Anordnungen des Stan­ des der Technik notwendig, auf das die Signale aller übrigen verwendeten Interferometer bezogen werden.

Der technische Aufwand zur Signalbildung und -analyse reduziert sich, wenn Laser mit monotonem Durchstimmverhalten zum Einsatz kommen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Interferometer zur absoluten Distanzmessung mit variabler synthetischer Wellenlänge zu schaffen, welches unter Berücksichtigung des monotonen, d. h. frequenzjitterfreien Durchstimm­ verhaltens der verwendeten Laser einen wesentlich geringeren technischen Aufwand erfordert und bei welchem der Einfluß der Umweltbedingungen auf die Phasenauflösung reduziert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Interferometer zur absoluten Distanzmessung mit den Mitteln des kennzeichnenden Teils des ersten Anspru­ ches gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen der Erfin­ dung dargelegt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß als Mittel zur Verschiebung der Fre­ quenz der Laserstrahlen nur ein einziger AOM verwendet wird. Dadurch gibt es nur einen Strahlteilungspunkt. Unkontrollierte Phasenfluktuationen werden so wirksam vermieden. Durch die Anwendung von Lichtleitern zwischen den Lasern und dem AOM, zwischen dem AOM und einem nachgeordneten ersten Strahlenteiler, sowie zwischen den Lichtausgängen dieses Strahlenteilers und den Lichteingängen nachgeordneter Interferometereinheiten, werden für alle überlagerten Strahlenbündel eine identische Strahlgeometrie gewährleistet sowie Verzerrungsunterschiede der Wellenfronten weitestgehend vermieden.

Eine einfache Ausführung ergibt sich, wenn zwischen den Lasern und dem AOM ein Lichtkoppler zur kolinearen Zusammenführung der Laserstrahlen vorgese­ hen ist, wobei als Lichtkoppler ein Lichtleiter-Y-Koppler oder auch ein Teiler­ prisma Anwendung finden können.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Interferometers vereinfacht sich, wenn die den AOM verlassenden, in ihrer Frequenz unterschiedlichen Strahlenbündel direkt mindestens einem nachgeordneten Interferometer nach Mach-Zehnder zugeführt werden. Auch können diese Strahlenbündel über einen weiteren Strahlenteiler zwei Mach-Zehnder-Interferometern zugeführt werden, wobei der AOM als gemeinsamer erster Strahlenteiler dieser Interferometer dient.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Interferometers,

Fig. 2 die Anordnung eines Lichtleiterkopplers zwischen Laser und AOM,

Fig. 3 die Einkopplung des Lichtes in ein nachgeordnetes Interferometers und

Fig. 4 die Anwendung von Lichtleitern im Meßweg des Interferometers.

Das in Fig. 1 in einem Blockschaltbild schematisch dargestellte Interferometer zur absoluten Distanzmessung besitzt als Lichtquellen zwei Laser 1 und 2, von denen mindestens einer in seiner Frequenz durchstimmbar ist. Diesen beiden Lasern 1 und 2 ist zur Strahlenvereinigung ein optischer Koppler in Form eines an sich bekannten Teilerwürfels 3 nachgeschaltet. Die den Teilerwürfel 3 verlas­ senden, vereinigten Laserlichtbündel werden einem AOM 4 zur Strahlenaufspal­ tung in zwei Teilstrahlen unterschiedlicher Frequenz zugeführt. In einem nach­ geordneten ersten Strahlenteiler 5 werden die vom AOM 4 kommenden Teil­ strahlen derart aufgeteilt, daß ein Teil durch Mono-Mode-Lichtleitfasern 6 und 7 z. B. an ein Referenzinterferometer 10 und ein weiterer Teil durch Mono-Mode-Licht­ leitfasern 8 und 9 an den Eingang einer den Meßreflektor 11 in ihrem Meß­ strahlengang enthaltenden Interferometereinheit 12 weitergeleitet wird. Diese Interferometereinheiten 10 und 12 umfassen zwei Strahlenteiler 13 und 14 sowie polarisationsoptisch wirksame Elemente 15, wobei in der Teilerschicht des Strahlenteilers 14 der Interferenzpunkt 16 dieser Interferometereinheit 12 liegt. Das von diesem Interferenzpunkt 16 kommende Licht wird über Multi-Mode- Lichtleitfasern 17 zur Umwandlung in elektrische Signale einer Wandlereinheit und einer Auswerteeinheit 18 zugeführt, mit der auch die Ausgänge des Refe­ renzinterferometers verbunden sind.

Fig. 2 zeigt die Anordnung eines Lichtkopplers zur kolinearen Zusammenfüh­ rung der von den beiden Lasern 1 und 2 ausgesendeten Strahlenbündel, wel­ cher als ein Lichtleiterkoppler 19 mit zwei laserseitigen Eingängen und einem am AOM 4 angekoppelten Ausgang ausgebildet ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung, bei welcher die den AOM verlassenden Teilstrah­ len über Lichtleiter 20 und 21 einem nachgeordneten Strahlenteiler 22 zugelei­ tet werden, wobei die Lichtleiter 20 und 21 als Mono-Mode-Lichtleiter ausgebil­ det sind. Der Strahlenteiler 22 fungiert in dieser Ausführung als Teiler eines Mach-Zehnder-Interferometers mit den beiden Strahlenausgängen 23 und 24.

Fig. 4 zeigt die Anwendung von Lichtleitern im Meßweg des Interferometers zur absoluten Distanzmessung. Dabei ist zwischen dem AOM 4 und einem Meßre­ flektor 25 einerseits und dem AOM 4 und einem Teilerwürfel 26 andererseits je ein Lichtleiter 27; 28 vorgesehen. Der eine Teilstrahl des AOM 4 wird durch den Lichtleiter 27 direkt auf dem Meßreflektor 25 geleitet. Das vom Meßreflektor 25 reflektierte Licht wird dem Teilerwürfel 26 zugeführt und an der Teilerschicht dieses Teilerwürfels 26 mit dem über den Lichtleiter 28 zugeführten zweiten Teilstrahl des AOM 4 zur Interferenz gebracht. Die Interferenzen können dann durch einen weiteren Lichtleiter 29 zur Erzeugung von Meßsignalen Fotoemp­ fängern (nicht dargestellt) zugeführt werden. Diese Signale werden dann in an sich bekannter Weise in einer Auswerteeinheit zur Gewinnung von Meßwerten weiterverarbeitet.

Claims (6)

1. Interferometer zur absoluten Distanzmessung mit zwei Lasern unterschiedli­ cher Frequenz, von denen mindestens einer durchstimmbar ist,

• - mit optischen Vorrichtungen zur kolinearen Überlagerung der Laserstrahlen und Generierung von Schwebungssignalen, aus denen nach elektronischer Mischung und Filterung periodische Signale erzeugbar sind, welche bei kontinu­ ierlicher Änderung von mindestens einer der beiden Laserfrequenzen Phasen­ winkeländerungen erfahren, die den innerhalb des Interferometers realisierten optischen Weglängen proportional sind,
• - mit weiteren, sich in ihren optischen Weglängen unterscheidenden, als Refe­ renz- bzw. Vergleichsinterferometer dienenden Interferometereinheiten,
• - mit Misch- und Filterstufen zur Verknüpfung der unterschiedlichen Interfero­ metersignale derart, daß Signale erzeugbar sind, welche unabhängig von den Frequenzen alle durch Laserfrequenzvariation bedingten und von den Reflekto­ rentfernungen abhängigen Phasenwinkeländerungen anzeigen,
• - mit elektronischen A-D-Wandlern, welche die Signale während der Laser­ durchstimmung aufzeichnen und an einen Mikrorechner zur Auswertung der zeitlichen Signalverläufe übergeben,

dadurch gekennzeichnet,
daß den Lasern ein einziger akustooptischer Modulator (AOM) nachgeordnet ist,
und daß zwischen den Lasern und dem AOM, zwischen dem AOM und minde­ stens einem dem AOM nachgeordneten ersten Strahlenteiler und zwischen den Lichtausgängen des ersten Strahlenteilers und den Lichteingängen eines oder mehrerer nachgeordneter Interferometereinheiten und/oder innerhalb dieser Interferometereinheiten lichtleitende Elemente zur Strahlenführung angeord­ net sind.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Lasern und dem AOM ein Lichtkoppler zur kolinearen Zusammenführung der Laserstrahlen vorgesehen ist.

3. Interferometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtkoppler Lichtleiterkoppler vorgesehen ist.

4. Interferometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtkoppler ein Teilerprisma vorgesehen ist.

5. Interferometer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die den AOM verlassenden Strahlenbündel direkt oder über einen Strahlen­ teiler mindestens einem nachgeordneten Mach-Zehnder-Interferometer zuführ­ bar sind
und daß der AOM als gemeinsamer erster Strahlenteiler dieser nachgeordneten Mach-Zehnder-Interferometer dient.