DE3044183A1

DE3044183A1 - Verfahren zur optischen messung von laengen und laengenaenderungen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

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Publication number: DE3044183A1
Application number: DE19803044183
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg Ulrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-11-24
Filing date: 1980-11-24
Publication date: 1982-06-24
Also published as: DE3044183C2; US4596466A

Description

VERFAHREN ZUR OPTISCHEN MESSUNG VON LÄNGEN UND LÄNGENÄNDERUNGEN UND ANORDNUNG ZUR -DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS.

In vielen Bereichen der Technik,insbesondere bei der Betriobssteuerun.g und -überwachung großtechnische! Anlagen der verr.chie dünsten Art,besteht das Problem,eine Üür d.en Betriebszustand eines Teils der Anlage charakteristische physikalische Größe von einem entfernten Ort aus zuverlässig messen .zu können.Von besonderer Wichtigkeit ist dabei die möglichst störungsfreie Übertragung der die Meßgröße repräsentierenden Signale vom Meßort zur zentralen Verarbeitungs- und Überwachungsstation.

ι . ■ -

Unter Gesichtspunkten der Unempfindlichkeit gegen Störeinflüsse wie elektrische Einstreuungen,hohe Temperaturen,des Explosionsschutzes,der Beständigkeit gegen korrosive Medien · .sowie der Unempfindlichkeit gegen radioaktive Strahlung,erscheinten Lichtleitfasern für eine Signalübertragung über größere Strecken besonders geeignet.Voraussetzung für einen derartigen Einsatz von Lichtleitfasern ist natürlich,daß-die Meßeinrichtung,gegebenenfalls in Verbindung mit einem geeigneten Wandler,ein für die übertragung geeignetes optisches Meßsignal abgibt.Da die üblichen kommerziell verfügbaren Meßwert-

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30ΛΛ.1 83 ·"· ^:

■I.

ν-

qober heute einen elektrischen .Ausgang haben/muß also in aller Regel ein geeignetes elektronisch'— optisches Inter-'face vorhanden sein;im Falle der überwachung der Temperatur in einem. Kessel oder einem Reaktor mit Hilfe eines Thermoelements,das eine zur Temperatur proportionale Ausgangsspannung liefert,könnte ein solches Interface zum Beispiel einen Spannungsfrequenzwandler umfassen,der als Ausgangssignaleine Wechselspannung mit zur Ausgangsspannung· des' Thermoelements proportionaler Frequenz erzeugt,sowie eine mit dieser Ausgangs-Wechselspannung des Spannungs/Frequen-zwandlers angesteuerte Leuchtdiode,deren Licht-Ausgangssignalimpulse über eine optische Faser weitergeleitet werden können.In analoger WuUu; könniu auch ein für eino Lange charaktor tt;t Lachen Spannungs-Ausgangsiiignal eines z.B.als Schieifdr.aht-Potentiomoter ausgebildeten Spannungsteilers,dessen Teilerverhältnis mit der zu'messenden Länge variiert,in ein für eine Übertragung über eine Lichtleitfaser geeignetes Lichtsignal umgewandelt werden. . . ■

Hieraus wird deutlich,daß in sehr vielen »Fällen die .eingangs genannten Vorteile von Lichtleitfasern bei der Signalübertragung nicht.oder allenfalls nur beschränkt,ausgenutzt werden können,weil die.erforderlichen Signalwandler ihrerseits anfällig gegen die eingangs genannten Störeinflüsse sind.

Davon ausgehend,daß sich eine Reihe für den Betriebszustand einer Anlage charakteristischer Meßgröß.en wie Druck oder Temperatur mit einfachen Mitteln,z.B.mit Hilfe eines Ausdehnungskörpers oder eines gegen Federwirkung verschieblichen Druckkolbens in dafür charakteristische Längen oder Längenände- ■ rungen umwandeln lassen,wird der Erfindung die Aufgabe zu-

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-ergründe gelegt,ein Verfahren anzugeben,das eine direkte Um-: setzung einer Länge oder Längenänderung in ein dafür charakteristisches optisches Signal gestattet,das über eine Lichtleitfaser übertragbar ist und am Ende der Paser auf einfache Weise in Einheiten der Meßgröße ausgewertet werden kann,sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, .

Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 umrissene und in weiterer Ausgestaltung' durch die Merkmale der Ansprüche 2■und 3 näher spezifizierte Verfahren sowie durch die in den Ansprüchen 4-Γ3 genannten Merkmale zur Durchführung dieses Verfahj ens geeigneter Anordnungen auf einfache Weise gelöst.·

Der dem erfindungsgemäßen Verfahren wie auch den zu seiner Durchführung geeigneten Anordnungen zugrunde liegende Gedanke besteht darin,den Gangunterschied eines ersten Interferometers ,das als Zweistrahl- oder auch als Vielstrahl-Interferometer ausgebildet sein kann,mit der Meßgröße, zu variieren und diesen Gangunterschied dadurch zu erfassen, daß in einem zweiten Interferometer,das ebenfalls als Zweioder Vielstrahl-Interferometer ausgebildet sein kann und über einen durch eine Lichtleitfaser markierten■Lichtweg mit dem ersten-in Reihe geschaltet ist,durch räumliche und/ oder zeitliche Variation des Gangunterschiedes'die Interferenz-Extrema aufgesucht werden,die die Gleichheit der Gangunterschiede in den beiden Interferometer markieren. Dadurch wird die mit der Meßgröße verknüpfte Länge auf rein optischem Wege gleichsam von einem als Geber benutzten Interferometer auf das andere,als Empfänger benutzte,vom Meßort entfernt angeordnete Interferometer übertragen,wo sie durch geeignete Variation des Gungunterschicdea_fder bereit;.; in Einheiten der Meßgröße geeicht sein kann,auf einfache Weise gemessen werden kann.Die durch das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber anderen bekannten

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Fernmeß vor fahren vermittelten Vorteile sind zumindest die folgenden: · · ■

1 . Zur Erzeugung des die Längen-Information enthaltenden Ausgangslichtstromes des Geber interferometers- werden am Meßort selbst keinerlei elektronisch-optische Wandlerelemente oder dergleichen benötigt,deren Funktionsfänhigkeit durch die am Meßort vorliegenden Umgebungs-Bedingungen beeinträchtigt werden könnte. · .

2. Das erfindungsgemäße Verfahren ist unempfindlich gegen zeitliche Änderungen der übertragenen Lichtsignale, jedenfalls dann,wenn die Zeitspanne,innerhalb welcher solche Änderungen auftreten,groß ist,gegen diejenige Zeitspanne,die zum Aufsuchen der Extrema der. Interferenzerscheinungen benötigt wicd.Änderungen der Intensität oder der spektralen Zusammensetzung des Meßlichts ändern' zwar die absoluten Beträge der Interferenzextrema wie auch deren Verlaufsform in ·. Abhängigkeit vom Gangunterschied,nicht aber deren Lage in. der Gangunterschieds-Skala. _t ·

3. Das Meßergebnis ist auch unabhängig, von den Eigenschaften •der zur Lichtübertragung verwendeten Lichtleitfaser,sofern nur die am Detektor zur Verfügung stehende Intensität ausreicht^v,um die Interferenz-Extrema mit hinreichender. Genauigkeit ermitteln zu können.Die Messung.wird durch eine Modendispers ion der Faser,eine wechselseitige Kopplung der Moden. oder durch'Verluste in der Faser oder an Verbindungsstellen oder Spleißen der Faser nicht-beeinflußt,da sich alle hieraus resultierenden Effekte in gleicher Weise auf jeden der miteinander zur überlagerung gebrachten Lichtwellenzüge auswir-

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ken. Zur Lichtübertr-agung zwischen den Interf erometern kann daher eine billige Stufenindex-Multimode-Lichtleitfaser ver-,wendet werden.

4. Da das erfindungsgemäße Verfahren nicht mit einem kohärenten •Primärlichtstrom arbeitet,können als Lichtquellen einfache Glühlampen oder breitbandig emittierende Leuchtdioden eingesetzt werden,die unter Gesichtspunkten zeitlicher Konstanz der Lichtleistung und der Lebensdauer völlig unproblematisch sind und mit hinreichend niedriger Lichtleistung betrieben; werden können,die eine Benutzung auch in explosionsgefährdeten Räumen erlaubt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Messung kleiner Längen bzw.Längenänderungen in einem typischen Bereich von 0-10mm und deren übertragung über Strecken,die zwischen 1m und ca.1km betragen können.

Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens und zu seiner Durchführung geeigneter Anordnungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Durchführungs- und Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.Es zeigen:

Ficj,1 ^ Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei über eine Lichtleitfaser in Reihe geschalteten Zweistrahl-Interferometern und einer ebenfalls-über eine Lichtleitfaser mit dem Ausgang eines eier beiden Interferometer verbundenen Detektor-Anordnung,

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Fig.2 ein Interferogramm zur Erläuterung der Funktion der im Rahmen der Anordnung gemäß Fig.1 benutzten Interferometer,

.Fig.3 einen typischen Verlauf des Detektor-Ausgangssignäles der Anordnung gemäß Fig.1,zur .Hrläuterung des erfih-' . dungsgemäßen Verfahrens,

Fig.4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zur Ausführungsform gemäß Fig.1 gleich-' sam reziproker Benutzung der beiden Interferometer,

Fig.5 zu'den Anordnungen gemäß den Figuren 1 bzw.4 funtions- und analoge Ausführungsformen einer erfinddngsgemäßen An-Fig.6 Ordnung mit nur einer einzigen Lichtleitfaser zur Kopplung der Interferometer und zur Ein- und Aus-' .kopplung des Primär-Lichtstronies in die Interferoiueter-Anordnung.bzw.zur Auskopplung des die Längeninformation enthaltenden Ausgangslichtstromes auf die Detektoranordnung,

Fig.7 eine zur Anordnung gemäß'Fig.4 analoge Anordnung • mit mehreren optischen Ausgängen,an die je ein zur Erfassung der zu messenden Länge geeignetes Inter-

v . ferometer. mit Detektoranordnung angeschlossen ist,

Fig.8· eine .zur Anordnung gemäß Fig.1 analoge Anordnung,mit der durch Zeitmultiplex-gesteuerten Betrieb eines Empfänger-Interferometers mit Hilfe verschiedener Geber-Interferometer erfaßte Längen bzw.Längenänderungen meßbar sind^

Fig.9 eine spezielle Gestaltung eines inbesondere im Rahmen einer erf indungsgeinäßen Anordnung einsetzbaren Michelson-Interferometers und

Fig.10 eine spezielle Gestaltung eines im Rahmen einer erfindungsgemäßen Anordnung einsetzbaren Fabry-Perot-Interferometers ·

Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsge-mäße Anordnung' 10 dient zur Fernmessung kleiner Lungen und I.angenätxku'uuyan, deren typische Beträge zwischen O und 10mm liegen,sowie zur Messung physikalischer Größen wie Druck und/oder Temperatur, die in eine mittels der Anordnung 10 erfaßbare Länge bzw. Längenänderung umsetzbar sind."Fernmessüng"soll dabei bedeuten _#daß die Auswertung von Meßsignalen,die eine in Einheiten der zu messenden Größe auswertbare Information enthalten, in einer insgesamt mit 11 bezeichneten Meß- bzw.Auswertungsstation erfolgt,die weit,d.h. 1m bis ca.1km vom Meßort entfernt sein kann,an dem die für die Meßgröße charakteristisehe,zu messende Länge oder Längenänderung eintritt.

Die Anordnung 10 gemäß Fig.1,auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei,umfaßt ein erstes,im Rahmen der Auswertungsatation 11 vorgesehenes Zweistrahl-Interferometer 12 und ein zweites,am Meßort vorgesehenes Zweistrahl-Interferometer 13,dessen Eingang 14 über eine erste Lichtleitfaser mit dem Ausgang 1? des ersten Interferometers 12 optisch gekoppelt ist.Der Ausgang 18 des zweiten Interferometers 13 ist seinerseits über eine zweite Lichtleitfaser 19 mit einer im Rahmen der Auswertungsstation 11.vorgesehenen Anzeigeeinheit 21 optisch gekoppelt,die eine zur Intensität des über

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die zweite Lichtleitfaser 19 auf einen Detektor 22 geleiteten, durch den Pfeil 23 repräsentierten Ausgangslichtstromes des zweiten Interferometers proportionale Anzeige vermittelt.

Die beiden Interferometer 12 und 13 sind somit zwischen einer

-sr-

ebenfalls im Rahmen der Auswertungsstation 11 vorgesehenen Lichtquelle 24,die einen als Primärlichstrom dem Eingang 26 •des ersten Interferometers zugeleiteten weißen oder spektral .breitbandigen. Lichtstrom aussendet,und der Anzeigeeinheit 21 in Reihe.geschaltet. · · .

Unter einem "weißen" Priinärlichtstroiu soll im folgenden sowohl ein Lichtstrom mit: kontinuierlicher . wie auch ein solcher mit diskreter Verteilung der Lichtwellenlängen innerhalb einer spektralen Bandbreite Δ% verstanden werden,die in der Größenordnung einer mittleren Wellenlänge von dem Primärlichtstrom umfaßten Lichtes liegt.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Pig.1 sind die beiden Interferometer 12 und 13 als an sich bekannte Michelson-Interferometer vorausgesetzt-,die "je e Lnen Strahlenteiler 27 bzw.28,einen beweglichen Spiegel 29 bzw. 31 und einen festen Spiegel 32 bzw.33 umfassen.

Zur Erläuterung der verf ahrunsgemäßen Funktion der Inter ί cm ometer 12 und 13 im Rahmen der Anordnung 10 sei im folgenden zunächst das erste Interferometer 12 betrachtet,dem der von der. Lichtquelle 24 ausgesandte,weiße Primärlichtstrom zugeleitet wird:

Der am Eingang 26 in das erste Interferometer 12 eintretende,durch den Pfeil 34 repräsentierte Primärlichtstrom,der den zeitlichen Amplitudenverlauf U(t)haben möge,wird 'durch den Strahlenteiler 27 in zwei durch die Pfeile 36 und 37 angedeutete Teillichtströme annähernd gleicher Amplituden geteilt. Diese Teillichtströme 36 und 37 werden durch die Spie-

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ijc'l. 29 bzw. 32 zum Strahlenteiler 27 V.ui ückgewori en.Die vom fcJ-tiuhlonteilor 27 zum beweglichen Spiegel 29 und vom Strahlenteiler 27 zum festen Spiegel 32 des Interferometers 12 führenden·Lichtwege 38 und 39 werden als die beiden Arme des Interferometers 12 bezeichnet.Soweit die Teillichtströme 3 6 und 37 vom Strahlenteiler 27 zum'.Ausgang 17 des zweiten Interferometers hin durchgelassen bzw.umgelenkt■werden,entsteht aus der überlagerung dieser Teillichtströme ein erster, in der Fig.1 durch den Pfeil 41 repräsentierter Vereinigungslichtstrom,der über die erste Lichtleitfaser 16 zum zweiten Interferometer 13 weitergeleitet wird.Da die Interferometerarme 38 und 39 des Interferometers 12 im allgemeinen verschieden lang sind,sind auch die Laufzeiten der Teillichttitröme 3fa und 37 verschieden,sodaß die zur Überlagerung gelangenden Teillichtströme am Ausgang-17 mit einer Zeitdifferenz Tr- eintreffen.

-Demgemäß ist der zeitliche Verlauf V(t)der Lichtamplitude am Ausgang 17 des ersten Interferometers,abgesehen von einer für beide zur Überlagerung gelangenden Teillichtströme wirsanien Zeitverzögerung.durch die Beziehung

■ . V(t) = a.jüttj+a^it-ij) ' (1)

gegeben.In der Beziehung(1)sind mit a· und a- die Amplituden-TranumLssionskoeffizicnten zwischen dem Eingang 26 und dem ' Ausgang 17 des Interferometers 12 entlang der beiden Inüerferometerarme 38 bzw.39 bezeichnet.Weitor ist die Zeitdifferenz

^TI = ^xI/c = ²Vc ■ ^{2)

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gegeben,worin· x_T den G.angunterschied der beiden Interferometerarme 38 und 39 bedeutet,der gleich dem doppelten Wert des Abstandes L zwischen dem beweglichen Spiegel 29 und dem Spiegelbild 42 des feststehenden Spiegels 32. ist,das ein als teildurchlässiger 4 5 -Spiegel angenommener Strahlenteiler 27 von dem feststehenden Spiegel 32 entwirft,und worin c die Lichtgeschwindigkeit bedeutet..

Durch den Kurvenzuy. 43.der Fig.2 ist in Abhängigkeit vom. Gangunterschied x_T der beiden Interferometerarme 38 und 3¹J die Intensität des aus der überlagerung der Austritts-Teillichtströme resultierenden Ausgangslichtstromes 41 wiedergegeben.Dieses sogenannte Interferogramm hat bei verschwin-■ · dendem Gangunterschi'ed (x_T = O) ein von Nebenminima und .. . -maxima begleitetes ausgeprägtes Hauptmaximum 44,das durch konstruktive Interferenz der Teillichtströme 36 und 37 ent-, steht,die in diesem Fall gleichzeitig am Ausgang 17 des ersten Interferometers 12 eintreffen.

Die "Breite" b dieses Hauptmaximums 44 des Interferogramms 4 -"'"" ■ ist ungefähr gliech dem Kehrwert der spektralen Bandbreite des.Primärlichtstromes 34 bzw,des auf einen zur Aufzeichnung des Interf eroingranuns 43 geeigneten Detektors auf treffenden Lichtes.Wire} der Gangunterschied χ_ erheblich größer gewählt als die Breite b des Interferenz-Hauptmaximuins 44,d.h.dio Verzögerungszeit T erheblich größer als die Kohärenzzeit: des Primärlichtstromes 34 und der aus diesem erzeugten TqLllichtströme 36 und 37,so erfolgt keine Interferenz mehr.Bezogen auf den in der Fig.2 gestrichelt angedeuteten mittleren Signalpegel 46 des Interferogramms 43 als 100%-Marke _f betragt die Höhe des bei X₁ = 0 liegenden Interferenz-Haupt-

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maximums 200%. ' ' ■

Zur weiteren.Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung 10 zu dessen Durchführung wird nun der Fall bei rächtet, ,daß der am Ausgang 17 des ersten Interfeioiueterü I 2 au:j der Überlagerung der Aust r i t l.s-'reii LichtüLrünie 3d und JV resultierende Lichtstrom unter Aufspaltung in weitere Teillichtströme durch das zweite Interferometer 13 auf den Detektor 22'der Anzeigeeinheit 21 geleitet wird.Hierbei sei davon ausgegangen,daß der Gangunterschied k_jt = 2L_TT der Interferometeratrme 4 7 und 48.des zweiten Interferometers 13 auf einen ■ festen Wert eingestellt ist,dom ein beut inunter Wert der Meßgröße entsprechen möge,wobei L.-. wiederum den Abstand zwischen dem beweglichen Spiegel 31 und dem vom Strahlenteiler 28 entworfenen' Spiegelbild 5O des feststehenden Spiegels -33 des zweiten Interferometers 13 bezeichne.Die für den Gangunterschied im zweiten Interferometer 13 charakteristische relative VerzügerungszeiL T.. ist dann ana Lüg zur Beziehung (2 j durch die Beziehung

= ^2LII/c

gegeben.

Jeder der beiden Teillichtströme 36 und 37,die aus. der Aufspaltung des Primärlichstromes 34 im ersten Interferometer "12 resultieren' und mit der relativen Verzögerungszeit T am Ausgang 17 des Interferometers 12 einander überlagert werden, werden im zweiten Interferometer 13 noch einmal in je zwei Teilliehtntröme aufgespalten,deren relative Verzögerungszeit T,..- durch die Beziehung (3) gegeben ist;Der auf - den Detek -

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tor 22 auftref 1 ende Ausyangy-LichLutrom 22 les zweiten 'In.teii'.uromctoru 13 viuiiaßt demgemäß viel , im al Lyemeinen Fail' nacheinander auf den Detektor 22 treffende Teillichtströme ungefähr gleicher Amplituden.Relativ zu dem zuerst auf den Detektor 22 treffenden Teillichtstrom betragen die Ver-zögerungszeiten der drei weiteren Teillichtströme T ,T .und T_+T .. Wegen dieser unterschiedlichen Verzögerungen werden die vier Teillichtströme im allgemeinen nicht miteinander interferieren.Eine Interferenz tritt jedoch dann auf,wenn mindestens zwei der vier■ TeLllichtströme gleichzeitig am Detektor 22 eintreffen.Da der Gangunterschied χ im zweiten Interferometer 13 als Abbild dor Meßgröße als ungleich 0 vorausgesetzt war,ergeben sich für dan Auftreten von -InLerferenzen alternativ die lolijunden Bedi nyunijen:

(a) T₁ = 0 ' -

oder
<b) T₁ - T₁₁^ ■,

Wenn die Bedingung la) erfüllt ist,interferieren je zwei der insgesamt vier Teillichtströme paarweise miteinander·,und .es liegt der in Verbindung mit der Fig.2 .erläuterte Fall de.r "Hauptinterferenz" vor,in der die Höhe des Interferenzmaximums 44 200% des mittleren Signalpegels beträgt..

Wenn die Bedingung · (b) erfüllt 1st,,interferieren nur zwei der insgesamt vier Teillichtströme miteinander,da die anderen beiden Teillichtströme gegenüber den interferierenden ' mit verschiedenen Verzögerungszeiten behaftet sind.Das Aus-

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gangssignal des Detektors 22 erhöht sich in diesem Fall,der ■ als "Nebeninterferenz" bezeichnet wird,auf 150%. des in der 'Fig.3 wiederum gestrichelt eingetragenen mittleren Signalpegels 49,wenn keine Interferenzen vorliegen.

Die Fig.3 zeigt als Interferogramm -51 der Gesamtanordnung 10 den typischen Verlauf des Ausgangssignals des Detektors 22 in Abhängigkeit vom Gangunterschied χ im ersten Interferme-•v tor 12. Eine dem Ilauptmaximum 44 der Pig. 2 entsprechende Haupt-

interCorenz 52 tritt gomiiß dor Bedingung (α) nur einmal ,nüiulich bei x_T = O auf.Dagegen tritt eine der Bedingung (b) entsprechende Nebeninterferenz 53 bzw.54 sowohl bei x_T = x_TT ■als auch bei X₁ = "Xj₁ auf ,da es für die Nebeninterferenz 53 und .54 nur darauf ankommt ,daß die Zeitverzögerungen T und T gleich"sind,es im übrigen aber gleichgültig ist,ob die Zeitdifferenz. T dadurch entsteht,daß der den beweglichen Spiegel 29 enthaltende Interferometerarm des ersten Interfe-rometers 12 länger öder kürzer ist als dessen anderer Arm

Anhand der Fig.3 ist erkennbar,wie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine am Ort des zweiten Interferometers 13. gegebene ne Länge oder dort eintretende Längenänderung von der entfernt angeordneten Meß- und Auswertungsstation 11 aus gemessen werden kann.Dabei sei zum Zweck der Erläuterung angenorii-. men,daß der Gangunterschied X₁₁ der beiden Interferomterarme 48-und 49 des zweiten Interferometers 13 direkt mit einem bestimmten Wert der Meßgröße verknüpft sei.Zur Erfassung dieses Wertes werden dann zunächst durch systematische Veränderung des Gangunterschiedos χ im ersten Interferometer 12 die drei Interferenz-Maxima 52,53 und 54 gemäß Fig.3 aufgesucht.Durch die in Einheiten des GangunterschLedes aus-

gedrückten Abstände der Nebenmaxima 53 und 54 vom Hauptmaxirdum 52 geben dann direkt den im zweiten Interferomter 13 vorliegenden Gangunterschied x_TT an;der so ermittelte Wert des Gangunterschiedes x_TT wird nun als Bezugswert für gegebenenfalls eintretende Änderungen des Gangunterschiedes und damit verknüpfter Änderungen der Meßgröße gespeichert.Tritt eine solche Veränderung ein,so werden zur Erfassung dieser Änderung durch systematische Veränderung des Gangunterschiedes' χ im ersten Interferometer 12 die neuen Positionen der drei Interferenzmaxima 52,53 und 54 festgestellt, und aus den Abständen der Nebenmaxima 53 und 54 vom Hauptniaxiinum 52 der geänderte Wert des Gangunterschiedes χ_χΐ ermittelt,wobei die Differenz zwischen dem neuen und dem alten ,-gespeicherten Wert gleich, der doppelten Länge des Verschiebeweges des· beweglichen Spiegels 29 des ersten Interferometers 12" von der dem gespeicherten Wert entsprechenden Position in die dem geänderten Wert entpsrechende Position der Meßgröße ist.

Eine bei dieser Meßmethode unter Umständen auftretende Doppeldeutigkeit des Meßergebnisses,die dadurch¹zustande kommen könnte,daß die Verschiebung des beweglichen Spiegels 31 des zweiten Interferometers 13 über den Zustand X₁₁ = O führt, kann durch eine geeignet»Begrenzung des Verschiebebereiches dieses beweglichen Spiegels 31 auf einfache Weise vermieden werden.Die anhand der Fig.3 erläuterten Bedingungen (a) und (b) für das Zustandekommen der Hauptinterferen2 52 und der Nebeninterferenzen .53 und 54 bei zweckentsprechendem Einyatz der Anordnung 10 gemäß Fig.1 gelten sinngemäß auch für die in der Fig.4 dargestellte Ausführungsform einer weiteren erfindungsgemäßen.Anordnung 60,deren"verfahrensgemäße Benutzung derjenigen der Anordnung 10 gemäß Fig.1 völlig analog ist.üem-

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-vs-

gemäß sind in der Fig.4 diejeinigen Elemente,deren Funktion solchen der Fig.1. entspricht oder analog ist,mit denselben Bezugszeichen belegt wie in der Fig.1.

Die .Anordnung 60 gemäß Fig.4 unterscheidet sich in ihrem Aufbau von dorjunLyon gemäß Fiy.l im wesentlichen nur dadurch, daß die Anordnung der Lichtquelle 24 und der Anzeigeeinheit im Ruhinon dor MeßsLati.on 11 vertauscht Li;t. Dementsprechend wird bei' verfahrensgemäßer Benutzung der Anordnung 60 der von der Lichtquelle 24 ausgesandte Primärlichtstrom 34 zunächst über die Lichtleitfaser 19 zum Eingang 14 desjenigen Zweistrahl-Interferometers 13 geleitet,dessen Gangunterschied x_TT direkt mit der Meßgröße verknüpft ist.Der durch den Pfeil 56 der Fig.4 repräsentierte Aüsgangslichtstrom des als Lärigengeber benutzten Interferometers 13,der aus der •Überlagerung zweier durch Aufspaltung des Primärlichtstromea 34 erzeugter ,mit einer gangunterschieds-proportionalen relativen Zeitverzögerung T behafteter Ausganys-Teillichtströme des Interferometers 13 resultiert,gelangt über die Lichtleitfaser 16 zum Eingang 26 des als Empfäriger-Interferometer benutzten Zweistrahl-'Interüerometers 1 2 ,das durch gezielte Variation des Gangunterschiedes X_T seiner Interferometerarme 38 und 39 die Erfassung der· Interferenz-Maxima 52,53 und 54 der jeweils charakteristischen Kor-? relatiiinsfuriktion 51 (vgl.Fig.3) ermöglicht,zu deren Aufzeichnung die mit dem Ausgang 17 des Empfänger-Interferometers 12 gekoppelte Anzeigeeinheit 21 vorgesehen ist..

Während bei den Anordnungen 10 und 60 gemäß den Figuren 1 bzw.4 jeweils zwei Lichtleitfasern .16· und 19 benötigt werden, über die das-Meßlicht von der Auswertungsstation 11 zu dem

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• - xr - ;

als Meßgrößengeber eingesetzten Interferometer 13 hin und von diesem wieder zur Meßstation 11 zurückgeleitet wird, .ist 5JU diesem Zweck sowohl bei der Anordnung 65 gemäß Pig. 5 wie auch bei der .Anordnung 66 gemäß Fig.6 jeweils nur eine einzige Lichtleitfaser 57 bzw.67 erforderlich.

Die Anordnung 65 gemäß FIg.5 entspricht in ihrem grundsätzlichen Aufbau und ihren funktioneilen Eigenschaften weitestge-

■ ·

hend der Anordnung 10 gemäß Fig.1.1m Unterschied zu dieser ist bei der Anordnung 65 zwischen dem Ausgang 17 des ersten Interferometers 12 und dem diesem nahen Ende-der Lichtleitfaser 57 ein weiterer Strahlenteiler 58 vorgesehen,der ohne Beschränkung der Allgemeinheit als halbdurchlässiger,ebener Spiegel mit der aus der Fig.5 ersichtlichen 45 -Orientierung bezüglich der Ausbreitungsrichtung der auf ihn auftreffenden Lichtströme 41 und 59 vorausgesetzt sei.Zum Nachweis der die Längeninformation enthaltenden Interferenzorscheinungen wird der an dem zusätzlichen Strahlenteiler. 58 zur Anzeigecinheit 21 hin reflektierte Teil desjenigen Lichts Irromes' 59 ausgenutzt,der im Geber-Interferometer 13 zu dessen Eingang 14 hin zurückreflektiert wird und "von diesem über' die Lichtleitfaser 17 zum Strahlenteiler 58 gelangt(vgl.auch Fig.1).Da· . dieser Lichtstrom. 59 gleichsam das "Komplement" des bei der Anordnung 10 gemäß· Fig.1 dem Detektor 22 zugeleiteten Lichtstromes 23 darstellt,dessen Identität in Abhängigkeit vom Gangunterschied .im Empfänger-Interferometer 12 durch das Interferagramm der Fig.3 wiedergegeben ist,hat das Gangunterschieds-abhängige Detektor-Ausgangssignal der Anzeigeeinheit 21 der Anordnung 65 gemäß Fig.5 nunmehr .den in der Fig.3 durch die gestrichelt eingezeichnete Korrelationsfunktion 61 wiedergegebenen Verlauf mit einem der Hauptinterferenz 52 zu-

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geordneten ■ Hauptminimum 62,in dem die Intensität des Ausgangs-Lichtstrom 59 nahezu Null"wird,und mit den Nebeninterfe- _ ranzen zugeordneten Nebenminima 63 und 64,in denen die Intensität des Ausgangs-Lichtstromes 59 nur noch 50% seines als 100%-Marke angenommenen mittleren Signalpeg.els 49 beträgt. Dieselbe Korrelationsf unktion 61 charakterisiert auch die Anordnung 66'gemäß Fig.6,deren grundsätzlicher Aufbau und funktioneile Eigenschaften weitestgehend der Anordnung gemäß Fig.4 analog sind. ·

Die Anordnung 66 gemäß Fig. G unterscheidet sich von. derjenigen gemäß Fig.4 hinsichtlich ihres Aufbaus dadurch,daß zwischen der Lichtquelle 24 und dem dieser nahen Ende der ein- ?igen Lichtleitfaser 67 ein zusätzlicher Strahlenteiler 68 vorgesehen ist,der wiederum ohne Beschränkung der Allgemeinheit als halbdurchlässiger ebener Spiegel mit der aus der Fig.6 ersichtlichen 45 -Orientierung bezüglich der auf ihn auftreffenden Lichtströme 34 bzw.69 vorausgesetzt sei.Der funktionelle Unterschied der Anordnung "66 gegenüber derjenigen gejuäß Fig. 4 besteht dar in ,daß dem Empf anger-Interferometer" 12 als Eingangslichtstrom der von dem weiteren Strahlenteiler' 68 zum Eingang 26 des Interferometers 12 hin reflektierte Teil desjenigen Lichtstromes 69 zugeleitet wird, · der im Geber-Interferometer 13 zu dessen Eingang-14 zurückref lek^tiec t · wird.

Die in dec· Fig.3 wiedergegebene,für die speziellen Anordnungen 65 und 66 gemäß den Figuren 5 und "6 charakteristische "Umkehr"der Korrelationsfunktion 61 kommt dadurch zustande, daß bei diesen als Geber-Interferometer 13 jeweils,wie in den Figuren 1 und 4 im einzelnen dargestellt,ein Michelson-

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Interferometer verwendet wird.Durch einen Einsatz anderer, bekannter Interferometer als Geber-Interferometer 13 kann jedoch die Vorzeichen-Umkehr der Interferenz-Extrema 62,63 und 64 vermieden und stets ein der Korrelations'funktion 51 entsprechendes Interferogramm erreicht werden.

Die anhand der Figuren 1-6 erläuterten .Durchführungsarten.des · erfindungsgemäßen; Verfahrens und Anordnungen zu seiner Durchführung können so modifiziert werden,daß die mittels eines Geber-Interferometers gewonnene Längen- bzw. Meßgrößen-Information mit Hilfe einer Mehrzahl von Empf änger.-Interf erometern ausgewertet werden,die über einen Mehrfach-Strahlenteilcr- und eine entsprechende' Anzahl von Lichtleitfasern mit dem Geber-Interferonieter gekoppelt sind,wobei sich diese mehreren L'mpf änger-Interferometer und diesen nachgeschaltote Anzeige-Einrichtungen entfernt vom Geber-Interferometer entweder .an räumlich weit voneinander entfernten verschiedenen Orten befinden oder auch in einer räumlich kompakten einzigen Empfangsstation untergebracht sein können.

Eine diesbezüglich geeignete Anordnung 7O»,deren grundsätzlicher Aufbau, der jenigen der Anordnung 6O gemäß FIg.4 entspricht,ist in der Fig.7 dargestellt.Die von dem entfernten Geber-Interferometer 13 kommende Lichtleitfaser 16 führt zu einem Mehrfach-Strahlenteiler 71,der den über die Lichtleit-' faser 1^Ν6· ankommenden Ausgangs-Lichtstrom 56 zu etwa gleichen Teilen in N Teillichtströme 72 aufteilt,die über je eine . weitere Lichtleitfaser 73 je einem Empfänger-Interferometer 74 mit nachgeschalteter Anzeigeeinheit 21 zugeleitet werden,die in einer der Zahl der Ausgänge des Mehrfach-Strahlenteilers 71 entsprechenden Multiplizität vorgesehen sind.

BAD ORiGIMAL

Mit der insoweit erläuterten Anordnung 70 kann mit jedem der Empfänger-Interferometer 74 die im jeweiligen Lichtstrom 73 enthaltene Längen- bzw.Meßgrößeninformation ausgewertet werden. . "'

Es versteht sich,daß die Anzahl N der gleichzeitig in der ge- ' schilderten Weise an ein einziges Geber-Interferometer 13 anschließbaren Empfänger-Interferometer 74 durch die Forderung begrenzt ist,daß in jedem der Empfänger-Interferometer 74 eine für die sichere Erfassung der Interferenz-Maxima 52,53 und 54 hinreichende Intensität der Lichtströme 73 gewährleistet sein muß.

In spezieller Gestaltung der Anordnung -70 sind deren Eniptänger-.Interf erometer 74 derart aufeinanader abgestimmt ,daß die Gangunterschiede ihrer Interferometerarme in diskreten Schrittweiten Δ_Νχ_γτ abgestuft sind,wobei diese Schrittweite dem .· N-ten. Teil (N- = Anzahl der Empfänger-Interferometer 74).des zur Ermittlung des Interferogramms 51 erforderlichen Variationsbereichsdes Gangunterschiedes X₁₁ entspricht;des weiteren sind die Empfänger-Interferometer 74 funktionell derart miteinander gekoppelt,daß die in der genannten Weise abgestuften Gangunterschiede ihrer Interferometerarme gemeinsam um ' jeweils denselben Betrag variiert werden können.Im Ergebnis wird dadurch· das Interferogramm 51 gemäß Fig.3 in N aneinander anschließende Intervalle oder Kanäle unterteilt/die durch die genannte Variation des Gängunterschiedes gleichzeitig "abgefragf'werden können,wobei die Gröb-rlnformatibn über die zu messende Länge in digitaler Form,d.h.durch, die geordnete Folge der .jeweils ansprechenden Empfänger-.Interferometer 74 bzw.deren Anzeige-Einheit. 21 vorliegt und .die Fein-Informa-

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tion über.die'genaue Lage dor Jnterferonz-Maxiiua ϊ>2,53 und 54 analog,d,h.durch die genannte stetige Variation der Gangunterschiede gewonnen wird. · .·

Der wesentliche Vorteil einer solchermaßen gestalteten Mehrfach-Meßanordnung 70 besteht darin,daß,eine genügende Intensität des Ausgangslichtstromes 56 des Geber-Interferometers vorausgesetzt,eine sehr feine Unterteilung des zu untersuchen-: den Gangunterschieds-Bereichs gewählt werden kan.n,sodaß zu der genannten Analog-Variation der Gangunterschiede in den einzelnen Empfänger-Interferometern 74 um den kleinen Min-' destbetrag4_Nx_i:igegebenenfalls piezoelektrische Elemente eingesetzt werden können,mit den sinnf ällicjen Vorteilen der einfachen Steuerung und der Vermeidung des ansonsten zur beweglichen Lagerung,von Spiegeln erforderlichen Aufwandes' .. an mechanisch-technischer Präzision.

Eine nach dem Prinzip der Anordnung 60 gemäß Fig.4 aufgebaute Mehrfach-Meßeinrichtung ist auch in einer Gestaltung möglich, derart,daß die Kombination Quelle 24 + Geber-Interferometer 1 3 mehrfach vorgesehen ist und die Ausgangs->Lichtströiue dieser Geber-Interferometer 13 über eine entsprechende Anzahl von Lichtleitfasern 16 optisch mit den Eingängen eines Mehrfach— Strahlvereingers verbunden sind,der die verschiedenen' Ausgangslichtströme 56 der Geber-Interferometer 1.3 in einen einzigen, zum Eingang des nur einfach vorgesehenen Empfänger-m-

• terferometers führenden Lichtweg einkoppelt.Bei einer solchen Gestaltung einer Anordnung iiir Mehrfach-Messungcn besteht natürlich das Problem der eindeutigen Zuordnung der mittels dos einzigen Empfänger-Interferometers 13 und s.ei'ner Anzeige--Ein-

' heit 21 ermittelten Interferenz-Extrema zu den die Meßgröße

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erfassenden Geber-Interferoiuetern 12.Dieses Problem kann aber uuC einfache Weise ζ.B.durch eine .geeignete Multiplex-Steuerung gelöst werden,indem die verschiedenen Lichtquellen 24-einzeln in .geordneter Reihenfolge nacheinander eingeschaltet und die in den Ausgangs-Lichtströmen der einzelnen Geber-Interf erometer 1 3 enthaltenen Längen-bzw.Meßgrößen-Informationen in der entsprechenden Reihenfolge ausgewertet werden.

Eine zum vorstehend erläuterten Zweck geeignete Anordnung

■ kann,ausgehend von der Anordnung 10 gemäß Fig.1 auch in der aus der Fig.8 ersichtlichen Weise realisiert sein.

Hei der Mehrf ach-Meß anordnung 80 g-.emuß Fig. 8 ist eine Lichtquelle 24 und ein zentral angeordnetes,in Verbindung mit mehreren üeber-Interferometern 13 für verschiedene Meßgrößen bzw.Meßstellen benutzbares Interferometer 12 vorgesehen,in welchem,wie in Verbindung mit der Anordnung 10 gemäß Fig.1 beschriebe^ zum Aufsuchen der Interferenz-Maxima 5.2,53 und 54(Fig.3)der Gangunterschied x_T systematisch variiert werden kann.An den Ausgang 17 dieses Interferometers 12 ist optisch ein Mehrfach-Strahlenteiler 81 angeschlossen,der den Ausgangs-' Lichtstrom 41 des zentralen Interferometers 12 in eine der Anzahl der vorgesehenen Geber-Interferometer 13 entsprechende Zahl vOnTeillichtstrÖmen 82 etwa gleicher Intensität aufteilt ,die über Lichtleitfasern 16 zu je einem der Eingänge 14 der Geber-Interferometer 13 geleitet werden.Die die Längeninforraation enthaltenden Ausgangs-Lichtströme 23 der Geber-Interf erometer- 13 können über die weiteren Lichtleitfasern 19 zu einer der in entsprechender Multiplizität vorgesehenen Anzeigeeinheiten 21 geleitet werden", mit denen die" für die jeweiligen Längeninformationen charakteristischen Inter ferogranime avrfgezeich-

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29

net oder auf geeignete Weise gespeichert werden und in Einheiten der mit der Längeninformation verknüpften Meßgröße •zur Anzeige gebracht werden können.Der im Rahmen der Anordnung. 80 gemäß Fig.8 vorgesehene Mehrfach-Strahlenteiler 81 kann denselben Aufbau haben wie der im Rahmen der Anordnung.70 gemäß Fig.7 vorgesehene Mehrfach-Strahlenteiler 71 und als sogenannter Sternkoppler ausgebildet sein.

Der wesentliche. VOj teil der Mehrfach-Meßanor.dnung 80 gumüß Fig.8 besteht darin,daß das Interferometer 12,das wegen·der erforderlichen Einrichtungen zur systematischen Gangunter— schieds-Variation·einen verhältnismäßig aufwendigen Aufbau hat,nur einmal benötigt wird,während die mehrfach vorgesehenen Geber-Interferometer 13 mit zweckentsprechender Anpas- ' sung an die Meßordnung 80 erheblich einfacher aufgebaut sein können. · ■

Eine diesbezüglich geeignete Gestatlung eines Michelson-Interferometer s 90,das aufgrund einer symmetrischen Anordnung paarweise gleicher Bauteile eine besonders einfache kompakte Bau-. weise erlaubt,ist schematisch in der Fig.9 dargestellt,auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei: . ■

■entlang der zentralen Achse 91 eines langgestreckt-zylindrisehen interferometer-Gehäuses92 sind eine erste Kollimator-Linse 93,ein erstes Polarisationsprisma· 94,eine Verzogerungs— platte 96,ein zweites Polarisationsprisma 97 und eine 2weite Kollimator-Linse 98 in dieser Reihenfolge angeordnet.Diese optische Baugruppe ist zwischen den Eingangs- und Ausgangslichtwege_fdie in seitlichem Abstand von der zentralen Achse parallel zu dieser verlaufen,markierenden Endabuchnitten

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3OU 183

und 102 von Lichtleitfasern 16 und 19■einerseits und am gegenüberliegenden Ende des Interferometer-Gehäuses 92 vorgesehenen,ebenfalls in seitlichem Abstand von der zentralen Achse 91;den parallelen Faserabschnitten-101 und 102 gegenüber- · liegenden Spiegeln 103 und 104 angeordnet,von denen einer, ■z.B.der Spiegel 103 in axialer Richtung d es Gehäuses beweglich ist.Ensprechend ihrer Funktion sind die beiden Kollimator-Linsen 93 und 98 im Abstand ihrer Brennweiten f. bzw. " •f- von dem jeweiligen Polarisationsprisma 94 bzw.97 angeordnet. Zweckmäßigerweise entsprechen auch die axialen Abstände der ersten Kollimator-Linse 93 von den benachbarten Faserenden und der zweiten Kollimator-Linse 98 von einer mittleren Lage der benachbarten Spiegelflächen 103 und- 104 den jeweiligen Linsenbrennweiten r' und f-.Die Polarisationsprismen 94 und 97 sind als sogenannte Wollaston-Prismen ausgebildet,die senkrecht zueinander polarisierte Komponenten eines Eingangs-Lichtstromes in zwei unter verschiedenen Winkeln abgelenkte Teillichtströme aufspalten,die senkrecht zueinander polarisiert sind.Die.Anordnung des Endabschnittes 101 der Lichtleitfaser 11 6,die als· Eingangs-Lichtw.ey benutzt sein iuüye,und des ersten Wollaston-Prismas 94 ist so getroffen,daß dieses z.B,die senkrecht zur Zeichenebene polarisierte Komponente eines durch den Pfeil 106 repräsentierten Eingangs-Lichtstromes als Teillichtstrom 107 entlang der zentralen Achse 91 · zur Verzögerungsplatte 96 umlenkt.Die Verzögerungsplatte 96 ist als Viertel-Wellenlängenplatte ausgebildet,die so orientiert ist,daß sie den vom ersten Wollaston-Prisma 94 kommenden Teillichtstrom 107 in links-zirkuiarpolarisiertes Licht umwandelt.Der aus dem linear-polarisierten Teillichtstrom erzeugte zirkular-polarisierte Lichtstrom 108 wird von dem •zweiten Wollaston-Prisma 97 wieder in zwei linear und senk-

• / 24

- 2-r -

recht zueinander polarisierte Teillichtströme 109 und 111 zer legt,die mittels der zweiten Kollimator-Linse 98 auf je einen der beiden Planspiegel 103 bzw.104 umgelenkt werden.Nach der Reflexion an diesen Spiegeln 103 und 104 durchlaufen die Teil lichtströme 109 und 111 dieselben Wege in umgekehrter Richtung. Das. nunmehr vom zweiten Polarisationsprisma 97 kommende und durch die Viertel-Wellenlängenplatte 96 gelangte Licht ist dann wieder linear polarisiert.Gemäß den .Gesetzen dex Polarisations-Optik ist jedoch dann das Azimuth oC des yonder Viertel-Wellenlängenplatte 96 zurückkehrenden Lichtes durch ■ die Beziehung

gegeben,worin L der in der Fig.9 angedeutete'halbe Gangunterschied der an den Spiegeln 103 und 104 reflektierten Lichtströme 109 und 11.1 ist und % die Lichtwellenlänge bedeutet. Entsprechend diesem Azimuth-Winkel oC ^un<^ der geeigneten Anordnung der Endabschnitte 101 und 102 der Lichtleitfasern 16 bzw. 19 teilt sich die Intensität des aus dem- ersten Polari-sa-

2 2

tions-Prisma 94 zurückkommenden- Lichtes wie cos cC und sin cC auf die durch die beiden Lichtleitfasern 16 und 19 markierten Lichtwege auf,in völliger Analogie zur Punktionsweise eines Michelson-Interferoraeters wie z.B.in den beiden figuren 1 und 4 detailliert dargestellt.

Ein für die einlache und sichere ürmi-ttoluncj dar Intarferunz-Maxima 52,53 und 54 der vorstehend erläuterten Mcßanordnunyon zweckmüßiges Verfahren beisteht dar in, dem Gangunt eruch.icd χ . •der jeweiligen Empfänger-Interferome'ter 12 zeitlincar periodisch zu variieren,d.h.mit dem Betrage nach-konstanter,jedoch

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JZ

in dor Richtung wechselnder Geschwindigkeit.Dadurch wird die gesuchte Längengröße,d.h.der "Abstand"der Nebenmaxima 53 und 54 vom Hauptmäximum 52 in dazu proportionale Zeitintervalle umgewandelt.Bei jedem Durchfahren des Variationsbereiches des .Gangunterschiedes x_ erzeugt der Detektor 22 drei zeitlich aufeinander-folgende Signale/denen die drei Maxima 52,53 und 54 des Interferogramras 51(Fig.3)entsprechen.Die Zeitabstände ' dieser Signale können in .bekannter Weise elektronisch geinessen und in Einheiten der gesuchten Länge bzw.Meßgröße ausgewertet werden.

Uino weitere zweckmäßige -Möglichkeit der Signalauswertung im Rahmen der erläuterten Meßanordnungen besteht darin,den Gangunterschied x_r im jeweiligein Kiuprünyer-Intürfe'roiueter 12 durch einen Regelkreis stets auf einem der beiden Nebenmaxima 53 bzw.54 des Interferogramms 51 zu halten.Ändert sich der .Gangunterschied x_TT im angeschlossenen Geber-Interferometer 1 so wird der Gangunterschied x_T im Empfänger-Interferometer 12 automatisch nachgeführt.Bei dieser Verfahrensweise wird jede Längenänderung im Geber-Interferometer 13 in eine entsprechende Längenänderung im Empfänger-Interferometer 12 umgewandelt. Da die Nebenmaxima 53 und 54 des Interferogramms 51 symmetrisch sind,besteht bei einer solchen Regelung das Problem, das Vorzeichen der auftretenden Regelabweichungen(^χτ~^χττ)■ · richtig zu erkennen,Dieses Problem kann auf .einfache Weise dadurch gelöst werden,daß der Gangunterschied im Empfänger-Interf erometer 12 mit hoher Frequenz periodisch variiert wird,z.B.durch periodische Hin- und Herbewegung eines der Spiegel 29.oder. 32 eines Michelson-Interferometers,und daß die hieraus resultierende Wechselkomponente des Detektor-Ausgangsaignals mit der Gangunterschieds-Modulationsfrequenz.

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phasenempfindlich gleichgerichtet wird.Dieses Gleich-Signal, dessen Polarität, mit der Änderungsrichtung wechselt ,kann dann als Steuersignal für ein Stellglied ausgenutzt wer.den,das die gewünschte Folgeänderung des Gangunterschiedes χ im Kmpfänger-Inter.ferometer 12 vermittelt. ·

Bei den vorstehend erläuterten Gestaltungen erfindungsgeinäßer Fernmeßanordnungen 10,60,65,66,70 und' 80 waren die Geberund Empfcinyor-Interferometer 12,13 sowie 9o stets als Zweistrahl-Interferumet.er angenommen.Wic .einlei tend bereits erwähnt,können im. Rahmen der geschilderten Anordnungen aber auch Vielstrahl-I.nterf erometer .eingesetzt werden, die ζ .13. nach dem Prinzip des bekannten Fabry-Perot-Interferometers aufgebaut sind.Der "Gangunterschied" im vorstehend gebrauchten Sinne ist dann durch den doppelten Abstand der Spiegelflächen eines Fabry-Parot-Interferometers. gegeben. .

Die anhand der Fig.3 der Einfachheit halber·, für den Fall der Zweistrahl-Interferenz erläuterten Interferenzbedinyunrgen(a)und(b)gelten sinngemäß auch für den Fall der Vielstrahl-Interferenz , insbesondere dann,wenn eine nur mäßig große Anzahl F interferierender Strahlen vorliegen.Diese "(f ikl i.ve) Anzahl F Lsi bei. oinem FuUt y-l'oi öl -1 nl im Γιτοιικ·- ter dutch die sogenannte Finesse gegeben,dιe gemäß der Beziehung:

■n

- R

mit dem Reflexionxvermögen R der verwendeten Fabry-Pprot-Reflektoren verknüpft ist,übersteigt deren Reflexionsvermögen R nicht den Wert R = 0,5,so ist die durch .die Fimr-ü. repräsentierte Anzahl interferierender Strahlen gleich 4,

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j υ 4 Ly ι ο

-ι

und das resultierende Interferogramra ist noch weitgehend von dein in der Fig. 3 dargestellten Typ.

Ein im Rahmen.der erläuterten Anordnungen alternativ einsetzbares Vielstrahl-Interferonieter ist das in der Fig. 10 dargestellte.Fabry-Perot-Interferometer 100,das sich durch einen besonders einfachen und kompakten Aufbau -auszeichnet und insoweit als Geber-InterCerometer für die verschiedensten Meß/.wocke oinsetzbar ist : " ·

zwischen den Enden der Eingangs-Lichtleitfaser 16 und der Ausgangs-Lichtleitfaser 19 sind in der aus der Fig.10,auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen seijersichtli- ·. chen Weise zwei parallele,teildurchlässige Reflektoren 124 und 126 sowie in bevorzugter Gestaltung des Interferonie-Lers 100 auch zwei Linsen 120 und 121 so angeordnet,daß . das am Faserende 101 austretende Licht, durch die erste Linse - näherungsweise - in ein Parallelstrahlbündel umgewandelt wird,das durch die Reflektoren 124 und 126 hindurchtritt und von der zweiten Linse 121 _κ auf das Ende 102 der Ausgangs-Lichtlcitfaser 19 fokussiert wird.

Die Linsen 124 und 126 sind in der Fig.10 als Gradienten-Optik (sog."Selfoc"-Linsen)dargestellt;es könnten natürlich aber auch gewöhnliche Linsen verwendet werden.

Mindesten.3 einer der beiden Reflektoren 124 bzw. 126 ist derart beweglich angeordnet,daß der Reflektor-Abstand L gleich' der zu messenden Lange bzw.Längenänderung ist und bei einer Reflektorbewegung die Parallelität der beiden Reflektoren 124 und 126 erhalten-bleibt.

Die Licht-Transmi.su Lon des Intnrf <.:romel ers 100 hängt in bu-

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- «fTT -

kannter Weise periodisch von dem Reflektor-AbsLand L ab. Diese Abhängigkeit gleicht jedenfalls dann weitgehend derjenigen,die für ein Michelson-Interf.eroiiieter charakteristisch ist,wenn das Reflexionsvermögen R der Reflektoren nicht zu hoch, ist,ζ .B. -C 0,4 ist .Ein solches Fabry-Perot-Interferometer 100 kann daher ohne weiteres in allen vorstehend beschriebenen Anordnungen anstelle des jeweils den Meßwert aufnehmenden Michclson-Interferometers eingesetzt werden.

Bei höheren Werten des Reflexionsvermögen;. R traten neben den in Fig. 3 dargestellten Nebeniuaxima L>3,54 bi< i x^- - χ . auch noch weitere, jedoch schwächere Nobeniuaxiiua in' den Positionen X₁ = - h.x auf ,wobei h = 1,2,3,4..'. i at. K ine dadurch möglicherweise bedingte Mehrdeutigkeit des auszuwertenden Interferogramms läßt sich dadurch vermeiden,daß in einer Auswert-Elektronik neben der "Lage", der Interferenzen auch deren "Höhe" ermittelt wird,und daß neben dem jeweils höchsten Interferenz-Maximum 52 nur die bei-en den nächsthöheren Nebenmaxima 53,54 bei .der Auswertung berücksichtigt werden. ,

Bei der Messung sehr kleiner Längen(z.B. < 100 um)können die in der Fig.10 dargestellten Linsen 120 und 121 entfallen,Die Dicke der Reflektoren 124 und 126 muß dannhinreicheVid klein gewählt werden,um einen durch die Divergenz der aus der Lichtleitfaser 16 austretenden Strahlung bedingten Lichtverlust hinreichend klein zu halten.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE-

1. ] Verfahren zur Messung von Längen und. Längenänderungen, wonach die Meßgröße in die Differenz der Wege umgesetzt wird/die zwei Teillichtströme,die durch Aufspaltung eines Primärlichtstromes mittels eines Strahlenteilers erzeugt worden sind,in den beiden Armen eines Zweistrahl-Interferometers durchlaufen und wonach aus der Erfassung des Intensitätsverlaufs der durch überlagerte Vereinigung der Teillichtströme entstehenden Interferenzerscheinung die Differenz der geometrischen Längen der Interferometerarme ermittelt und aus dieser Differenz auf die Meßgröße geschlossen.wird,

dadurch gekennzeichnet,daß weißes Licht,d.h. Licht aus einem spektralen Bereich,dessen Bandbreite mit einer mittleren Wellenlänge dieses spektralen Bereichs yer- · gleichbar ist,als Primärlichtstrom ( 34 ) in eine Interferometer anordnung ( 10;60 ) eingekoppelt wird,die mindestens zwei,über eine Lichtleitfaser ( .16 ) hinter einandergeschaltete Interferometer ( 12,13 )umfaßt,wobei der am Ausgang des einen der beiden Interferometer aus der überlagernden Vereinigung der durch Aufspaltung des Primärlichtstromes erzeugten Teillichtströme resul-

ORIGiNALiWSPEGTED

tierende erste Ausgangslichtstrom(41 bzw.56)als Eingangslichtstrom dem anderen Interferometer zugeleitet und dessen Ausgangslichtstrom zu einem Detektor(22) geleitet wird,daß die Anordnung eines der beiden Interferometer so getroffen wird,daß die Meßgröße zu seinem Gangunterschied χ in einem definierten Verhältnis steht,und daß durch gezielte Variation des für die Teillichtströme im anderen Interferometer(12)maß-' geblichen Gangunterschiedes χ_χ die für die Gleichheit der Gangunterschiede χ und x_TT in beiden Interferometer^^ und 1 3)charakteristischen Extrema(52,53,54,· 62,63,64).des vom Detektor (22) erzeugten Korrelations-Au.sgangssignals aufgesucht werdend

'2. -Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,daß bei dem zum Aufsuchen der Korrelationsextrema(52,53,54;62,63,64)eingesetzten Empfänger-Interferpmeter(12)der Gangunterschied x· zeitiinear periodisch variiert wird,mit dem Betrage nach konstanteren der Richtung aber wechselnder Geschwindigkeit,und daß die Meßgröße aus dem Unterschied der Zeiten· bestimmt wird,zu denen das Ansgangssignal des Detektors(22)seine Extremwerte annimmt.

3. Verfahren-nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,

dadurch' gekennzeichnet,daß der Gangunterschied X₁ des • ' jeweiligen Empf.änger-Interfer'ometers (12) einer periodischen Modulation" unterworfen wird,deren in Einheiten des • Gangunterschiedes gemessene Amplitude kleiner ist als die mittlere Wellenlänge des Meßlichtes bzw.kleiner als die llalbwertsbreite der Korrelationbextremä(52,53,54;62,63,64) ,

• / 3 "

wobei die Periodendauer eines Modulationshubes klein iüt gegen diejenige Zeitspanne/in der die gezielte. Variation des Gangunterschiedes χ zu einer dem Modulationshub entsprechenden Änderung führt,und daß durch phasenempfindliche Gleichrichtung des Wechselsignal-Anteils des Detektor-Ausgangssignals mit der Modulationsfrequenz ein .Fehlersignal erzeugt wird,das zur Ansteuerung eines Stellgliedes benutzt wird,din; je nach der -Polarität des J-VhlersignaliJ den Gangunterschied x_T im liinpf anger-Inter ic· rometer(12)vergrößert bzw.verkleinert,derart,daß dieser Gangunterschied x_ dem mit der Meßgröße verknüpften Gangunterschied χ des anderen Interferometers(13)entspricht.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens'nach einem der vorhergehenden Ansprüche, · ' dadurch gekennzeichnet,daß der weiße Primärlichtstrom(34) in das zum Aufsuchen der Interferenzmaxima(52,53,54)vorgesehene Interferometer(12)einkoppelbar ist;dessen Ausgang (17) über eine erste Lichtleitfaser(16)mit dem Ein-, gang(14)des an einem entfernten Meßort angeordneten Geber-Interferometers(13)optisch verbunden ist. ,und daß der Ausgangslichtstrom(23)des Geber-Interferometers(1J) über eine zweite Lichtleitfaser(19)dem Detektor (22)einer Anzeigeeinheit(21)zugeleitet ist(Fig.i).

ν ,

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der ; vorhergehenden Ansprüche 1-3, . ■

dadurch gekennzeichnet,daß der weiße Primärlichtstrom(-34). über eine Lichtleitfaser (19)dem Eingang (.14) desjenigen Interferometers (13) zugeleitet ist,dessen Gangunterschied X₁₁ mit der Meßgröße verknüpft ist,und daß der Ausgang diese«

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Interferometers(13)über eine Lichtleitfaser(16)mit dem Eingang(26)des Empfänger-Interferometers(12)optisch verbunden ist,dessen Ausgangs-Lichtstrom dem Detektor(22) einer Anzeigeeinheit (21) zugeleitet ist'(Fig. 4) .

6. Anordnung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,daß in dem Lichtweg zwischen dem Ausgang(17)des den weißen Primärlichtstrom(34)als Ein-· ' gangs-Lichtstrom empfangenden Interferometers(12)und dem Eingang(14)des Geber-Interferometers(13)ein Strahlentei-. ler(58)angeordnet ist,mit dem ein Teil des vom Geber-In-· terferometer(13)in die Lichtleitfaser (57)zurückgekoppelten Ausgangs-Lichtstromes auf den Detektor(22)auskoppelbar ist(Fig.5).

7. Anordnung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,daß zwischen der Lichtquelle(24) und dem-dieser nahen Ende der Lichtleitfaser(67),über ' . die der· weiße Primärlichtstrom zum Geber-Interferoiue- ■ ter(1 3) gelangt ,ein Strahlenteiler (68) vorgesehen i£>t,üL>t>r den ein Teil des in die Faser (67) zur^ückgekoppelten Äusgangs-Lichtstromes (69) des Geber-Interferometers(13)in das Empfänger-Interferometer(12)einkoppelbar ist,dessen Ausgangs-Lichtstrom dem Detektor(22)der Anzeigeeinheit(21.) zugeleitet ist.

8. . Anordnung- nach Anspruch 5 oder Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,daß der Ausgangs-Lichtstrom(56) des Geber-Interferometers(13)einem Mehrfach-Strahlenteiler(71)mit einer Anzahl N von Ausgängen zugeführt ist, denen je. ein weiteres Empfänger-Interferometer(74)mit zugehöriger Anzeigeeinheit (21 )nachget>chaltet ist(Ficj.7) .

/ '5

9. Anordnung nach Anspruch 4 oder Anspruc h 6,

dadurch gekennzeichnet,daß der Ausgancjs-Lichtstrom(41) des zum Aufsuchen der Interferenzmaxina(52,53,54)vorgesehenen und als Eingarigs-Lichtstrom den weißen PrimÜrlichtstrora empfangenden Interf erometei s. einem Mehrfach-Strahlenteiler(81)zugeleitet ist,mit dessen Ausgängen ■ über je eine Lichtleitfaser (.16) eines von mehreren für die Erfassung unterschiedlicher Meßgrößen vorgesehener Geber-Interferömeter(13)angeschlossen ist,deren Ausgangs-■ Lichtströme(23)über je eine weitere Lichtleitfaser (19) ■ einer Anzeigeeinheit(21)zugeleitet sind(Fig.8).

10. ■Anordnung-nach Anspruch 9, ■ .

dadurch gekennzeichnet,daß eine die sequentielle Erfassung der verschiedenen Meßgrößen steuernde Zeitinultiplex-Einrichtung vorgesehen ist..

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-H), dadurch gekennzeichnet,daß im Rahmen einer Auswertungsstation (1 1 ) eine Anzahl N von Empfänger-Interferometern(12; 74) vorgesehsn ist ,denen als Eingangs-Lichtströiue durch Aufteilung des Primärlichtstromes(34)oder des Ausgangs-Lichtstromes(56)eines Geber-Interferometers(13)mittels· eines Strahlenteilers(71)erzeugte Teillichtströme(72) : zugeleitet sind,daß die Gangunterschiede (X₁₁^x_1n)die-

. ser Empfänger-In'terferometer (12;74) ,den zur Ermittelung ' der Interf erenzextrema ('52,53,54; 62,63,64) erforderlichen Variationsbereich des Gangunterschiedes X₁ lückenlos . überdeckend,in gleichen Schrittweiten/^.x_ gestaffelt und '- vorzugsweise gemeinsam - um mindestens diese Schrittweite £,x gezielt veränderbar sind,und daß die

BAD

Ausgänge dieser Erapfanger-Interferometer(12;74)mit je einer Anzeigeeinheit(21)oder einer einzelnen,im Zeitmultiplex-Verfahren betreibbaren Anzeigeeinheit gekoppelt sind. . " '

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-11,

. dadurch gekennzeichnet,daß im Rahmen der Meßanordnung(10; ' 6O;65;-66;7O;8Q)als Empfänger- oder Geber-lnterferometer(12 oder 13)mindestens ein Michelson-Interferometer (90) vorgesehen ist,bei dem zwischen reziproke Eingangsund Äusgangs-Lichtwege markierenden Lichtleitfasern und · Interferometerspiegeln(16,19 und 103,104)entlang einer optischen Achse(91)eine erste Kollimatorlinse(93),ein erstes Wollaston-Prisma(94),eine Viertel-Wellenlängenplatte (-96) ,ein zweites Wollaston-Prisma ('97 j und eine zweite,den Spiegeln(103 und 104)benachbarte

. Kollimatorlinse(98)angeordnet sind(Fig.9).

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-11, ' dadurch gekennzeichnet,daß. im Rahmen der Meßanordnung(1O; 6O;65;66;7O;8O)als Empfänger- oder Geber-Interferometer mindestens ein Fabry-Perot-Interferometer (1.00) vorgesehen ist,bei dem zwischen Eingangs- und AusgangslJchtwege markierende Lichtleitfasern (1 6" und 19)zwei teildurchlässige,parallele Reflektoren(124 und 126)angeordnet sind,von denen mindestens" einer verschieb- . bar ist,wobei·die Verschiebung'dieses Reflektors, mit der zu erfassenden Längenänderung verknüpft ist.