DE4116039A1 - Interferometrisches verfahren und interferometer zur durchfuehrung desselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum hochgradigen Verlängern der effektiven Kohärenz­ länge von nicht stabilisierten Multimode-Lasern oder nicht stabilisierten Mehrfachschwingungstyp-Lasern, die in inter­ ferometrischen Einrichtungen verwendet werden, welches Ver­ fahren und System es ermöglichen, kostengünstige Interfero­ meter mit großen optischen Wegunterschieden zu bauen, die auf derartigen Lasern basieren. Von besonderem Interesse ist die Anwendung dieses Verfahrens und dieses Systems auf die Verlagerungsmessungsinterferometrie, insbesondere die Verschiebungsmessungsinterferometrie.

Genaue Meßeinrichtungen werden von modernen Herstellungs­ betrieben, -anlagen, -einrichtungen o. dgl. benötigt, in denen die Bearbeitungsgenauigkeit mehreren µm pro Meter nahekommt, so daß die Genauigkeit der Meßeinrichtungen für die Inspektion und Kontrolle, Steuerung, Überwachung o. dgl. im Sub-µm-Bereich sein muß. Unter den existierenden Meß­ systemen können nur Interferometer solche Genauigkeiten über ausgedehnte Bereiche (bis zu einem Meter und jenseits von einem Meter) erbringen. Andere Systeme haben entweder den Nachteil einer beschränkten Genauigkeit oder eines be­ schränkten Bereichs. Die meisten kommerziellen Interfero­ meter, die fähig sind, Bereiche bis zu 10 Meter und über 10 Meter sowie Genauigkeiten von 0,1 µm/m oder besser zu messen, basieren auf stabilisierten Lasern und sind zu empfind­ lich und/oder zu teuer, um in weitem Umfang auf dem Fabrik­ boden benutzt oder in Systeme für geschlossenschleifige Be­ wegungssteuerung und/oder -regelung eingefügt oder eingebaut zu werden. Andererseits haben Interferometer, die auf nicht­ stabilisierten Lasern basieren, einen sehr beschränkten Meß­ bereich.

Das Haupthindernis für die Verwendung von nicht-stabilisier­ ten Lasern in der Verlagerungsmessungsinterferometrie (und generell in Ungleich-Weg-Interferometern) ist ihre beschränk­ te Kohärenzlänge und demgemäß ihr beschränkter Meßbereich. Dieses wird durch das gleichzeitige Vorhandensein von mehre­ ren in Resonanz befindlichen Hohlraumschwingungstypen in der Laseremission (Schwingungstyp-Konkurrenz) verursacht. Jede der Moden oder Schwingungstypen bildet ihr eigenes Inter­ ferenzstreifensystem aus, und diese Systeme sind mit Bezug aufeinander entsprechend dem Frequenzunterschied zwischen den Moden oder Schwingungstypen und entsprechend der gemes­ senen Weglänge verschoben. Das optische Signal, das bei dem Detektionssystem eines Interferometers ankommt, trägt die Interferenzstreifensysteme, die mit jeder Mode oder jedem Schwingungstyp verbunden sind, und kann infolgedessen als "kodiert" mit den optischen Signalen der individuellen Moden bzw. Schwingungstypen betrachtet werden. Die Interferenz­ systeme von unterschiedlichen Moden oder Schwingungstypen überlappen sich inkohärent wegen eines sehr großen Frequenz­ unterschieds zwischen den Moden oder Schwingungstypen, ver­ glichen mit dem Frequenzansprechverhalten der Detektoren. Daher ist das Interferenzstreifenbild, das von dem Detektions­ system beobachtet wird, eine Summe der Interferenzstreifenin­ tensitäten von allen Moden oder Schwingungstypen, die zugegen sind und die "kodierte" Information, die zu den individuellen Moden oder Schwingstypen gehören geht verloren.

Es sei, um die Verhältnisse klarer zu machen, ein Kurzröhren- Laser betrachtet, der die meiste Zeit in zwei Moden oder Schwingungstypen emittiert. Der Frequenzabstand der Moden oder Schwingungstypen ist c/2L, worin L die Röhrenlänge des Lasers ist. (Das ist in Fig. 1A veranschaulicht, worin die P₂-Mode oder der P₂-Schwingstyp typischerweise unterhalb der Nutz- oder Verstärkungsschwelle liegt und nicht an der Emission teilnimmt.) Wenn der optische Wegunterschied in dem Interfero­ meter gleich der Röhrenlänge ist, dann sind die Interferenz­ streifenbilder der beiden Moden oder Schwingungstypen bei der Detektion genau in Antiphase. Das wird als ein Interfe­ renzstreifenbild der stärkeren Mode oder des stärkeren Schwingungstyps beobachtet, wobei der Interferenzstreifenkon­ trast durch die Kontamination mittels der zweiten Mode oder des zweiten Schwingungstyps vermindert ist. Wenn zusätzlich die Intensitäten der Moden oder Schwingungstpyen gleich sind (Fig. 1B), dann ist der Verlust an Kontrast vollständig. Die Intensitäten der Moden oder Schwingungstypen hängen von ihren Relativpositionen unter dem Dopplerprofil der Laseremissions­ linie ab (Fig. 1), und dann wieder von der Laserröhrenlänge, und sie schwanken mit unvermeidbaren Schwankungen der letzte­ ren, die hauptsächlich durch Temperaturänderungen oder -schwan­ kungen verursacht werden. Infolgedesen wird, wenn sich der optische Wegunterschied der Röhrenlänge annähert (das heißt, wenn sich die zu messende Verlagerung ihrer Hälfte annähert) und die Interferenzstreifensysteme der beiden Moden oder Schwingungstypen in Antiphase sind, ein teilweiser Verlust an Kontrast beobachtet, und der Kontrast schwankt mit der Zeit zwischen nahezu 100% in dem Fall der Fig. 1A und Null in dem Fall der Fig. 1B. Die Kohärenzlänge eines solchen Lasers ist daher gleich seiner Röhrenlänge (dieser Ausdruck wird hier zu­ sammenfassend für "Rohrlänge" und "Röhrenlänge" verwendet).

Generell ist die Kohärenzlänge eines nicht-stabilisierten Multimode-Lasers oder Mehrfachschwingungstyp-Lasers 2L/m, worin m die Anzahl der Moden oder Schwingungstypen ist, und in der Praxis sind die Meßbereiche, beispielsweise für HeNe- Laser, nur in der Größenordnung von 100 mm.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum hoch­ gradigen Verlängern der effektiven Kohärenzlänge eines nicht­ stabilisierten Multimode-Lasers oder nicht-stabilisierten Mehrfachschwingungstyp-Lasers, insbesondere eines nicht-sta­ bilisierten Zwei-Mode-Lasers oder nicht-stabilisierten Zwei- Schwingungstyp-Lasers, in einem Zweistrahl-Interferometer, basierend auf dem Decodieren der individuellen optischen Signale, die zu den Interferenzstreifensystemen der indivi­ duellen Moden oder Schwingungstypen gehören, und auf der Ver­ wendung des stärkeren Signals für die Interferenzstreifen­ zählung. Dieses Verfahren soll hier als Verfahren der "Zäh­ lungs-Umschaltung" bezeichnet werden, da das Zählen von Inter­ ferenzstreifen von einer Mode oder einem Schwingungstyp zu einer anderen Mode oder einem anderen Schwingungstyp umge­ schaltet wird, wann immer das notwendig ist. Dieses Verfah­ ren ermöglicht es, kostengünstige Interferometer mit ver­ längerten optischen Wegunterschieden zu bauen, die äquiva­ lent denjenigen von stabilisierten Lasern (welche in hohem Maße die Laserröhrenlänge übersteigen) und theoretisch nur durch die Breite einer individuellen Mode oder eines indivi­ duellen Schwingungstyps beschränkt sind. Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Zählungs-Umschaltungs-Inter­ ferometers ist seine verbesserte Genauigkeit im Vergleich mit konventionellen Systemen. Obwohl dieses Verfahren vorliegend hauptsächlich anhand seiner bevorzugten Anwendung auf Zwei- Mode-Laser oder Zwei-Schwingungstyp-Laser beschrieben und er­ läutert wird, ist es jedoch genauso gut direkt auf Multi- Mode-Laser oder Mehrfach-Schwingungstyp-Laser anwendbar.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Er­ findung seien nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand einiger besonders bevorzugter Ausfüh­ rungsformen des Verfahrens nach der Erfindung und des erfin­ dungsgemäßen Interferometers näher beschrieben und erläutert; es zeigen

Fig. 1A bis 1D Kurvendarstellungen, welche die Mode-Kon­ kurrenz oder Schwingungstyp-Konkurrenz und die Mode-Drift oder Schwingungstypen-Drift veranschau­ lichen, die sich mit der Laserröhrenlänge ändert;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zählungs-Umschaltungs-Interfero­ meters mit Mode- oder Schwingungstypen-Trennung bei der Detektion;

Fig. 3 ein optisches Schema einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zählungs-Umschaltungs-Interfero­ meters mit Polarisationsmode- oder Polisations­ schwingungstyp-Trennung bei der Detektion;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Zäh­ lungs-Umschaltungs-Elektronik gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 eine Darstellung der Verwendung eines Zählungs- Umschaltungs-Interferometers gemäß einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung als eine Meßeinrichtung in einer genauen geschlossenschleifigen Steuerung oder Regelung der Bewegung einer Translations- oder Übersetzungsstufe, -bühne, -plattform, o. dgl.

Es seien nun bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung näher beschrieben und er­ läutert:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Sy­ stem zum hochgradigen Verlängern der effektiven Kohärenz­ länge von nicht-stabilisierten Lasern, die in interferometri­ schen Zweistrahleinrichtungen verwendet werden. Das Verfahren wird zunächst für einen Zwei-Mode-Laser oder Zwei-Schwingungs­ typ-Laser beschrieben und dann auf Multimode-Laser oder Mehr­ fachschwingungstyp-Laser ausgedehnt.

Das Verfahren, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist dazu entworfen worden, daß Mode- oder Schwingungstyp- Konkurrenzproblem, auf das oben Bezug genommen worden ist, zu überwinden, und dieses Verfahren ist gleichbedeutend mit der Trennung der Interferenzstreifensysteme der beiden Moden oder Schwingungstypen in dem gesamten interferometrischen Signal vor der Detektion (Decodierung der individuellen Mode- oder Schwingungstypsignale in dem gesamten Signal) und Verwendung der stärkeren Mode oder des stärkeren Schwingungstyps für die Interferenzstreifenzählung. Als Ergebnis hiervon erhält man keine Kontamination des Interferenzstreifenbilds durch dasjenige der zweiten Mode oder des zweiten Schwingungstyps (und demgemäß keinen Verlust an Kontrast), und die Intensi­ tät der Mode oder des Schwingungstyps, die bzw. das für die Zählung verwendet wird, ist stets oberhalb eines gewissen oder vorbestimmten Minimums. Daher wird die effektive Kohä­ renzlänge des Lasers in dem Interferometer in hohem Maße ver­ größert. Zusätzlich wird eine signifikante Erhöhung der Ge­ nauigkeit im Vergleich mit einem konventionellen Interfero­ meter, in dem ein nicht-stabilisierter Laser verwendet wird, erzielt.

Ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, ist in Fig. 2 für die optische Anordnung vom Michelson-Typ gezeigt. Hier ist 201 der Strahl oder das Bündel, der bzw. das von einem nicht-stabilisierten Zwei- Mode- oder Zwei-Schwingungstyp-Laser emittiert wird; 202 ist ein Strahl- oder Bündelteiler, welcher den ursprünglichen Laserstrahl oder das ursprüngliche Laserbündel in zwei Strah­ len oder Bündel auftrennt: einen Referenzstrahl oder ein Re­ ferenzbündel 203 und einen Meßstrahl oder ein Meßbündel 204; 205 und 206 sind Spiegel, welche die Strahlen oder Bündel 203 und 204 reflektieren, um sie in dem Interferenzstrahl oder -bündel 207 wieder zu kombinieren; 208 ist eine Mode- oder Schwingungstyp-Trennkomponente, welche den Interferenz­ strahl oder das Interferenzbündel 207 in zwei Strahlen oder Bündel 209 und 210 teilt, wobei jeder Strahl oder jedes Bün­ del das Inferenzbild einer gesonderten individuellen Mode oder eines gesonderten individuellen Schwingungstyps trägt oder enthält; 211 und 212 sind elektro-optische Zähldetek­ toren, die Interferenzstreifen-Zählungen für jede Mode oder jeden Schwingungstyp erzeugen, wann immer das möglich ist; und 213 ist ein Mode- oder Frequenztyp-Wähler, welcher die Zählungen der optimalen Mode oder des optimalen Schwingungs­ typs zu dem Hauptzähler 214 durchläßt.

Aus Abkürzungsgründen wird nachfolgend der Begriff "Schwingungs­ typ" zusammenfassend für die beiden Begriffe "Mode" und "Schwingungstyp" sowie "Schwingungsart" verwendet; weiterhin wird nachfolgend der Begriff "Bündel", sofern sich aus dem Zusammenhang nichts Abweichendes ergibt, zusammenfassend für die Begriffe "Strahl" und "Bündel" verwendet.

Generell kann eine Decodierung (Trennung der Signale der indi­ viduellen Schwingungstypen bei der Detektion) auf der Basis der Polarisation, der Wellenlänge oder irgendeiner anderen beobachtbaren Charakteristik oder irgendeines anderen beob­ achtbaren Kennwerts des Bündels durchgeführt werden.

Eine Polarisationstrennung der Schwingungstypen zieht Vor­ teil aus der Tatsache, daß die beiden Schwingungstypen eines nicht-polarisierten Zwei-Schwingungstyp-Lasers in orthogona­ len Richtungen polarisiert sind. Theoretisch werden die Rich­ tungen der beiden Polarisationen statistisch beim Einschal­ ten des Lasers eingestellt. In der Praxis jedoch kommt es wegen der unvermeidbaren Anisotropie des in Resonanz befind­ lichen Hohlraums oder Resonanzhohlraums, unabhängig davon wie klein diese ist, dazu, daß diese Polarisationsrichtungen stets dieselben für eine gegebene Röhre sind und ein für alle­ mal gemessen werden können und demgemäß die Basis für eine Schwingungstyp-Trennung zur Verfügung stellen. Zum Beispiel kann ein polarisierender Strahl- oder Bündelteiler, der in den Weg des Laserbündels eingefügt ist, in einer solchen Art und Weise ausgerichtet sein (oder in äquivalenter Weise kann bei gegebener Ausrichtung des polarisierenden Strahl- oder Bündelteilers der Laser um seine Achse gedreht werden), daß die Polarisationsrichtungen des Strahl- oder Bündelteilers parallel zu denjenigen der Laser-Schwingungstypen sind und demgemäß jedes der Bündel einen unterschiedlichen Schwingungs­ typ enthält.

In der Wellenlängentrennung kann man von der Tatsache Gebrauch machen, daß der Wellenlängenabstand der Schwingungstypen in einem Laser Δλ = λ²/(2L) ist, worin λ die mittlere Wellen­ länge und L die Länge der Laserröhre bedeuten. Dieses kann im Prinzip mittels irgendeines Instruments ausgenutzt werden, das in der Hochauflösungsspektroskopie verwendet wird, wie beispielsweise mittels eines Beugungsgitters oder -rasters, worin jede Wellenlänge in einem unterschiedlichen Winkel gebeugt wird und beispielsweise Spaltöffnungen dazu benutzt werden, den Schwingungstyp in der Mitte (Fig. 1A) sowie die außermittigen Schwingungstypen (Fig. 1B) zu selektieren. Es ist in gleicher Weise möglich, Fabry-Perot-Etalone mit angemessener Finesse zu benutzen, die so abgestimmt sind, daß sie die mittige Wellenlänge (Fig. 1A) und die außer­ mittigen Wellenlängen (Fig. 1B) übertragen.

Im Prinzip kann die Schwingungstyp-Trennung auch auf irgend­ einer anderen beobachtbaren Charakteristik oder irgendeinem anderen beobachtbaren Kennwert des Bündels basieren. Zum Beispiel ist es möglich, die von dem Laser emittierten Schwingungstypen in der Polarisation, der Intensität oder der Amplitude zu modulieren und die Schwingungstypen bei der Detektion durch eine geeignete elektronische Demodulation zu trennen.

Wegen der Frequenzdifferenz (und der Wellenlängendifferenz) zwischen den Schwingungstypen gibt es eine Änderung in der Anzahl der Wellenlängen pro optischer Wegdifferenz und dem­ gemäß gibt es eine "Phasenverschiebung" zwischen den Inter­ ferenzstreifensystemen der beiden Schwingungstypen, welche, wenn sie unkorrigiert bleibt, eine diskontinuierliche Ände­ rung in der Zählung im Umschaltmoment zur Folge haben könn­ te. Zum Beispiel beträgt diese Phasenverschiebung in dem problematischen Halb-Röhren-Längen-Punkt 180°, und es wird im Umschaltmoment ein halber Impuls gewonnen (oder verloren).

Bei Schwankungen der Laserröhrenlänge wird die Zählung zwi­ schen den beiden Schwinungstypen hin- und hergeschaltet, und es ist denkbar, daß sich dieser Diskontinuitätsfehler akku­ mulieren kann. Da jedoch die Intensitäten der beiden Schwingungstypen im Augenblick der Zählungs-Umschaltung fast gleich und beide Detektionssysteme 211 und 212 fähig sind, Zählungen bzw. Zählwerte zu erzeugen, kann diese relative "Phasenverschiebung" zwischen den Schwingungstypen im Um­ schaltmoment leicht bestimmt werden, und es kann eine die Zählung korrigierende Differenz zu der Gesamtzahl der Impul­ se in dem Hauptzähler 214 hinzugefügt werden, so daß auf die­ se Weise die obige Diskontinuität ausgeschaltet wird. Im Er­ gebnis ist die Zählungs-Diskontinuität gleich einem Bruch­ teil von D/(2L), worin L die Röhrenlänge und D die optische Wegdifferenz zwischen den beiden Interferometerbündeln oder -strahlen ist.

Es sei zur Erläuterung auf Fig. 1 Bezug genommen, wonach es so ist, daß im Falle der Fig. 1A der S-Schwingungstyp, der dicht an der Mitte des Doppler-Emissionsprofils liegt, viel stär­ ker als der andere Schwingungstyp ist, und daher zum Zählen gewählt wird. Bei Temperaturschwankungen driften die Schwingungstypen (es sei angenommen, nach links) und können in der Intensität vergleichbar werden (Fig. 1B). Bei weite­ rer Drift wird der P-Schwingungstyp stärker als der S- Schwingungstyp, und die Zählung wird auf diesen Schwingungs­ typ umgeschaltet. Wenn die Drift beziehungsweise das Driften in der gleichen Richtung weitergeht, dann wird schließlich der ursprüngliche S-Schwingungstyp so weit wandern, daß er außerhalb der Grenzen der Doppler-Kurve zu liegen kommt (und zum Erlöschen kommt), und ein anderer S-Schwingungstyp tritt von rechts in die Grenzen der Doppler-Kurve ein, etc.

Die Genauigkeit des Zählungs-Umschaltungs-Interferometers wird durch die maximale Variation der Wellenlänge des für die Zählung benutzten Schwingungstyps begrenzt, das heißt durch die maximale Abweichung der Wellenlänge eines Schwingungstyps von derjenigen Wellenlänge, welche der Mitte der Emissionslinie entspricht. Es ist klar, daß diese Ab­ weichung den halben Abstand zwischen den Schwingungstypen nicht übersteigen kann, so daß die relative Genauigkeit besser als λ/(4L) ist, das heißt besser als 10^-6. Das ist bereits eine signifikante Verbesserung gegenüber einem kon­ ventionellen Interferometer mit einem nicht-stabilisierten Laser, in dem die Variation der Wellenlänge eines Schwingungs­ typs durch die Doppler-Kurve selbst beschränkt ist. Da je­ doch in der Situation (Fig. 1B), in welcher die Schwingungs­ typ-Abweichung am größten ist, beide Schwingungstypen vorhan­ den und fähig sind, Zählungen bzw. Zählwerte zu erzeugen, ist es möglich, die Zählungen bzw. Zählwerte in dem S- und P-Schwingungstyp einer Mittelwertbildung zu unterziehen, um die Wellenlängenungewißheit sogar noch weiter zu reduzieren.

Das Verfahren der Zählungs-Umschaltung kann auch auf Drei- Schwingungstyp-Laser und allgemein auf Multi- oder Mehr­ schwingungstyp-Laser angewandt werden, und zwar insbesondere auf der Basis der Wellenlängendecodierung oder der Polarisations­ decodierung. Im letzteren Falle macht man von der Tatsache Gebrauch, daß die Polarisationen der benachbarten Schwingungs­ typen orthogonal sind. Der einzige Unterschied, der hier gegenüber dem Zwei-Schwingungstyp-Fall vorhanden ist, be­ steht darin, daß das Interferenzstreifenbild, das für eine gegebene Polarisation erhalten wird, die Signale von all den Schwingungstypen enthält, die durch diese Polarisation ge­ kennzeichnet sind. Da jedoch der Abstand zwischen den Schwin­ gungstypen, welche gleiche Polarisation in einem nicht-pola­ risierten Laser haben, relativ groß ist (das Zweifache des Schwingungstyp-Abstands), beobachtet man das resultierende Interfernzstreifenbild in einer gegebenen Polarisation als das Interferenzstreifenbild des stärksten Schwingungstyps mit nur einem kleinen Verlust an Kontrast, verursacht durch die Gegen­ wart der anderen Schwingungstypen. Wenn zum Beispiel im Fall eines Drei-Schwingungstyp-Lasers einer der drei Schwingungs­ typen dicht an der Mitte der Doppler-Kurve liegt (der S₁- Schwingstyp in Fig. 1C), dann wird zwar sein Interferenz­ streifenbild durch dasjenige des S₂-Schwingungstyps kontami­ niert. Jedoch ist die Intensität des S₂-Schwingungstyps be­ trächtlich kleiner als diejenige des S₁-Schwingungstyps, so daß seine Wirkung auf den Interferenzstreifenkontrast mini­ mal ist. In dem Fall, in welchem die Intensitäten der beiden S-Schwingungstypen vergleichbar sind (Fig. 1D), ist es der P-Schwingungstyp, der am stärksten ist und demgemäß für die Zäh­ lung benutzt wird. Die maximale Zahl von Schwingungstypen, die mittels des Verfahrens der Zählungs-Umschaltung mit der Pola­ risationstechnik aufgenommen werden kann, hängt von der ge­ nauen Form des Emissionsprofils ab und kann vier übersteigen. Es ist in diesem Fall zu beachten, daß sich wegen eines klei­ neren Schwingungstyp-Abstands ein entsprechender Gewinn in der Genauigkeit im Vergleich mit kürzeren Röhren ergibt.

Das Verfahren der Zählungs-Umschaltung ist in keiner Weise auf das optische Twyman-Green-Schema beschränkt und kann auf jedes Zweistrahl-Interferometer mit einem nicht-stabilisier­ ten Laser angewandt werden, wo es wünschenswert ist, den op­ tischen Wegunterschied in den beiden Bündeln zu verlängern.

Es seien nun Beispiele von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in näheren Einzelheiten beschrieben und erläutert:

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht, worin das Ver­ fahren der Zählungs-Umschaltung mit Polarisationstrennung der Schwingungstypen für ein Twyman-Green-Interferometer zur Messung von Verlagerungen, Verschiebungen u. dgl. ausge­ führt ist. Das optische Schema ist in Fig. 3 veranschau­ licht, worin folgende Komponenten enthalten sind: 301 ist ein Kurzröhren-Gaslaser, wie beispielsweise ein solcher, der die 7647-HeNe-Röhre von Siemens hat; 302 ist ein "Haupt"- Strahl- oder -Bündelteiler, der das Hauptlaserbündel in ein Bezugsbündel und ein Meßbündel trennt; 303 ist ein Retro­ reflektor für das Bezugsbündel, der relativ zu dem Haupt- Bündelteiler 302 fixiert oder ortsfest ist; 304 ist ein Fernretroreflektor in dem Meßweg, dessen Bewegung die zu messende Verlagerung oder Verschiebung definiert (der Bündel­ teiler 302 wird so genommen, daß er nicht polarisiert, und daher enthält sowohl das Bezugsbündel als auch das Meßbündel jeweils beide Polarisationen); 305 und 306 sind polarisie­ rende Strahl- oder Bündelteiler in den Wegen der beiden wiederkombinierten Bündeln, die von dem Hauptbündelteiler 302 austreten, wobei jeder ein kombiniertes Interferenz­ streifenbild trägt bzw. enthält; 307 bis 310 sind Photode­ tektoren (wie beispielsweise PIN-Photodioden) zum Registrie­ ren der Intensität der Interferenzstreifensignale; 311 ist ein zusätzlicher polarisierender Strahl- oder Bündelteiler, der in den Weg des Bündels eingefügt ist, das von dem Rück­ spiegel des Lasers emittiert wird (anstatt daß ein Teil des Hauptbündels abgeteilt wird); und 312 sowie 313 sind zwei zusätzliche Photodetektoren. Der Hauptbündelteiler 302 ist vorteilhafterweise so eingerichtet, daß er Absorption be­ sitzt, so daß die Interferenzstreifenbilder in den beiden wie­ derkombinierten oder -vereinigten Bündeln (welche in die po­ larisierenden Bündelteiler 305 und 306 eintreten) in ihrer Phase mit Bezug aufeinander verschoben werden. Die Phasenver­ schiebung hängt von dem Betrag an Absorption ab und ist idealerweise 90°, so daß die entsprechenden Signale in Qua­ dratur für elektronische Zweirichtungs-Interferenzstreifen­ zählung verwendet werden können.

Die polarisierenden Bündelteiler 305, 306 und 311 sind so ausgerichtet, daß sie die beiden Polarisationen der beiden Laser-Schwingungstypen, die S und P genannt seien, trennen, und es ist ein Photodetektor für jede Polarisation in jedem getrennten Bündel vorgesehen. Um es noch konkreter zu sagen, sei angenommen, daß die Photodetektoren 307, 310 und 313 die P-polarisierte Komponente der Bündel empfangen, und daß die Photodetektoren 308, 309 und 312 die S-polarisierte Kompo­ nente der Bündel empfangen. Als Ergebnis hiervon gibt es zwei elektro-optische Interferenzstreifen-Zählungs-Anord­ nungen: die Photodetektoren 307 und 310 für Zweirichtungs- Zählung in dem P-polarisierten Schwingungstyp, wobei jeder die P-polarisierte Komponente der beiden wiedervereinigten Bündel empfängt, deren Interferenzstreifenbilder, wie vorher, um 90° in Phase mit Bezug aufeinander verschoben sind (Signa­ le in Quadratur); und die Photodetektoren 308 und 309 dienen zur Zweirichtungs-Zählung in dem S-Schwingungstyp. Die Photode­ tektoren 312 und 313, die in den Weg des Bündels eingefügt sind, das von dem Rückspiegel des Lasers emittiert wird, mes­ sen die Intensität des P- und S-Schwingungstyps, und ihre Si­ gnale werden dazu benutzt, das Umschalten der Zählung oder des Zählens auf einen stärkeren Schwingungstyp, wann immer das notwendig ist, zu steuern. (Es ist auch möglich, das Um­ schalten auf der Basis des maximalen Kontrasts der Interfe­ renzstreifensignale zu steuern.) Die gemessene Verlagerung, insbesondere Verschiebung, wird als eine Anzahl von Impulsen, multipliziert mit λ/2 erhalten.

Ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Zählungs-Um­ schaltungs-Elektronik ist in Fig. 4 gezeigt. Hier sind 401, 402 sowie 403, 404 die beiden Signalpaare von dem S- und P- Photodetektorpaar 308, 309 und 307, 310, wobei die Inter­ ferenzsignale in jedem Paar um ∼90° relativ zueinander (in Quadratur) verschoben sind, wie oben erläutert; 411 und 412 sind Zweirichtungs-Zähler für den P- und S-Schwingungstyp; 405 und 406 sind Schwingungstyp-Intensität-Signale, die von den Photodetektoren 312 und 313 erzeugt und in den Intensi­ tätskomparator oder -vergleicher 410 eingegeben werden; 413 ist der Schwingungstyp-Wähler, der die Zählungen bzw. Zähl­ werte des stärkeren Schwingungstyps zu dem Hauptzähler 415 durchläßt und ein Schwingungstyp-Umschalt-Triggersignal für den Zählungs-Korrigierer oder -Korrektor 414 erzeugt; schließ­ lich berechnet der Zählwert-Korrigierer 414 die Zählwert­ korrekturdifferenz und addiert sie beim Empfangen des Trig­ gersignals von dem Schwingungstyp-Wähler 413 zu der Gesamt­ zahl der Impulse im Hauptzähler 415. Um ein mögliches schnel­ les "Hüpfen" des Wählers 413 von einem Schwingungstyp zum an­ deren in dem Fall zu verhindern, in welchem die Intensitäten der beiden Schwingungstypen angenähert gleich sind (wie in Fig. 1B), ist dem Schwingungstyp-Wähler 413 ein einfaches Hysteresegesetz aufgeprägt, durch das bewirkt wird, daß der Schwingungstyp-Umschalter nur umschaltet, wenn oder nachdem die Intensitäts-Differenz einen gewissen Schwellenwert über­ schreitet.

Bei einer leichten Abwandlung der Elektronik kann die glei­ che Anordnung eine Mittelwertbildung des Zählwerts ausführen, um die Genauigkeit im Falle der Fig. 1B zu erhöhen. Wann immer nämlich beide Intensitätssignale 405 und 406 den er­ forderlichen Schwellwert überschreiten, werden die Zählwerte der P- und S-Zähler 411 und 412 einer Mittelwertbildung unter­ worfen, bevor sie zu dem Hauptzähler 415 durchgelassen werden. In diesem Falle bewältigen der Schwingungstyp-Wähler 413 und der Zählwert-Korrigierer 414 drei mögliche Situationen: S- Schwingungstyp allein, P-Schwingungstyp allein,sowie S- und P-Schwingungstyp gemittelt, und zwar mit zwei möglichen Zäh­ lungs-Umschaltungen: S ↔ SP und SP ↔ P.

Eine mögliche Anwendung des Entfernungsmeßinterferometers ist schematisch in Fig. 5 gezeigt, welche die Verwendung eines Zählungs-Umschaltungs-Interferometers als Verlagerungs-Auf­ löser zum Kontrollieren oder Steuern einer linearen Trans­ lationsstufe veranschaulicht. Hier ist ein entfernter Retro­ reflektor 51 auf dem Laufwerk 52 der Translationsstufe ange­ bracht; 55 ist der Laser; 53 ist der Rest des Interferometers, der auf dem unbeweglichen Teil der Translationsstufe ange­ bracht ist; und 54 ist ein Bewegungsantrieb oder Servomotor o. dgl., der auf der Basis des von dem Interferometer 53 er­ zeugten Signals servogesteuert wird.

Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten, die in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, wurde eine Proto­ typeinrichtung der in Fig. 5 gezeigten Art gebaut, wobei das optische Schema, das in Fig. 3 dargestellt ist, ausge­ führt wurde, und welche Prototypeinrichtung die Zählungs- Umschaltungs-Elektronik gemäß Fig. 4 hatte. Die Einrichtung wurde auf der Basis einer 7647-Laserröhre von Siemens gebaut und hatte einen Meßbereich von 800 mm. Die Meßgenauigkeit war, wie über ein SZLl50-Interferometer von Spindler & Hoyer getestet worden ist, 1 µm pro Meter. Wenn die gleiche Einrich­ tung als ein konventionelles Interferometer ohne Zählungs-Um­ schaltung betrieben wird, dann fällt die Meßgenauigkeit auf ∼2,5 µm/m ab, und der Meßbereich wird um mehr als das Zehn­ fache reduziert, was den Kontrast zur vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wenn sich der Meßbereich ∼75 mm annähert, kommt es nämlich dazu, daß der Interferenzstreifenkontrast periodisch verschwindet (und wieder erscheint), wie tat­ sächlich aus theoretischen Betrachtungen heraus beim o. a. konventionellen Interferometer zu erwarten ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum hoch­ gradigen Verlängern der effektiven Kohärenzlänge von nicht­ stabilisierten Lasern zur Verfügung gestellt, das es ermög­ licht, dieselben in Interferometern mit großen optischen Weg­ differenzen anzuwenden. Die als ein Beispiel beschriebene Ausführungsform umfaßt ein robustes Twyman-Green-Interfero­ meter für genaue Messungen von ausgedehnten Verlagerungen, insbesondere Verschiebungen.

Claims (12)

1. Verfahren zum hochgradigen Erhöhen der effektiven Kohärenzlänge von nicht-stabilisierten Mehr-Schwingungstyp- Lasern in interferometrischen Zweistrahleinrichtungen, um­ fassend: Decodieren des interferometrischen Gesamtsignals so, daß die individuellen Streifen- bzw. Interferenzstreifen­ signale der Laser-Schwingungstypen bei der Detektion getrennt werden; Auswählen des optimalen Signals für die Zählung; Um­ schalten der Streifen- bzw. Interferenzstreifenzählung, wann immer das notwendig ist, auf das optimale individuelle Signal entsprechend angemessenen Optimalisierungskriterien; und Kor­ rigieren der Zählung im Umschaltmoment, um hinsichtlich der Wellenlängendifferenz zwischen den Schwingungstypen zu kom­ pensieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennung der Signale der indivi­ duellen Laser-Schwingungstypen auf Polarisation, Wellen­ länge und/oder einer anderen beobachtbaren Schwingungstyp­ charakteristik bzw. eines anderen beobachtbaren Schwingungs­ typ-Kennwerts basiert.

3. "Zählung-Umschaltungs"-Interferometer mit erwei­ tertem Meßbereich, basierend auf dem Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, umfassend: einen nicht-stabilisierten Kurz­ röhren-Zwei-Schwingungstyp-Gaslaser (55; 301), wobei die beiden Schwingungstypen orthogonale Polarisierungen haben; eine nichtpolarisierende optische Einrichtung (51, 53; 202, 205, 206; 302, 303, 304) zum Aufteilen und Wiedervereinigen des Laserbündels (201, 203, 204), welches Interferenzmuster in jeder der Polarisationen erzeugt; eine elektronische Ein­ richtung (53; 211, 212; 307 bis 310, 411, 412) zum Detek­ tieren der Interferenzmuster und zum Zweirichtungs-Zählen der entsprechenden Impulse; eine Polarisierungseinrichtung (53; 208; 305, 306) zur optischen Trennung der individuellen Interferenzmuster vor der Detektion; eine elektronische Ein­ richtung (53; 213; 312, 313, 413) zum Auswählen desjenigen Signals, welches das optimale Interferenzmuster erzeugt, und zum Umschalten der Zählung auf das optimale Signal; eine elektronische Einrichtung (53; 214; 414) zum Korrigieren der Zählung in dem Moment der Zählungsumschaltung; und eine elektronische Einrichtung (53; 214; 414) zum Berechnen der Verlagerung auf der Basis der Zweirichtungs-Zählungen.

4. Zählungs-Umschaltungs-Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zählungs­ korrektursytem (53; 214; 414) Mittel oder eine Einrichtung zur Zählungsmittlung oder Zählwertmittelwertbildung in den beiden Polarisationen in der Situation, in welcher beide Si­ gnale vorhanden sind, aufweist, um die Genauigkeit zu ver­ bessern.

5. Zählungs-Umschaltungs-Interferometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-polarisierte Laser (55; 301) in drei oder mehr Schwin­ gungstypen emittiert.

6. Zählungs-Umschaltungs-Interferometer nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Schema oder System auf dem Twyman-Green-Schema oder -System basiert.

7. Zählungs-Umschaltungs-Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Schema oder System zu einem oder mehreren anderen Zweistrahl-Interferometern gehört.

8. Zählungs-Umschaltungs-Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Trennung der Schwingungstypen auf Polarisa­ tion, Wellenlänge und/oder einer anderen Charakteristik oder einem anderen Kennwert der Schwingungstypen basiert.

9. Verlagerungs-Meßeinrichtung, basierend auf dem Zählungs-Umschaltungs-Interferometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in Frage stehende Verlagerung durch die Änderung der optischen Wegdifferenz in den beiden Interferometerbündeln bzw. -strahlen (203, 204) definiert ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein mechanisches System eine Drehbe­ wegung in eine Linearbewegung zur hochgenauen Messung von ausgedehnten oder verlängerten Drehverlagerungen umwandelt.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanisches System eine nichtlineare Bewegung in eine lineare Bewegung zur hoch­ genauen Messung von ausgedehnten oder verlängerten nichtlinea­ ren Verlagerungen umwandelt.

12. Meßeinrichtung, dadurch gekennzeich­ net, daß sie das Zählungs-Umschaltungs-Interferometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8 enthält, ins­ besondere daß ein solches Zählungs-Umschaltungs-Interfero­ meter darin eingebaut ist, wobei die zu messende Quantität oder Größe auf der Basis der Änderung in der optischen Weg­ differenz in den beiden Interferometerbündeln oder -strahlen (203, 204) erhalten wird.