DE4424900A1 - Interferometrische Meßverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Erfassung ins­ besondere von Rotationsbewegungen eines Meßobjektes, bei dem ein insbesondere aus einem Laser austretender Lichtstrahl von kohärentem Licht in Meßstrahlen aufge­ teilt wird, die zueinander beabstandet und parallel auf das Meßobjekt fallen und von diesem als Signalstrahl zurückgestrahlt werden.

Grundsätzlich ist es bekannt, mit einem Laser-Doppler-Interferometer diejenige Komponente der Translationsge­ schwindigkeit eines Oberflächenpunktes eines Meßobjek­ tes zu erfassen, die mit dem Meßstrahl des Interferome­ ters zusammenfällt. Dabei wird ein Laserstrahl in einen Meß- und einen Referenzzweig aufgespalten. Der Meß­ strahl wird auf das Meßobjekt gelenkt und von diesem zum Teil reflektiert bzw. gestreut und das reflektierte bzw. gestreute Licht wird dann mit dem Licht des Refe­ renzzweiges überlagert, wodurch Interferenz entsteht. Die resultierende Intensität wird an einem Photodetek­ tor in ein elektrisches Signal gewandelt, das eine Funktion der optischen Phasendifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen ist. Diese Phasendifferenz entsteht insbesondere durch unterschiedliche optische Weglängen (Laufzeiten) für die beiden Teilstrahlen bzw. bei einem bewegten Meßobjekt durch die auf Grund des Doppler-Effekts entstehende Frequenzverschiebung des reflek­ tierten Lichtes. Bei gleichbleibender Wellenlänge ent­ steht am Detektor ein sinusförmiges Signal mit einer Schwebungsfrequenz, die nur von der Geschwindigkeit des Meßobjektes abhängt. Die Schwebungsfrequenz entspricht der Doppler-Frequenzverschiebung und ist zunächst unab­ hängig vom Vorzeichen der Geschwindigkeit des Meßobjek­ tes, da nur der Betrag des Frequenzunterschiedes die Schwebungsfrequenz beeinflußt.

Indem der Referenzstrahl eine zusätzliche optische Fre­ quenzverschiebung erhält, gelingt es aber, einen Fre­ quenzoffset herzustellen, der je nach Vorzeichen der Geschwindigkeit vergrößert oder verkleinert wird. Das heißt, mit solchen speziellen Interferometern mit einer optischen Frequenzverschiebung (sogenannte Heterodyne-Inferferometer) ist eine vorzeichenrichtige Erfassung von Objektgeschwindigkeiten möglich.

Bei zwei parallelen interferometrischen Meßstrahlen ist es außerdem möglich, die reine Rotationskomponente ei­ nes bewegten Körpers beliebiger Gestalt zu erfassen:
Jedem Punkt am Umfang eines mit einer Winkelgeschwin­ digkeit rotatorisch bewegten Körpers läßt sich eine Tangentialgeschwindigkeit zuordnen, die in beliebig orientierte, aber senkrecht aufeinander stehende trans­ latorische Geschwindigkeitskomponenten zerlegt werden kann. Insbesondere ist es dabei auch möglich, eine der beiden Geschwindigkeitskomponenten in Richtung eines auf den rotierenden Körper fallenden Meßstrahles zu le­ gen und diese Komponente läßt sich gemäß der oben be­ schriebenen Weise über die Doppler-Frequenzverschiebung des Meßstrahles erfassen. Bei zwei parallel auf den rotierenden Körper fallenden Meßstrahlen ist die Diffe­ renz zwischen diesen beiden in Richtung der Meßstrahlen liegenden Geschwindigkeitskomponenten nur abhängig vom Abstand der Meßstrahlen zueinander und von der Winkel­ geschwindigkeit des Meßobjektes. Der Abstand der Meß­ strahlen von der Drehachse des Meßobjektes sowie Trans­ lationsbewegungen des Objektes beeinflussen dieses Er­ gebnis nicht.

Aus der EP 0 103 422 ist all dies bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird ein aus einem Laser aus­ tretender Lichtstrahl in zwei Meßstrahlen aufgeteilt, die zueinander beabstandet und parallel auf das Meßob­ jekt fallen. Von diesem werden sie reflektiert und die reflektierten Signalstrahlen werden miteinander überla­ gert, wodurch es wie bekannt wieder zu Interferenzen kommt, aus denen die Rotationsgeschwindigkeit des Meß­ objektes bestimmt werden kann.

Nachteilig ist hierbei jedoch, daß bei dieser bekannten Anordnung kein unveränderlicher Referenzstrahl und kein Frequenzoffset vorhanden sind. Damit fehlt zum einen die Richtungsinformation und zum anderen werden zwei jeweils schon reflektierte Signalstrahlen sehr geringer Intensität überlagert, weswegen sich nur ein sehr schwaches Signal ergibt. Um ein verwertbares Signal zu erhalten, ist deshalb eine Reflexionsbeschichtung des Meßobjekts notwendig. Außerdem hat diese Anordnung aufgrund des schlechten Signal-/Rauschverhältnisses den Nachteil, daß falls einer der beiden Signalstrahlen nicht mit ausreichender Intensität zurückreflektiert wird und somit nicht mehr zur Interferenzbildung zur Verfügung steht, keinerlei Information über den derzei­ tigen Bewegungszustand des Meßobjektes mehr vorliegt, für die immer zwei Lichtstrahlen vorhanden sein müssen, damit Interferenz auftritt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Bewegungserfassung der oben beschriebenen Art anzuge­ ben, mit der bei gleicher Leistung des Lasers und gegebenen Reflexionseigenschaften des Objekts ein stär­ keres Meßsignal zur Verfügung steht. Dadurch sollen Signalausfälle infolge eines schlechten Signal-/Rausch­ verhältnisses minimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Meßstrahl durch ein separates Heterodyne-Inter­ ferometer läuft, in dem eine Komponente als Referenz­ strahl abgezweigt wird, mit der die vom Meßobjekt in das Interferometer zurückgestrahlten Signalstrahlen je­ weils überlagert werden und daß aus den sich ergebenden Signalen beider Interferometer die Rotationsgeschwin­ digkeit des Meßobjektes bestimmt wird.

Diese Erfindung hat den Vorteil, daß erheblich stärkere Interferenzsignale auftreten als bei der vorbekannten Methode. Dies ist darauf zurückzuführen, daß in jedem Interferometer die Komponente, die als Referenzstrahl dient, nicht durch Reflexion am Meßobjekt geschwächt wird. Dieser intensive Referenzstrahl wird dann mit dem intensitätsschwächeren Signalstrahl überlagert, wobei wegen der dabei auftretenden Multiplikation der Inten­ sitäten (optischer Verstärkungseffekt) ein sehr starkes Meßsignal vorliegt. Dieses Signal ist stärker als das der bekannten Vorrichtung, das sich nur aus reflektier­ ten und deshalb geschwächten Signalstrahlen ergibt.

Außerdem hat das Verfahren gemäß der vorliegenden Er­ findung den Vorteil, daß bei Ausfall eines einem Inter­ ferometer zugeordneten reflektierten Signalstrahles mit dem jeweils anderen Interferometer weiterhin eine nähe­ rungsweise Bestimmung der Geschwindigkeit des Meßobjek­ tes unter Zuhilfenahme eines Grundsignal des ersten In­ terferometers erfolgen kann. Dieses Grundsignal kann dabei dem jeweils zuletzt gelieferten Signal dieses In­ terferometers entsprechen. Damit wird eine weitere Fehlerminimierung erreicht.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auch bei geringen Drehzahlen und Stillstand des Meßobjektes ein auswertbares Meßsignal entsteht. Die Erfassung von pendelnden Rotationsbewegungen ist damit möglich.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bei der im Strahlengang des Lichtstrahles eine Bragg-Zelle angeordnet ist, die den Lichtstrahl sowohl polarisie­ rend als auch frequenzverschiebend beeinflußt, wird der Lichtstrahl in Komponenten aufgeteilt, die sich sowohl in ihrer Frequenzverschiebung als auch in ihrer Polari­ sation unterscheiden. Durch einen ersten Strahlteiler, der polarisationsunabhängig ist, wird der Lichtstrahl dann in zwei Meßstrahlen aufgeteilt. Jeder Meßstrahl hat zwei Komponenten, von denen die eine Komponente eine Frequenzverschiebung in eine Richtung erfahren hat und in einer Polarisationsebene verläuft, während die andere Komponente keine Frequenzverschiebung erfahren hat und in einer zu der ersten Polarisationsebene senk­ recht liegenden zweiten Polarisationsebene verläuft.

Von diesen beiden Komponenten der Meßstrahlen wird über einen polarisationsabhängigen zweiten Strahlteiler in den jeweiligen Interferometern die eine Komponente als Referenzstrahl abgezweigt und die andere Komponente über eine Lambda-Viertel-Verzögerungsplatte auf das Meßobjekt und als Signalstrahl wieder in das Interfero­ meter zurückgestrahlt. Durch das Hindurchtreten durch dieses Element hat sich dabei die Polarisation des wieder in das Interferometer eintretenden Signalstrah­ les gedreht, so daß er mit der als Referenzstrahl abge­ zweigten Komponente überlagert werden kann, um ein Interferenzsignal erhalten zu können. Da der Referenz­ strahl gegenüber dem Signalstrahl frequenzverschoben ist, kann an dem Signal auch abgelesen werden, welches Geschwindigkeitsvorzeichen vorhanden ist und dadurch welche Rotationsrichtung das Meßobjekt hat.

Da in dieser bevorzugten Anordnung durch entspre­ chende Wahl von polarisationsabhängigen und -unabhängi­ gen Strahlteilern der Lichtstrahl zuerst in zwei Strah­ len und dann in vier Teilstrahlen zerlegt wird, ist es auch besonders einfach, den parallelen Verlauf der bei­ den Meßstrahlen zu erzielen, die außerdem aufgrund ent­ sprechend polarisierender Strahlteiler senkrecht zuein­ ander polarisiert sind. In dieser Weise ist bei einem der beiden Interferometer der Meßstrahl von höherer optischer Frequenz als sein Referenzstrahl und im ande­ ren Fall niedriger. Diese invertierte Richtung der Fre­ quenzverschiebung für die beiden Interferometer ermög­ licht die spätere richtungsabhängige Signal-Dekodie­ rung.

Da die Frequenzverschiebung der Referenzstrahlen be­ reits vor dem Eintritt des Meßstrahles in das Inter­ ferometer erfolgte, erübrigt es sich, eine Frequenz­ verschiebung des Referenzstrahles erst im Interfero­ meter vorzunehmen. Da diese nur mit einem Intensitäts­ verlust von ca. 15% erzielt werden könnte, ist mit der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wegen Fortfall dieses Verlustes ein stärkeres Signal erreich­ bar.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles.

Dort ist ein Meßobjekt 1 dargestellt, das mit der Win­ kelgeschwindigkeit ω um eine Drehachse 2 rotiert. Auf das Meßobjekt fallen zwei Meßstrahlen 3, 4, die als Signalstrahlen 5, 6 reflektiert werden. Die beiden Meß­ strahlen 3, 4 stammen beide aus dem gleichen, mit 7 be­ zeichneten Laser. Der Laser 7 strahlt einen Lichtstrahl 8 von kohärentem Licht aus, der in eine Bragg-Zelle 9 läuft. In der Bragg-Zelle wird der Lichtstrahl teilwei­ se in seiner Frequenz verschoben, so daß der Ausgangs­ strahl 10 Anteile nullter und erster Bragg-Ordnung ent­ hält. Außerdem wird in der Bragg-Zelle der frequenzver­ schobene Anteil in eine erste Polarisationsebene ge­ bracht, während der nicht frequenzverschobene Anteil des Ausgangsstrahles in der ursprünglichen Polarisa­ tionsebene bleibt. Die beiden Polarisationsebenen ste­ hen dabei senkrecht aufeinander. Der Ausgangsstrahl 10 wird dann in einem polarisationsunabhängigen Strahltei­ ler 11 aufgeteilt und fällt dann in zwei Interferometer 12, 13. Da der Strahlteiler 11 polarisationsunabhängig ist, fallen in die Interferomter Strahlen ein, die wie der Ausgangsstrahl 10 zwei Anteile enthalten, die sich sowohl in ihrer Polarisation als auch in ihrer Fre­ quenzverschiebung voneinander unterscheiden.

In den Interferometern 12, 13 werden die einfallenden Strahlen durch polarisationsabhängige Strahlteiler 14, 15 aufgeteilt in eine Komponente, die als Referenz­ strahl 16, 17 fungiert und eine Komponente, die als Meßstrahl 3, 4 fungiert.

Dabei sind die polarisationsabhängigen Strahlteiler 14, 15 so gewählt, daß der Referenzstrahl 16 im Interfero­ meter 12 die gleiche Polarisation und Frequenzverschie­ bung hat wie der Meßstrahl 4 des Interferometers 13. Die Referenzanteile 16, 17 sind also gegenüber den ihnen zugeordneten Meßstrahlen 3, 4 jeweils in anderer Richtung frequenzverschoben.

Die Meßstrahlen 3, 4 werden durch eine Umlenkoptik 18 parallelisiert, um diese nötige Eigenschaft für die Ro­ tationsmessung herzustellen. Sie werden dann durch eine Lambda-Viertel-Verzögerungsplatte 19 in zirkular polarisierte Strahlen umgewandelt, die wie oben bereits beschrieben auf das Meßobjekt fallen und von diesem als Signalstrahlen 5, 6 reflektiert werden. Sie laufen wieder durch die Lambda-Viertel-Verzögerungsplatte 19 zurück in die Interferometer 12, 13. Da die Strahlen auf ihrem Weg von den Interferometern 12, 13 zum Meßob­ jekt 1 und wieder zurück zweimal durch die Lambda-Vier­ tel-Verzögerungsplatte 19 hindurchgelaufen sind, haben sie beim Wiedereintritt in das Interferometer ihre Po­ larisation geändert, so daß der Signalstrahl 5 durch den Strahlteiler 14, der den Meßstrahl 3 vorher ablenk­ te, gerade hindurchtritt. Der Signalstrahl 5 kann dann mit dem Referenzstrahl 16 überlagert werden, mit dem er jetzt die gleiche Polarisationsebene hat. Auf gleiche Weise wird der Signalstrahl 6 jetzt durch den Strahl­ teiler 20 zur Überlagerung mit dem Referenzstrahl 17 abgelenkt, wobei vorher der Signalstrahl 4 unabgelenkt durch den polarisationsabhängigen Strahlteiler 20 hin­ durchlaufen konnte.

Die Signal strahlen 5 und 6 werden dann in den Rekombi­ nations-Strahlteilern 21 und 22 wieder mit den Refe­ renzstrahlen 16, 17 interferometrisch überlagert und die auftretende Interferenzsignale wird mittels ent­ sprechender Detektoren 23, 24 ausgewertet.

Um eine optimale Signalform an der hier nicht darge­ stellten Signalverarbeitungselektronik liefern zu kön­ nen, sind auch die beiden komplementär interferometri­ schen Ausgänge differentiell kombiniert, weswegen die Interferometer zweite Detektoren 25, 26 aufweisen.

Die hier dargestellte Ausführungsform spart in den In­ terferometern 12, 13 die in einem Heterodyne-Interfero­ meter üblicherweise vorhandene Bragg-Zelle ein, die verwandt wird, um im Interferometer eine Frequenzver­ schiebung zu erreichen. Eine solche Frequenzverschie­ bung ist aber immer mit einem Verlust verbunden, da selbst bei optimaler Einstellung die Bragg-Zelle nur ca. 85% des Lichtes in der Frequenz verschieben kann, während das restliche Licht ungenutzt bleibt. Durch die hier beschriebene Vorschaltung der Bragg-Zelle vor die beiden Interferometer kann für die Bragg-Zelle eine Einstellung gewählt werden, bei der 50% des Lichtes frequenzverschoben werden und die restlichen 50% im unverschobenen Bereich bleiben. Beide Anteile werden dann in den nachgeschalteten Interferometern genutzt und es tritt für die Frequenzverschiebung kein Verlust ein.

Außerdem sind die beiden Referenzstrahlen in bezug auf die jeweiligen Meß- und Signalstrahlen in entgegenge­ setzter Richtung frequenzverschoben, so daß durch die Kombination der beiden von den Interferometern gelie­ ferten Signale die Rotationsrichtung des Meßobjektes feststellbar ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur interferometrischen Erfassung insbe­ sondere von Rotationsbewegungen eines Meßobjektes (1), bei dem ein insbesondere aus einem Laser (7) austreten­ der Lichtstrahl (8) von kohärentem Licht in Meßstrahlen (3, 4) aufgeteilt wird, die zueinander beabstandet und parallel auf das Meßobjekt (1) fallen und von diesem als Signalstrahl (5, 6) zurückgestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßstrahl (3, 4) durch ein separates Hetero­ dyne-Interferometer (12, 13) läuft, in dem eine Kompo­ nente als Referenzstrahl (16, 17) abgezweigt wird, mit der die vom Meßobjekt (1) in das Interferometer zurück­ gestrahlten Signalstrahlen (5, 6) jeweils überlagert werden und daß aus den sich ergebenden Ausgangssignalen beider Interferometer eine Geschwindigkeitsinformation über das Meßobjekt (1) gewonnen wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (8) in zwei Anteile mit entgegen­ gesetzter Frequenzverschiebung aufgeteilt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (8) in Anteile mit unterschiedli­ cher Polarisation aufgeteilt wird, insbesondere in zwei Anteile mit senkrecht aufeinander stehenden Polarisati­ onsebenen.

4. Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl in wenigstens zwei Meßstrahlen auf­ geteilt wird, die jeweils zwei sich sowohl in ihrer Frequenzverschiebung als auch in ihrer Polarisation unterscheidende Komponenten aufweisen, wobei jeweils die eine Komponente als Referenzstrahl (16, 17) abge­ zweigt wird und die andere Komponente durch ein zirku­ lar polarisierendes Element (19) auf das Meßobjekt (1) und als Signalstrahl (5, 6) wieder in das Interfero­ meter (12, 13) zurückgestrahlt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalstrahlen (16, 17) gegenüber ihren Refe­ renzstrahlen in entgegengesetzter Richtung frequenzver­ schoben sind.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, bei der in einem Lichtstrahl (8) kohärenten Lichtes insbesondere aus einem Laser (7) ein erster Strahl­ teiler (9 oder 11) angeordnet ist, der den Lichtstrahl (8) in zwei auf das Meßobjekt (1) fallende Meßstrahlen (3, 4) aufteilt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Meßstrahlen (3, 4) durch ein separates Heterodyne-Interferometer (12, 13) läuft, in dem je­ weils mit einem zweiten Strahlteiler (14, 15) eine Komponente als Referenzstrahl (16, 17) abgezweigt wird.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strahlteiler eine Bragg-Zelle (9) ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Lichtstrahles (8) ein polari­ sierender Strahlteiler angeordnet ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Lichtstrahles (8) Mittel zur Frequenzverschiebung (9) angeordnet sind, die den Lichtstrahl (8) polarisierend und frequenzverschiebend beeinflussen, daß der erste Strahlteiler (11) polarisa­ tionsunabhängig ist, daß die zweiten Strahlteiler (14, 15), die den Referenzstrahl (16, 17) abzweigen, polari­ sationsabhängig sind und daß in den Strahlengängen der Meßstrahlen (3, 4) und Signalstrahlen (5, 6) zwischen Interferometer (12, 13) und Meßobjekt (1) eine Lambda-Viertel-Verzögerungsplatte (19) angeordnet ist.