DE3928001A1 - Anordnung zur bestimmung der bewegungsrichtung bei wegmessung mit interferometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer mit einer Lichtquelle, einem festen und einem beweglichen Spiegel und einem Lichtdetek­ tor. Interferometer sind als Einrichtungen zur Weglängenmessung allgemein bekannt und erreichen dabei eine Auflösung im Mikro­ meterbereich. Wird als Speiselichtquelle eine monochromatische Lichtquelle, wie z.B. ein Laser, verwendet, so weist das Aus­ gangssignal des Interferometers, das von einem Detektor aufge­ nommen wird, eine periodische, sinusquadratartige Intensitäts­ abhängigkeit bezüglich des Verschiebeweges auf. Heute ist es durchaus möglich, das Ausgangssignal eines Interferometers über eine größere Strecke von z.B. 10 m mit Hilfe von Lichtleitern zu übertragen. Dadurch ist es möglich, das Interferometer als Meß­ wertaufnehmer entfernt oder unzugänglich einzubauen. Dabei macht es sich nachteilig bemerkbar, daß aus der sinusquadratar­ tigen Intensitätsabhängigkeit des Ausgangssignals zwar auf den Betrag der Bewegung, nicht aber auf die Bewegungsrichtung eines in seiner Bewegung zu überwachenden Gegenstandes geschlossen werden kann.

Aus der DE-OS 30 44 183 ist eine Anordnung bekannt, die es er­ möglicht, unter Verwendung von zwei Mehrstrahl-Interferometern und einer Lichtquelle, deren Lichtstrom eine große spektrale Bandbreite aufweist, Längenänderungen auch hinsichtlich ihres Vorzeichens, d.h. hinsichtlich der Richtung, zu bestimmen, wobei für eine eindeutige Aussage über Betrag und Richtung einer Längen­ änderung die Längen jedoch auf kleine Größen beschränkt bleiben. Nachteilig macht sich bei dieser bekannten Anordnung auch der erhöhte Aufwand von insgesamt zwei Interferometern bemerkbar. Darüber hinaus muß das Empfangsinterferometer auf mechanischem Wege nachgestimmt werden, wobei die für die Nachstimmung benö­ tigte Zeit der Erfassung von schnellen Längenänderungen entgegen­ steht und eine Verschlechterung des Auflösevermögens zur Folge hat.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, ein Interferometer zur Weg-Längenmessung anzugeben, aus dessen Ausgangssignal so­ wohl Betrag als auch Richtung eines Weges unter Vermeidung der oben angegebenen Nachteile bestimmt werden können. Die Aufgabe wird bei einem Interferometer der eingangs umrissenen Art erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Spiegel des Inter­ ferometers hinter einer ersten teildurchlässigen Reflexions­ schicht mindestens eine weitere Reflexionsschicht unterschiedli­ chen Reflexionsgrades aufweist. Die Erfindung modifiziert also mindestens einen Spiegel eines Interferometers in besonders vor­ teilhafter Weise, so daß das Ausgangssignal des Interferometers einen richtungsabhängigen Signalverlauf aufweist, der mit elek­ tronischen Mitteln auswertbar ist.

Vorteile, die sich aus der Erfindung ergeben, sind die einfache Aufbauweise der Längenmeßeinrichtung, die Anwendbarkeit der Er­ findung auf beliebige Mehrstrahlinterferometertypen sowie die Auswertbarkeit des Ausgangssignals des als Meßwertaufnehmer die­ nenden Interferometers mit rein elektronischen Mitteln. Einer Ausführungsform der Erfindung zufolge kann mindestens ein Spiegel dahingehend modifiziert sein, daß die Reflexionsschich­ ten senkrecht zur Lichteinfallsrichtung zumindest angenähert gleiches Profil aufweisen. Ein solcher Spiegel kann dabei nach gleichen Herstellungsverfahren wie herkömmliche Spiegel herge­ stellt werden.

Einer anderen Ausführung der Erfindung zufolge ist ein Spiegel dahingehend modifiziert, daß der Spiegel senkrecht zur Licht­ einfallsrichtung ein Stufenprofil aufweist. Dieses Stufenprofil kann dabei vorteilhafterweise durch Schleifen eines homogenen lichtdurchlässigen Körpers hergestellt werden, wobei es für die Erfindung keine Rolle spielt, welche Form die Grundfläche des Spiegels aufweist. Dabei ist eine Ausführungsform möglich, bei der der Spiegelkörper lichtdurchlässig ist und das durch das Stufenprofil in diesen Spiegelkörper eingedrungene Licht an einer zu den einzelnen Stufenebenen parallelen Reflexionsebene reflektiert wird.

Einer anderen Ausführungsform der Erfindung zufolge ist der Spie­ gel dahingehend modifiziert, daß der Spiegelkörper lichtdurch­ lässig ist und daß durch eine zu den einzelnen Stufenebenen parallelen Ebene in den Spiegelkörper eingedrungenes Licht an den einzelnen Stufenebenen reflektiert wird.

Die Erfindung wird anhand der im folgenden erläuterten Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes Michelson-Interferometer,

Fig. 2 ein Anwendungsbeispiel mit Fabry-Perot-Interferometer

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Spiegel mit mehreren Reflexions­ ebenen,

Fig. 4 a, b, verschiede Ausführungsbeispiele für einen Stufen­ spiegel,

Fig. 5 eine mögliche Ausgangskurvenform für ein Interferometer entsprechend der Erfindung.

Fig. 6 ein Zustandsfolgediagramm.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Michelson-Interferometer besteht im wesentlichen aus einem teildurchlässigen Strahlteiler­ spiegel ST, einem feststehenden Spiegel F und einem Spiegel B, der senkrecht zu seiner Spiegelebene bewegt werden kann. Licht, das von einer Lichtquelle LQ auf den teildurchlässigen Strahl­ teilerspiegel ST trifft (1), wird aufgespalten in einen Teil­ strahl 2, der zum feststehenden Spiegel F abgeht, und einen Teilstrahl 3, der zum beweglichen Spiegel B abgeht. An den Spie­ geln werden die Teilstrahlen jeweils zum Strahlteilerspiegel reflektiert. Die in Richtung Detektor Det abgehenden Strahlen überlagern sich gegenseitig.

Eine besonders aufwandsarme Ausführung eines Mehrstrahl-Inter­ ferometers stellt ein Fabry-Perot-Interferometer dar. Fabry- Perot-Interferometer sind an sich bekannt, wobei man diese in solche einteilen kann, bei denen der Ausgangsstrahl die ursprüng­ liche Richtung beibehält - diese weisen zwei teildurchlässige Spiegel auf, - und solche, bei denen der Ausgangsstrahl entge­ gen der Richtung des Eingangsstrahls austritt.

Fig. 2 zeigt ein Fabry-Perot-Interferometer entsprechend letzte­ rer Ausführungsform, bei dem der von einer Lichtquelle LQ kom­ mende Lichtstrahl 1 einen Strahlteilerspiegel ST und einen teil­ durchlässigen, feststehenden Spiegel F durchdringt und an einem mit einem beweglichen Gegenstand M verbundenen Spiegel B reflek­ tiert wird. Zwischen dem Spiegel F und dem Spiegel B findet eine Mehrfachreflektion von Teilstrahlen statt, wodurch diese Teil­ strahlen interferieren. Der Teilstrahl 2, der den teildurch­ lässigen Spiegel in Rückrichtung durchdringt, wird an dem Strahl­ teilerspiegel ST zumindest teilweise reflektiert, so daß schließ­ lich ein Teilstrahl 3 zum Detektor Det gelangt.

Bei der vorbeschriebenen Ausführungsform wird die Lichtquelle LQ, der Strahlleiter ST und der Detektor Det vorteilhafterweise zu einer Baueinheit zusammengefaßt, die über einen Lichtleiter mit dem als Meßwandler arbeitenden Fabry-Perot-Interferometer verbunden ist. Diese Ausführungsform eignet sich z.B. besonders zur Messung der Bewegung von Membranen M in Drucksensoren. Unter Anwendung der vorliegenden Erfindung auf diese Drucksensoren ergibt sich der entscheidende Vorteil, daß nicht nur der Betrag der Druckänderung ermittelt werden kann, sondern auch eine Aus­ sage darüber gemacht werden kann, ob Druckabnahme oder Druckzu­ nahme vorliegt.

Bei den im Vorstehenden beschriebenen Interferometern wird in einem Detektor Det der Ausgangsstrahl in ein intensitätsabhän­ giges Spannungssignal umgesetzt. Der Detektor Det kann dabei in bekannter Weise mit einer Fotodiode und einem nachgeschalteten Verstärker gebildet sein. Wird nun der jeweilige bewegliche Spie­ gel B verschoben, so erhält man ein Detektorausgangssignal, das bezüglich des Verschiebeweges eine periodische, sinusartige In­ tensitätsabhängigkeit aufweist, wobei die Periode eines Kurven­ zuges der halben Wellenlänge der speisenden Lichtquelle LQ ent­ spricht. Der Verschiebeweg des beweglichen Spiegels kann also aus der Anzahl der durchlaufenen Perioden des Ausgangssignals ermittelt werden.

Diese insoweit bekannten Mehrstrahl-Interferometer werden nun erfindungsgemäß dahingehend modifiziert, daß mindestens einer der Spiegel F, B bei einem Michelson-Interferometer entsprechend Fig. 1 oder der Spiegel B bei einem Fabry-Perot-Interferometer entsprechend Fig. 2 durch einen Spiegel ersetzt wird, wie er im folgenden an Hand von Fig. 3, Fig. 4a und Fig. 4b beschrieben wird.

Der Spiegel gemäß Fig. 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß er hin­ ter einer ersten teildurchlässigen Reflexionsebene r mindestens eine planparallele Reflexionsebene R mit zum Reflexionsgrad der Reflexionsebene r unterschiedlichem Reflexionsgrad aufweist. Weiter ist in Fig. 3 wie auch in der nachfolgenden Fig. 4 durch Pfeilspitzen angedeutet, wie die Wellenfront eines einfallenden Strahles an einzelnen Reflexionsebenen des Stufenspiegels unter­ schiedlich verzögert reflekiert wird.

Die Spiegel nach Fig. 4a und 4b sind dadurch gekennzeichnet, daß sie, parallel zu einer Reflexionsebene R betrachtet, ein Stufen­ profil aufweisen, das zwischen einer höchsten Stufe und einer niedrigsten Stufe eine ggf. noch bestimmte Anzahl von Zwischen­ stufen enthält.

Fig. 4a zeigt einen lichtdurchlässigen Körper, der mit diesem Stufenprofil versehen ist, wobei das Licht, das in eine zu den einzelnen Stufen R planparallelen Ebene r eingetreten ist, an diesen Stufen R reflektiert wird. Einer anderen Ausführung zu­ folge kann der Spiegel entsprechend Fig. 4b auch dahingehend modifiziert sein, daß ein lichtdurchlässiger Körper dieses Stufenprofil aufweist, wobei das Licht, nachdem es senkrecht durch das Stufenprofil (r) in diesen lichtdurchlässigen Körper eingefallen ist, an einer durchgehenden Ebene R reflektiert wird, die planparallel zu den einzelnen Stufen r ist.

Bei den Spiegeln entsprechend Fig. 3, Fig. 4a und Fig. 4b setzt sich der reflektierte Strahl aus einem Anteil zusammen, der be­ reits an der Oberfläche des lichtdurchlässigen Körpers vor Ein­ dringen des Strahls in den lichtdurchlässigen Körper reflektiert wird, und einem Anteil, der entsprechend der vorstehenden Be­ schreibung nach Durchdringen des lichtdurchlässigen Körpers an der Seite reflektiert wird, die der Seite gegenüberliegt, an der der Strahlanteil eingedrungen ist.

Mit der Modifikation eines Spiegels einer Interferometeranord­ nung entsprechend der Erfindung wird ein reflektierter Teil­ strahl in Abhängigkeit von der Wellenlänge der eingesetzten Lichtquelle, den Brechungsindizes der vom Licht durchdrungenen Medien und der Stufenhöhe des Stufenprofils bzw. der Abstände der Reflexionsebenen im Spiegel erhalten, der sich zusammen mit dem anderen Teilstrahl des Interferometers zu einem Ausgangs­ strahl überlagert, dessen Intensität I bezüglich des Verschie­ beweges des beweglichen Spiegels B einen periodischen und beiderseits von Extremwerten unterschiedlichen Kurvenverlauf aufweist.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Intensitätsabhängigkeit des Ausgangs­ signals eines entsprechend der Erfindung modifizierten Inter­ ferometers. Die Intensität I ist dabei in Abhängigkeit vom Ver­ schiebeweg s des beweglichen Spiegels (B in Fig. 1 und Fig. 2) aufgetragen. Das Ausgangssignal weist einen periodischen und beiderseits von Extremwerten unterschiedlichen Kurvenverlauf auf; das Ausgangssignal setzt sich aus einem konstanten Anteil sowie cosinusförmigen Anteilen gleicher Periodenlänge, konstan­ ter relativer Phasenverschiebung und unterschiedlicher Ampli­ tuden zusammen. Charakteristischerweise treten für die eine Bewegungsrichtung während einer Periode des Ausgangssignals signifikante Werte in der Folge absolutes Maximum, relatives Minimum, relatives Maximum, absolutes Minimum - und für die Gegenrichtung in umgekehrter Reihenfolge - auf. Zur leichteren Erläuterung der Wirkungsweise einer Auswerteeinrichtung, die die Bewegungsrichtung anhand von durchschrittenen Intensitäts­ schwellen des Ausgangssignals ermittelt, sind bestimmte Inten­ sitätswerte mit Ziffern bezeichnet.

Die obenbeschriebene Kurvenform des Ausgangssignals erlaubt es, eine Aussage über die Bewegungsrichtung des beweglichen Spiegels und damit über die Bewegungsrichtung des in der Bewegung zu über­ wachenden Gegenstandes zu erhalten. Zur Ermittlung der Bewegungs­ richtung aus dem Ausgangssignal wird das Ausgangssignal zweck­ mäßigerweise in ein Spannungssignal umgesetzt, dessen Spannungs­ höhe abhängig von der Intensität I des Ausgangssignals ist. Zur Auswertung kann dieses Spannungssignal den Eingängen einer Mehr­ zahl von Schwellwerteinrichtungen mit jeweils unterschiedlichen Schwellwerten zugeführt werden. Die Reihenfolge der durchschrit­ tenen Schwellwerte kann gespeichert werden, wonach mit Hilfe einer entsprechende Verknüpfungsglieder aufweisenden Auswerte­ einrichtung die Bewegungsrichtung selbsttätig ermittelt werden kann.

Fig. 6 zeigt ein Zustandsfolgediagramm, das einer Auswerteein­ richtung zugrundeliegen kann, die Schwellenwerte, wie sie in Fig. 5 mit 1, 2, 3 bezeichnet sind, auswertet und damit die Bewegungs­ richtung ermitteln kann. Ausgehend von einem mit 0 gekennzeich­ neten Grundzustand nimmt die Auswerteeinrichtung selbst bestimm­ te Zustände ein. Werden beispielsweise die Schwellenwerte 1, 2, 3 entsprechend Fig. 5 in dieser Reihenfolge und ohne wiederholtes Durchschreiten des Schwellwerts 2 durchschritten, so ist dies charakteristisch für eine Bewegung in die eine Bewegungsrich­ tung, während das Durchschreiten der Schwellenwerte 3, 2, 1 in dieser Reihenfolge und ohne wiederholtes Durchschreiten des Schwellwertes 2 charakteristisch ist für eine Bewegung in die andere Bewegungsrichtung. Eine solche, die Bewegungsrichtung bestimmende, Auswerteeinrichtung kann beispielsweise mit einer Speicherkette und entsprechenden Verknüpfungsgliedern gebildet sein, die bei Auftreten eines unerwarteten Zustandes, der nicht zur Weiterführung einer erwarteten Schwellenwertfolge für eine Bewegungsrichtung gehört, in den mit 0 gekennzeichneten Grundzu­ stand zurückkehrt. In Fig. 6 ist dies beispielsweise für Schwel­ lenwertfolgen 1, 2, 2; 1, 2, 1; 3, 2, 2; 3, 2, 3 angedeutet. Erst wenn alle Zustände in der vorgesehenen Reihenfolge erreicht wurden, wird ein entsprechendes Richtungssignal abgegeben. Die Realisie­ rung einer solchen Auswerteeinrichtung liegt im Bereich des Könnens eines Fachmanns, der sich mit solchen Schaltungen be­ faßt, und muß deshalb hier nicht weiter beschrieben werden.

Zur Bestimmung der Bewegungsrichtung aus dem Verlauf der Inten­ sität I des Ausgangssignals eines erfindungsgemäßen Interfero­ meters kann man auch wie folgt vorgehen: Die intensitätsabhängigen Spannungswerte des Ausgangssignals werden vor der ersten Inbetriebnahme der Auswerteeinrichtung für mindestens eine Periode des Ausgangssignals zeitlinear bezüglich des Verschiebeweges des beweglichen Spiegels in einem digitalen Speicher abgelegt. Während des eigentlichen Auswertevorgangs wird das Ausgangssignal fortlaufend z.B. für eine Periodendauer in einen anderen Speicherbereich abgelegt. Um die Geschwindig­ keitsabhängigkeit der Bewegung zu eliminieren, wird das im zwei­ ten Speicherbereich abgelegte Signal bezüglich einer Periode z.B. von absolutem Maximum zu absolutem Maximum auf die gleiche Zeit­ länge gedehnt bzw. komprimiert wie die im ersten Speicherbereich abgelegte Ausgangssignalform. Durch diese Maßnahme werden die Inhalte der beiden Speicherbereiche vergleichbar. Dieses Verfah­ ren zum Vergleich zweier Kurvenformen, wobei das zweite Signal bezüglich des Zeitverlaufs an das erste Signal angepaßt werden muß, ist an sich (aus Spracherkennungsschaltungen) bekannt und muß deshalb hier nicht erschöpfend dargestellt werden. (Bei der Spracherkennung stellt sich nämlich das gleiche Problem, daß eine anfänglich gespeicherte Signalprobe in einem ersten Spei­ cherbereich abgespeichert wird und während des eigentlichen Spracherkennungsvorgangs mit dem in einen zweiten Speicherbe­ reich eingeschriebenen Signal verglichen werden muß. Dazu muß aber, um unterschiedliche Sprechgeschwindigkeit ausgleichen zu können, das im zweiten Speicherbereich abgelegte Spannungs­ signal bezüglich markanter Spannungswerte mit dem im ersten Speicherbereich abgelegten Spannungssignal zur Deckung gebracht werden). Ergibt also bei einer Bewegungsrichtungsauswerteein­ richtung ein Vergleich des Inhalts des ersten Speicherbereichs mit dem zeitkorrigierten Inhalt des zweiten Speicherbereichs weitgehende Übereinstimmung, so liegt die gleiche Bewegungs­ richtung des beweglichen Spiegels, wie bei dem vorausgegangenen ersten Einschreibevorgang vor; ergibt der rückwärts ausgelesene zeitkorrigierte Inhalt des zweiten Speicherbereichs weitgehende Übereinstimmung mit dem Inhalt des ersten Speicherbereichs, so liegt die entgegengesetzte Bewegungsrichtung des beweglichen Spiegels zur Bewegungsrichtung wie beim Einschreiben in den ersten Speicherbereich vor.

Claims (5)

1. Interferometer, mit einer Lichtquelle, einem festen und einem beweglichen Spiegel und einem Lichtdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Spiegel hinter einer ersten teildurchlässigen Reflexionsschicht mindestens eine weitere Reflexionsschicht unterschiedlichen Reflexionsgrades aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsschichten senkrecht zur Lichteinfallsrichtung zumindest angenähert gleiches Profil aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel senkrecht zur Lichteinfallsrichtung ein Stufen­ profil aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelkörper lichtdurchlässig ist und daß durch das Stufenprofil in diesen Spiegelkörper eingedrungenes Licht an einer zu den einzelnen Stufenebenen parallelen Reflexionsebene reflektiert wird.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelkörper lichtdurchlässig ist und daß durch eine zu den einzelnen Stufenebenen parallelen Ebene in den Spiegelkörper eingedrungenes Licht an den einzelnen Stufenebenen reflektiert wird.