DE4313076C2 - Interferometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer mit einer La­ serlichtquelle, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung des Laserlichts in einen Meßstrahl und einen Referenz­ strahl, mit einer Rekombinationseinrichtung, an der der Referenzstrahl und der über einen beweglichen Meßre­ flektor geführte Meßstrahl unter Bildung mindestens ei­ nes optischen Interferenzsignals interferieren, und mit einer Detektoreinrichtung zur Erfassung und elektroni­ schen Auswertung des bzw. der Interferenzsignale.

Derartige Interferometer werden insbesondere zur Län­ genmessung eingesetzt, wobei der Verschiebeweg des Meß­ reflektors interferometrisch erfaßt wird. Beim Bewegen des Meßreflektors verändert sich das von der Detektor­ einrichtung erfaßte optische Interferenzsignal. Bei be­ kannter Wellenlänge des Laserlichts kann daraus quanti­ tativ auf die Bewegung des Meßreflektors geschlossen werden.

Aus der US 5,071,251 ist ein wellenlängen-unabhängiges Interferometer bekannt, welches ein spezielles Beleuchtungs-Hilfssystem aufweist. Über das Beleuchtungs-Hilfssystem wird eine scheinbar einzelne Lichtquelle erzeugt wozu jedoch zwei Laser unterschiedlicher Wellenlänge eingesetzt werden. Im Strahlengang zwischen dem eigentlichen Interferometer und dem Beleuchtungs-Hilfssystem ist ein einschwenkbarer Shutter angeordnet. Weder im eigentlichen Meß- noch im Referenzstrahlengang sind jedoch Möglichkeiten zur Strahlunterbrechung vorgesehen.

In der US 5,071,253 werden Möglichkeiten beschrieben, wie mit Hilfe von Kerr-Zellen und Lummer-Gehrke-Platten eine Strahlpositionierung bzw. eine Strahlformung innerhalb von Interferometern erfolgen kann. Die hierzu erforderlichen optischen Bauelemente können wahlweise in die verschiedenen Interferometer-Strahlengänge eingeschwenkt werden.

Aus der DD 1 26 836 ist desweiteren bekannt, innerhalb eines Interferometers ein polarisations-optisches Bauelement wahlweise in den Interferometer-Strahlengang hinein- oder herauszuschwenken.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Interferometer zu schaffen, das abgesehen von der eigentlichen Messung (Erfassung der Bewegung des Meßreflektors) weitere Meß- bzw. Einstellvorgänge erlaubt.

Dies wird bei einem Interferometer der eingangs genann­ ten Gattung erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Interferometer mindestens einen Strahlunterbrecher zur zeitweisen Unterbrechung des Meßstrahles und/oder des Referenzstrahles aufweist.

Insbesondere bei homodynen (mit einer Laserlichtfre­ quenz betriebenen) Interferometern ist es wichtig, die Signalverstärkung der den Photodetektoren der Detektor­ einrichtungen nachgeschalteten elektronischen Verstär­ kern zu kalibrieren. Vor allem, wenn das Interferometer mehrere phasenverschobene Interferenzsignale liefert, um daraus in an sich bekannter Weise auf die Bewegungs­ richtung des Meßreflektors schließen zu können, ist es nötig, die Signalverstärkung der jedem Interferenzsig­ nal zugeordneten unabhängigen elektronischen Verstärker aufeinander abzugleichen. Da die optischen Interferenz­ signale gegeneinander phasenverschoben sind, fällt bei jeder Stellung des Meßspiegels unterschiedlich viel Licht auf die einzelnen Photodetektoren, so daß ein Ab­ gleich (Kalibrierung) der Signalverstärkung der einzel­ nen an die Photodetektoren angeschlossenen Verstärker kaum möglich ist. Erschwerend kommt dabei hinzu, daß bereits die geringste Bewegung des Meßspiegels zu einer Veränderung der Interferenzsignale führt, welche eine exakte Kalibrierung der Verstärker unmöglich macht. Durch den erfindungsgemäßen Strahlunterbrecher ist es nunmehr möglich, den Meßstrahl oder den Referenzstrahl zu unterbrechen, womit auf die Photodetektoren nicht mehr unterschiedliche und hoch empfindliche Interfe­ renzsignale, sondern gleichmäßiges Laserlicht auf­ trifft, das eine zuverlässige und exakte Kalibrierung der Signalverstärkungen der elektronischen Verstärker ermöglicht.

Besonders günstig ist es dabei, den Meßstrahl, der vom Meßreflektor zurückkehrt, knapp vor der Rekombinations­ einrichtung zu unterbrechen. Damit werden Störeffekte auf der Meßstrecke sowie die Einblendung von Fremdlicht vollkommen ausgeschlossen. Es gelangt lediglich Licht über den wohldefinierten Referenzzweig auf den bzw. die Photodetektoren der Detektoreinrichtung. Besonders gün­ stig an der Unterbrechung des Meßstrahles ist weiters die Tatsache, daß dies ein in der Praxis unerwünscht auftretendes Unterbrechen des Meßstrahles simuliert, womit es möglich ist, später eine unbeabsichtigte Meß­ strahlunterbrechung zuverlässig zu detektieren. Prinzi­ piell ist es jedoch auch denkbar, den Referenzstrahl zu unterbrechen, um die Ausbildung von Interferenzsignalen im Bedarfsfall zu unterbinden.

Abgesehen von den Vorteilen bei der Kalibrierung des Interferometers, kann der erfindungsgemäße Strahlunter­ brecher noch weitere Vorteile ermöglichen. Beispiels­ weise ist es bei unterbrochenem Referenzstrahl möglich, Störungen bzw. Intensitätsverluste auf der Meßstrecke festzustellen. Es wird dann rein der Meßzweig vermes­ sen. Können bei einer anderen Ausführungsform sowohl Meßstrahl als auch Referenzstrahl unterbrochen werden, so ist ein einfacher Test auf die perfekte Funktions­ weise der Strahlunterbrecher möglich. Eine Strahlunter­ brechung des vom Meßreflektor zurückkehrenden Meßstrah­ les knapp vor der Rekombinationseinrichtung erlaubt es außerdem bei Stillstand des Interferometers, dieses vor der Einstrahlung von Fremdlicht zu schützen.

Unter "Unterbrechung" des jeweiligen Lichtstrahles wird jede Einwirkung auf diesen verstanden, die verhindert, daß dieser zur Rekombinationseinrichtung gelangt. Im einfachsten Fall kann der Strahlunterbrecher ein vor­ zugsweise elektromagnetisch bewegbares Verschlußteil aufweisen, das zur Strahlunterbrechung in den Strahlen­ gang des Meßstrahles bzw. Referenzstrahles bewegbar ist. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung neben der sicheren Strahlunterbrechung auch die Tatsache, daß sich bei einem Strahlunterbrecher die Justierung der den Strahlengang bestimmenden optischen Komponenten nicht verändert und somit präzise aufrecht erhalten bleibt.

Es ist aber auch möglich, den zu unterbrechenden Licht­ strahl einfach auszublenden bzw. abzulenken. Dazu kann beispielsweise eine verstellbare Ablenkvorrichtung (Spiegel oder Prisma) vorgesehen sein, die in einer Stellung den Lichtstrahl auf die Rekombinationseinrich­ tung gelangen läßt und in der "unterbrochenen" Stellung den Lichtstrahl irgendwie seitlich ausblendet. Dabei können im Strahlengang ohnehin vorgesehene Spiegel oder Prismen verwendet werden, die einfach durch einen ent­ sprechenden Antrieb ergänzt werden.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Lichtstrahlun­ terbrechung ohne mechanisch bewegte Teile zu erzielen. Vorteilhaft können dazu elektrooptische Schalter (insbesondere Kerr-Zelle und Pockels-Zelle) eingesetzt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden in der nachstehenden Figurenbeschreibung näher erläu­ tert.

Es zeigen die Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfin­ dungsgemäßen Interferometers, die Fig. 2 einen schema­ tischen Aufbau einer Zentraleinheit eines erfindungsge­ mäßen Interferometers und die Fig. 3 und 4 Ausführungs­ beispiele für einen Strahlunterbrecher.

Das in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Inter­ ferometer weist in einer Zentraleinheit 1 eine Laser­ lichtquelle 2, beispielsweise einen Helium-Neon-Laser auf. Über eine flexible Lichtleitfaser 3, die über eine Steckverbindung 4a, 4b an der Zentraleinheit und über eine Steckverbindung 5a, 5b am Interferometerkopf 6 je­ weils lösbar angeschlossen ist, gelangt Laserlicht in die Eingangslichtleitfaser 7 des Interferometerkopfes. Über eine Linse 8 erfolgt eine Kollimation des aus der Lichtleitfaser 7 austretenden Lichtstrahlenbündels. Das Laserlicht wird vom Strahlteiler 9 in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Meßstrahl 10 verläuft über einen beweglichen Retroreflektor 11 und gelangt über eine Viertelwellenplatte 12 auf die als Strahlteiler ausgebildete Rekombinationseinrichtung 13. An dieser Rekombinationseinrichtung interferieren der Meßstrahl 10 und der Referenzstrahl 14. Das Interfero­ meter wird in an sich bekannter Weise mit zwei aufein­ ander senkrechten Polarisationen betrieben. Das Inter­ ferenzsignalbündel 15 enthält zwei senkrecht aufeinan­ der polarisierte Interferenzsignalanteile, die um 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Das über den Spie­ gel 17 geführte Interferenzstrahlenbündel 16 enthält ebenfalls zwei senkrecht aufeinander polarisierte In­ terferenzsignalanteile, die gegeneinander um 90° pha­ senverschoben sind. Die Interferenzsignalbündel 15, 16 stellen komplementäre Ausgänge der Rekombinationsein­ richtung 13 dar und sind somit gegeneinander für jede Polarisation um 180° phasenverschoben. Nach Durchgang durch die Halbwellenplatte 18 und Aufspaltung der Pola­ risationsanteile an der Polarisatorplatte hat man somit in den vier Lichtleitfasern 20a-d vier jeweils um 90° gegeneinander phasenverschobene Interferenzsignale (0°, 90°, 180°, 270°), welche neben der Ermittlung des Ver­ schiebeweges des Meßreflektors 11 auch die Ermittlung der Bewegungsrichtung desselben erlaubt. Die Interfe­ renzsignale werden über Linsen 21a-d in die vorzugs­ weise multimoden Lichtleitfasern 20a-d eingekoppelt. Über einen Mehrfachstecker 22a, 22b und flexible Licht­ leitfasern 23a-d gelangen die vier optischen Interfe­ renzsignale zur Zentraleinheit 1, wo ein lösbarer Mehr­ fachstecker 24a, 24b vorgesehen ist. Über Lichtleitfa­ serstücke 25a-d gelangen die vier phasenverschobenen optischen Interferenzsignale auf Photodetektoren 26a-d, an die elektronische Verstärker 27a-d mit einstellba­ rer Signalverstärkung angeschlossen sind. Die Ausgänge dieser Verstärker werden dann in einer Verarbeitungs­ einheit verarbeitet und über eine beispielsweise an ei­ ner Fernbedienung 29 ausgebildete Anzeigeeinheit 30 als Verschiebeweg bzw. Lage des Meßreflektors 11 angezeigt.

Erfindungsgemäß weist nun das Interferometer einen Strahlunterbrecher 31 auf, der bei den in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsbeispiel den vom Meßreflektor 11 zurückkehrenden Meßstrahl 10 knapp vor der Rekombina­ tionseinrichtung 13 unterbrechen kann. Beim dargestell­ ten Ausführungsbeispiel weist der Strahlunterbrecher ein elektromagnetisch bewegbares Verschlußteil auf, das zur Strahlunterbrechung in den Strahlengang des Meß­ strahles 10 bewegbar ist. Der Strahlunterbrecher 31 ist geschützt im Gehäuse des Interferometerkopfes 6 unter­ gebracht. Der Schaltzustand des Strahlunterbrechers 31 ist von einer räumlich getrennten Stelle aus, nämlich von der Zentraleinheit 1 aus fernsteuerbar. Dazu ist ein elektrisches Kabel 32 vorgesehen, das über einen Stecker 33 lösbar am Interferometerkopf 6 und über einen Stecker 34 lösbar an der Zentraleinheit an­ schließbar ist. Das Kabel 32 und die Lichtleitfasern 3, 23a-d können vorteilhaft zu einem einzigen Kabelstrang 35 zusammengefaßt sein. Im Interferometerkopf verläuft das an das Kabel 32 anschließbare Kabel 36 zum Strahl­ unterbrecher 31.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungs­ beispiel des Interferometers ist eine Einrichtung 37 vorgesehen, die bei jedem Einschalten des Interferome­ ters über den Hauptschalter 38, der an dem Netzanschluß 39 angeschlossen ist, eine Autokalibriereinrichtung 41 aktiviert und über die elektrischen Kabel 40, 32, 36 den Strahlunterbrecher 31 schließt. Damit gelangt auf die Photodetektoren 26a-d nur mehr Licht über den Re­ ferenzstrahl 14. Es treten keine Interferenzsignale auf. Dies erlaubt es, der Autokalibriereinrichtung 41 über die Leitungen 42 die Signalverstärkung der Ver­ stärker 27a-d abzugleichen, bis alle Verstärker 27a-d ein Ausgangssignal gleicher Höhe liefern. Nach Abschluß dieser Autokalibrierung der Verstärker 27a-d kann die eigentliche Messung beginnen, indem einfach der Strahl­ unterbrecher 31 geöffnet wird. Damit interferieren der von der Meßstrecke zurückkehrende Meßstrahl 10 und der Referenzstrahl 14 an der Rekombinationseinrichtung 13 unter Bildung von optischen Interferenzsignalen, die in der Zentraleinheit 1 ausgewertet werden. Der Schaltzu­ stand des Strahlunterbrechers 31 kann über eine Anzei­ geeinrichtung, beispielsweise eine Lampe 43 an der Fernbedienung 29 angezeigt werden. Es ist auch möglich, diese Autokalibrierung bei gleichzeitiger Strahlunter­ brechung in fest vorgegebenen oder von Meßpausen abhän­ gigen Zeitintervallen vorzunehmen. Auch ein händischer Start der Autokalibrierung ist möglich.

Neben verschiebbaren Verschlußteilen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, kommen natürlich auch verschwenk- bzw. verdrehbare Verschlußteile in Frage.

Es ist auch denkbar, den Lichtstrahl auszublenden bzw. abzulenken, wenn sein Auftreffen auf die Rekombina­ tionseinrichtung 13 unerwünscht ist. Zu dieser Art der Unterbrechung kann beispielsweise ein verdrehbarer Spiegel 31′ verwendet werden, der in der in Fig. 3 dar­ gestellten Position den Meßstrahl 10 um 90° gerade auf die Rekombinationseinrichtung 13 hin umlenkt. Soll nun dies unterbrochen werden, so kann der Spiegel um die Achse 44 über eine elektromagnetische Stelleinheit 45 gemäß den Pfeilen 50 verschwenkt werden, womit der vom Spiegel reflektierte Meßstrahl nicht mehr auf die Re­ kombinationseinrichtung gelangt.

Neben Versionen mit mechanisch bewegten Bauteilen sind auch rein elektrooptische Schalter 31′′ denkbar und mög­ lich, beispielsweise ist in Fig. 4 eine sogenannte Kerr-Zelle dargestellt. Das zwischen zwei Elektroden 47 eingebrachte elektrooptische Material verändert bei Spannung an die Elektroden 47 die Polarisationsrichtung des durchgehenden Lichtes. Verwendet man zwei aufeinan­ der senkrechte Polarisatoren 48, 49, die jeweils unter 45° zum elektrischen Feld stehen, so läßt die darge­ stellte Kerr-Zelle bei fehlender Spannung an den Elek­ troden 47 kein Licht durch. Durch Anlegen einer Span­ nung an die Elektroden 47 wird die Kerr-Zelle insgesamt lichtdurchlässig.

Anstelle der Kerr-Zelle können auch andere elektroopti­ sche Materialien, beispielsweise elektrooptische Kri­ stalle eingesetzt werden. Beispielsweise kann auch der sogenannte Pockels-Effekt ausgenutzt werden, um einen elektrooptischen Schalter zu realisieren.

Claims (14)

1. Interferometer mit einer Laserlichtquelle, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung des Laserlichts in einen Meß­ strahl und einen Referenzstrahl, mit einer Rekombinations­ einrichtung, an der der Referenzstrahl und der über einen beweglichen Meßreflektor geführte Meßstrahl unter Bildung mindestens eines optischen Interferenzsignals interferie­ ren, und mit einer Detektoreinrichtung zur Erfassung und elektronischen Auswertung des bzw. der Interferenzsignale, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer mindestens einen Strahlunterbrecher (31, 31′, 31′′) zur zeitweisen Un­ terbrechung des Meßstrahles (10) und/oder des Referenz­ strahles (14) aufweist.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlunterbrecher (31, 31′, 31′′) vor der Rekombi­ nationseinrichtung angeordnet ist und den vom Meßreflektor (11) zurückkehrenden Meßstrahl (10) unterbricht.

3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlunterbrecher (31) ein vorzugsweise elektromagnetisch bewegbares Verschlußteil aufweist, das zur Strahlunterbrechung in den Strahlengang des Meßstrah­ les (10) bzw. Referenzstrahles (14) bewegbar ist.

4. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zeitweise zu unterbrechende Lichtstrahl (10, 14) über eine vorzugsweise elektromagnetisch ver­ stellbare Ablenkvorrichtung (31′), beispielsweise einen Spiegel oder ein Prisma, geführt ist.

5. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zeitweise zu unterbrechende Lichtstrahl durch einen elektrooptischen Schalter (31′′), beispiels­ weise eine Kerr-Zelle oder eine Pockels-Zelle geführt ist.

6. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltzustand des Strahlunterbre­ chers (31) von einer von ihm räumlich getrennten Stelle (1) aus fernsteuerbar ist.

7. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Strahlteiler, die Rekombinationseinrichtung und einen den Referenzstrahl führenden Referenzzweig enthaltenden Inter­ ferometerkopf (6), dem Laserlicht über eine flexible Licht­ leitfaser aus einer räumlich getrennten Laserlichtquelle zuführbar ist und in dem der Strahlun­ terbrecher (31) angeordnet ist.

8. Interferometer nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahlunterbrecher (31) über ein elektrisches Kabel (32) fernsteuerbar ist, das einerseits lösbar an dem Interferometerkopf (6) und andererseits lösbar an eine da­ von räumlich getrennte Zentraleinheit (1) anschließbar ist, die vorzugsweise die Laserlichtquelle (2) und die De­ tektoreinrichtung (26a-d, 27a-d, 28) enthält.

9. Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Kabel, die flexible Lichtleitfaser (3) und gegebenenfalls vorhandene weitere Lichtleitfasern (23a-d) zur Führung der Interferenzsignale vom Interferome­ terkopf (6) zur Zentraleinheit (1) zu einem gemeinsamen Kabelstrang (35) zwischen Zentraleinheit (1) und Interfe­ rometerkopf (6) zusammengefaßt sind.

10. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekenn­ zeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (43) für den Schaltzustand des Strahlunterbrechers (31).

11. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Detektoreinrichtung für jedes Interferenzsignal einen Photodetektor (26a-d) und einen diesem nachgeschalteten elektronischen Verstärker (27a-d) mit einstellbarer Sig­ nalverstärkung aufweist.

12. Interferometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Autokalibriereinrichtung vorgesehen ist, die bei durch den Strahlunterbrecher (31) unterbrochenen Meßstrahl (10) oder Referenzstrahl (14) die Signalverstärkung des bzw. der elektronischen Verstärker (27a-d) einstellt.

13. Interferometer nach Anspruch 11, mit mindestens zwei Pho­ todetektoren (26a-d) für gegeneinander phasenverschobene Interferenzsignale und diesen Photodetektoren nachgeschal­ teten elektronischen Verstärkern (27a-d) mit unabhängig voneinander einstellbarer Signalverstärkungen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Autokalibriereinrichtung (41) vor­ gesehen ist, die bei durch den Strahlunterbrecher (31) un­ terbrochenem Meßstrahl (10) oder Referenzstrahl (14) die Signalverstärkungen aller Verstärker (27a-d) abgleicht, bis alle Verstärker ein Ausgangssignal gleicher Höhe lie­ fern.

14. Interferometer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Einrichtung (37) vorgesehen ist, die bei jedem Einschalten des Interferometers und/oder in be­ stimmten Zeitabständen automatisch den Strahlunterbrecher (31) schließt und die Autokalibriereinrichtung (41) akti­ viert sowie nach abgeschlossener Autokalibrierung den Strahlunterbrecher (31) öffnet.