DE19528676C2 - Interferometeranordnung zur absoluten Distanzmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Interferometeranordnung zur absoluten Distanzmessung mit zwei Lasern unterschiedlicher Frequenz, von denen mindestens einer durch­ stimmbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 Interferometer­ einheiten vorgesehen, die sich jedoch in ihren optischen Gangunterschieden unterscheiden und als Referenz- bzw. Vergleichsinterferometer dienen. Die elektronischen Misch- und Filterstufen realisieren eine Verknüpfung der unterschiedlichen Interferometersignale derart, daß von den Frequenzen der akustooptischen Modulatoren unabhängige und nur durch Laserfrequenzvariation bedingte und den Reflektor­ entfernungen proportionale Phasenwinkeländerungen erfaßt werden. Über elektronische A-D-Wandler werden die Signale zur Weiterverarbeitung und Auswertung der Signalverläufe an einen Rechner weitergeleitet.

In US-PS 4 907 886 und in DE 41 39 839 A1 sind Anordnungen dargestellt, die zur Bildung der Heterodynsignale zwei in ihren Frequenzen unterschiedliche akustooptische Modulatoren umfassen. Dadurch ist u. a. eine Signalbildung möglich, die auch bei nicht monotonem Durchstimmvorgang, z. B. infolge eines Frequenzjitters, eine exakte Phasenmessung erlaubt. Der Nachteil der bekannten Interferometer besteht jedoch darin, daß die optische Strahlführung und die elektronische Signalauswertung mit einem hohen technischen Aufwand verbunden sind. Insbesondere besteht das Problem, daß mit dem Einsatz von zwei akustooptischen Modulatoren 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.

In der US 4,892,406 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Vibrationsmessung an Objekten beschrieben, welche auf interferometrischer Basis beruhen. Dabei wird ein Laserstrahl mit vorbestimmter Kohärenzlänge in einen Meß- und einen Referenzstrahl aufgespalten. Zur Lichtfortleitung und auch zur Erzeugung einer Verzögerung des Referenzstrahls um einen bestimmten Betrag gegenüber dem Meßstrahl werden Lichtleiter benutzt. Neben der Verbindung von optischen Bauelementen besitzen die hier verwendeten Lichtleiter die Funktion als Faserkoppler zur Verbindung der unterschiedlichen Strahlen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, mit relativ geringem technischen Aufwand eine Interferometeranordnung zur absoluten Distanzmessung zu schaffen, bei welcher der Einfluß der Umweltbedingungen auf die Phasenauflösung reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Inerferometeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung dargelegt.

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

Eine einfache Ausführung ergibt sich, wenn zwischen den beiden Lasern und dem akustooptischen Modulator ein Lichtleiterkoppler zur kolinearen Zusammenführung der Laserstrahlen vorgesehen ist.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Interferometers vereinfacht sich, wenn die den akustooptischen Modulator verlassenden 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 zeigt

Fig. 1 schematisch und vereinfacht den Aufbau einer erfindungsgemäßen Interferometeranordnung,

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

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

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

Das in Fig. 1 in einem Blockschaltbild schematisch und vereinfacht 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 Strahlenaufspaltung 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- Lichtleitfasern 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, 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. Die lichtleitenden Elemente zwischen Laser 1, 2 und AOM 4 bzw. AOM 4 und erstem Strahlteiler 5 sind in Fig. 1 nicht dargestellt.

Fig. 2 zeigt die Anordnung eines Lichtkopplers zur kolinearen Zusammenfüh­ rung der von den beiden Lasern 1 und 2 ausgesendeten Strahlenbündel, welcher 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 Teilstrahlen über Lichtleiter 20 und 21 einem nachgeordneten Strahlenteiler 22 zugeleitet werden, wobei die Lichtleiter 20 und 21 als Mono-Mode-Lichtleiter ausgebildet sind. Der Strahlenteiler 22 fungiert in dieser Ausführung als Teiler eines Mach-Zehnder-Interferometers mit den beiden Strahlenausgängen 23 und 24.

Fig. 4 zeigt im wesentlichen die Anwendung von Lichtleitern im Meßweg des Interferometers zur absoluten Distanzmessung. Dabei ist zwischen dem AOM 4 und einem Meß­ reflektor 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 Foto­ empfängern (nicht dargestellt) zugeführt werden. Diese Signale werden dann in an sich bekannter Weise in einer Auswerteeinheit zur Gewinnung von Meßwerten weiterverarbeitet.

Claims (4)

1. Interferometeranordnung zur absoluten Distanzmessung,

• - mit zwei Lasern unterschiedlicher Frequenz, von denen mindestens einer durchstimmbar ist,
• - mit optischen Vorrichtungen zur kolinearen Überlagerung der Laserstrahlen,
• - mit einer ersten, dem akustooptischen Modulator nachgeordneten Interferometereinheit zur Generierung von Schwebungssignalen, aus denen nach elektronischer Mischung und Filterung periodische Signale erzeugbar sind, welche bei kontinuierlicher Änderung von mindestens einer der beiden Laserfrequenzen Phasenwinkeländerungen erfahren, die den innerhalb der ersten Interferometereinheit realisierten optischen Weglängen proportional sind,
• - mit wenigstens einer weiteren, sich in ihren optischen Weglängen von der ersten unterscheidenden, als Referenz- oder Vergleichsinterferometer dienenden Interferometereinheit,
• - mit Misch- und Filterstufen zur Verknüpfung der unterschiedlichen Interferometersignale derart, daß Signale erzeugbar sind, welche unabhängig von den Frequenzen alle durch Laserfrequenzvariation bedingten und von den Reflektorentfernungen abhängigen Phasenwinkeländerungen anzeigen,
• - mit elektronischen A-D-Wandlern, welche die Signale während der Laserdurchstimmung aufzeichnen und an einen Mikrorechner zur Auswertung der zeitlichen Signalverläufe übergeben,

dadurch gekennzeichnet,
daß den Lasern (1; 2) nur ein einziger akustooptischer Modulator (4) nachgeordnet ist, und
daß zwischen den beiden Lasern (1; 2) und dem akustooptischen Modulator (4), zwischen dem akustooptischen Modulator (4) und mindestens einem dem akustooptischen Modulator (4) nachgeordneten ersten Strahlenteiler (5; 23; 26) und zwischen den Lichtausgängen des ersten Strahlenteilers und den Lichteingängen eines oder mehrerer nachgeordneter Interferometereinheiten (10; 12) und/oder innerhalb dieser Interferometereinheiten (10; 12) lichtleitende Elemente (6; 7; 8; 9; 17; 19; 20; 21; 27; 28; 29) zur Strahlenführung derart angeordnet sind, daß für alle überlagerten Strahlenbündel eine identische Strahlgeometrie gewährleistet ist.

2. Interferometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Lasern (1; 2) und dem akustooptischen Modulator (4) ein Lichtkoppler (19) zur kolinearen Zusammenführung der Laserstrahlen vorgesehen ist.

3. Interferometeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den akustooptischen Modulator (4) verlassenden Strahlenbündel direkt oder über einen Strahlenteiler (23) mindestens einem nachgeordneten Mach-Zehnder-Interferometer zugeführt sind.