DE3527245A1

DE3527245A1 - Method and device for measuring length and position

Info

Publication number: DE3527245A1
Application number: DE19853527245
Authority: DE
Inventors: Adolf Friedrich Prof D Fercher
Original assignee: Fercher adolf Friedrich profdr-Phys
Current assignee: Fercher adolf Friedrich profdr-Phys
Priority date: 1985-07-30
Filing date: 1985-07-30
Publication date: 1987-02-12

Abstract

The invention relates to a method and corresponding arrangements for interferometric measurements of lengths and surface shapes. The basis of the method is that modulation of the wavelength of the light source 1 illuminating the interferometer produces at the interferometer output 2 a modulation in the intensity from which it is possible to determine the distance x of the reflecting surface 3 in the measuring arm of the interferometer from a zero position 4. If the wavelength is modulated periodically in a linear fashion with time, the distance x is proportional to the frequency of the intensity modulation at the interferometer output. <IMAGE>

Description

In der vorliegende Anmeldung werden Verfahren und Anordnungen zur Messung der Position einer Meßsonde oder eines Meßobjekts relativ zu einer Nullposition angegeben. Kennzeichnende Eigenschaften sind:
Die Meßsonde muß nicht durch die zu messende Strecke hindurch bewegt werden.
Es können auch Strecken gemessen werden, die durch optische Elemente verlaufen.
Unterbrechungen des Strahlengangs stören nur die zu diesem Zeitpunkt gerade erfolgende Einzelmessung.
Das Meßverfahren kann sehr schnell sein: z. B. 1000 Einzelmessungen je Sekunde.In the present application, methods and arrangements for measuring the position of a measuring probe or a measuring object relative to a zero position are specified. Characteristic properties are:
The measuring probe does not have to be moved through the distance to be measured.
It is also possible to measure distances that run through optical elements.
Interruptions in the beam path only interfere with the individual measurement that is currently taking place.
The measuring procedure can be very fast: e.g. B. 1000 individual measurements per second.

Solche Meßverfahren sind von Bedeutung in der industriellen Meßtechnik, in der wissenschaftlichen Meßtechnik, in der Geodäsie und in der optischen Prüftechnik.Such measurement methods are important in industrial Measurement technology, in scientific measurement technology, in the Geodesy and in optical testing technology.

Zur Messung kurzer Wegstrecken bis etwa 10 cm können induktive Weggeber eingesetzt werden. Diese bestehen aus zwei hintereinander liegenden Spulen in einem Metallrohr. Diese Spulen werden von einem externen Oszillator gespeist. Durch die Bewegung eines Mu-Metallkerns im Innern der Spulen werden die Spannungsabfälle an den Spulen verändert. Ein nachgeschalteter Demodulator liefert ein Gleichspannungssignal, das proportional zur Lageänderung des Kerns ist. Die Auflösung dieser Systeme beträgt üblicherweise etwa 1 µm.For measuring short distances up to about 10 cm inductive displacement sensors can be used. These consist of two coils in a row in a metal tube. These coils are fed by an external oscillator. By moving a Mu metal core inside the Coils the voltage drops on the coils are changed. A downstream demodulator supplies a DC voltage signal that is proportional to the change in position of the core is. The resolution of these systems is usually about 1 µm.

Bis etwa 50 cm können Meßstrecken mit Hilfe von Potentiometer- Weggebern gemessen werden. Ein Potentiometer dient hier zur Umwandlung eines mechanischen Hubes in eine proportionale elektrische Spannung. Die Auflösung beträgt etwa 10 µm. Die Linearitätstoleranz dieser Systeme liegt bei etwa 0,01%. Für Meßaufgaben sind sie daher nur bei geringen Ansprüchen geeignet.Measuring distances up to about 50 cm can be To be measured. A potentiometer is used here for converting a mechanical stroke into a proportional electrical voltage. The resolution is about 10 µm. The linearity tolerance of these systems lies at about 0.01%. They are therefore only for measurement tasks suitable for low demands.

Für höhere Ansprüche und längere Meßstrecken, wie bei Werkzeugmaschinen oder bei Koordinatenmeßmaschinen, werden photoelektrische Signalgeber mit einem Maßstabsgitter als Maßverkörperung oder interferometrische Systeme mit Licht als Maßverkörperung eingesetzt.For higher demands and longer measuring distances, as with Machine tools or coordinate measuring machines Photoelectric signal generator with a scale grid as Material measure or interferometric systems with light used as a material measure.

Maßverkörperung durch Maßstabsgitter: Im Geber befindet sich eine Abtast-Gitterplatte mit gleicher oder annähernd gleicher Teilung wie der Maßstab. Durch geringfügiges Verdrehen der beiden Gitter zueinander entstehen Moir´- Erscheinungen. Diese wandeln die Verschiebung in mehrere zueinander phasenverschobene Signale um, die dann elektronisch benutzt werden, um das Vorzeichen der Verschiebung zu bestimmen und um durch Interpolation die Auflösung zu erhöhen. Der Meßbereich dieser Verfahren ist an sich beliebig groß. Auflösungen von besser als 0,1 µm sind erreichbar. Nachteilig ist bei diesen Systemen die Notwendigkeit eines hochpräzisen, zerbrechlichen Gittermaßstabs. Der Meßbereich ist durch die Gitterlänge festgelegt. Interferometrische Systeme: Diese beruhen fast ausschließlich auf dem Michelson-Interferometer (Verschiebung eines der Interferometerspiegel um eine halbe Lichtwellenlänge gibt Hell-Dunkel-Wechsel in der Austrittspupille). Um die Bewegungsrichtung der als Meßsonde dienenden Interferometerspiegel erfassen zu können, muß zusätzlich ein um eine viertel Periode verschobenes Vergleichsignal erzeugt werden. Alternativ wird das Heterodyn-Verfahren eingesetzt, bei dem Meßstrahl und Referenzstrahl gegeneinander frequenzverschoben sind. Als Lichtquellen kommen Neutralgas- und Ionenlaser zum Einsatz. Mit diesen interferometrischen Verfahren werden Meßbereiche bis einige Meter, Auflösungen von besser als 0,1 µm und Genauigkeiten von 1 : 10⁷ und besser erreicht.Measuring standard by means of a scale grid: There is a scanning grid plate in the encoder with the same or approximately the same pitch as the scale. By slightly turning the two grids towards each other, moir appearances arise. These convert the shift into a plurality of mutually phase-shifted signals, which are then used electronically to determine the sign of the shift and to increase the resolution by interpolation. The measuring range of these methods is in itself arbitrarily large. Resolutions of better than 0.1 µm can be achieved. A disadvantage of these systems is the need for a high-precision, fragile grid scale. The measuring range is determined by the grid length. Interferometric systems: These are based almost exclusively on the Michelson interferometer (shifting one of the interferometer mirrors by half a light wavelength gives light-dark changes in the exit pupil). In order to be able to detect the direction of movement of the interferometer mirror serving as a measuring probe, a comparison signal shifted by a quarter period must also be generated. Alternatively, the heterodyne method is used, in which the measuring beam and reference beam are frequency-shifted with respect to one another. Neutral gas and ion lasers are used as light sources. With these interferometric methods, measuring ranges of up to a few meters, resolutions of better than 0.1 µm and accuracies of 1:10 ⁷ and better are achieved.

Nachteile dieser Verfahren: Die Meßsonde muß mechanisch durch die Meßstrecke hindurch bewegt werden. Dies ist u. U. nicht nur zeitraubend, sondern in vielen Fällen, etwa wenn die Meßstrecke teilweise durch optische Elemente wie Linsen verläuft, gar nicht möglich. Die Position der Meßsonde ist immer nur relativ zu einer festzulegenden Ausgangsposition durch Vor- beziehungsweise Rückwärtszählen der Hell-Dunkel- Wechsel definiert. Erfolgt eine auch nur kurzzeitige Strahlungsunterbrechung oder erfolgt der Hell-Dunkel-Wechsel zu schnell, so daß die Zählelektronik nicht mitkommt, gibt es Fehlmessungen. Die Grenze der erlaubten Spiegelgeschwindigkeit liegt z. B. bei einem kommerziellen System dieser Art bei 500 mm/sec. Durch Erschütterungen und Rattern am Werkstück bei der Bearbeitung können leicht kleine Verschiebungen der Meßsonde mit größerer Geschwindigkeit erfolgen.Disadvantages of this method: The measuring probe must be mechanical be moved through the measuring section. This is u. U. not only time consuming, but in many cases, such as when the measuring section partly through optical elements such as lenses runs, not possible at all. The position of the probe is always only relative to a starting position to be determined by counting the light-dark Change defined. If there is even a brief one Radiation interruption or there is a change from light to dark fast, so that the counting electronics cannot keep up, there are Incorrect measurements. The limit of the allowed mirror speed lies z. B. in a commercial system of this type at 500 mm / sec. Due to vibrations and rattling on the workpiece when editing can easily small shifts the measuring probe at higher speed.

Der Anmelder hat in einer älteren Anmeldung (Offenlegungsschrift DT 25 43 493) bereits ein Verfahren beschrieben, welches die Lage der Meßsonde mißt, ohne diese durch die Meßstrecke hindurch bewegen zu müssen. Dieses Verfahren war jedoch auf mechanisch bewegte Teile im Meßkopf angewiesen und hat sich deshalb nicht durchsetzen können.The applicant has in an earlier application (laid-open document DT 25 43 493) has already described a method which measures the position of the measuring probe without passing through the To have to move the measuring section through. This procedure was however, it depends on mechanically moving parts in the measuring head and therefore could not prevail.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welches mit Ausnahme der Meßsonde keinerlei bewegte Teile enthält und ein Durchfahren der zu messenden Strecke mit der Meßsonde vermeidet.It is therefore the object of the invention, a method and specify a device which, with the exception of the measuring probe contains no moving parts and a drive through avoids the distance to be measured with the measuring probe.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren erläutert. Die Zahlen bedeuten:
1 ... Laser
2 ... Laserstrahl
3 ... Kollimationsoptik
4 ... paralleles Lichtbündel
5 ... Teilerspiegel
6 ... Referenzlicht
7 ... Meßlicht
8 ... Referenzspiegel
9 ... Meßspiegel
10 ... Photoempfänger
11 ... Rechner mit Periodendauer- und Frequenzmesser
12 ... Pumpstromquelle
13 ... an der Teilerfläche gespiegelte Position des Referenzspiegels 8
14 ... Strahlteiler
15 ... Teilerspiegel des Kalibrierinterferometers
16 ... Referenzspiegel
17 ... Photoempfänger
18 ... an dem Teilerspiegel 15 gespiegelte Position des Referenzspiegels 16
19 ... Meßspiegel
20 ... Dachkantprisma
21 ... Dachkantprisma
22 ... Strahlteiler
23 ... Koppeloptik
24 ... Lichtleitfaser
25 ... Meßobjekt
26 ... Abbildungsoptik
27 ... LochblendeThe invention is illustrated by the following figures. The numbers mean:
1 ... laser
2 ... laser beam
3 ... collimation optics
4 ... parallel light beam
5 ... divider
6 ... reference light
7 ... measuring light
8 ... reference mirror
9 ... measuring mirror
10 ... photo receiver
11 ... calculator with period and frequency meter
12 ... pump current source
13 ... position of the reference mirror mirrored on the divider surface 8
14 ... beam splitter
15 ... divider mirror of the calibration interferometer
16 ... reference mirror
17 ... photoreceiver
18 ... position of the reference mirror 16 mirrored on the divider mirror 15
19 ... measuring mirror
20 ... roof prism
21 ... roof prism
22 ... beam splitter
23 ... coupling optics
24 ... optical fiber
25 ... target
26 ... imaging optics
27 ... pinhole

Fig. 1: Eine grundsätzliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 1: A basic embodiment of the device according to the invention.

Fig. 2: Graphische Darstellung der als Beispiel dienenden Sägezahnfunktion. Fig. 2: Graphical representation of the sawtooth function used as an example.

Fig. 3: Eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Kalibrierinterferometer. Fig. 3: An exemplary embodiment of the device according to the invention with a Kalibrierinterferometer.

Fig. 4: Zur Erläuterung der verschiednen Signalverläufe. Fig. 4: To explain the different waveforms.

Fig. 5: Kalibrierinterferometer mit fester Kalibrierstrecke. Fig. 5: Calibration interferometer with a fixed calibration path.

Fig. 6: Kalibrierinterferometer mit fester Kalibrierstrecke in Lichtleitfaser. Fig. 6: Calibration interferometer with a fixed calibration path in optical fiber.

Fig. 7: Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Oberflächenformen. FIG. 7: Example of a device according to the invention for measuring surface shapes.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einem neuen Interferometrieprinzip. Während bisher die in der Längenmessung eingesetzten Interferometer - mit wenigen Ausnahmen - auf dem Zählen von Hell-Dunkel-Wechsel am Interferometerausgang beruhen, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren die Periodendauern oder die Frequenzen der hier ebenfalls auftretenden Hell-Dunkel-Wechsel am Interferometerausgang gemessen. Hierbei besteht der Unterschied zu den schon bekannten Verfahren darin, daß die Hell-Dunkel-Wechsel beim erfindungsgemäßen Verfahren auch bei ruhendem Meßspiegel auftreten und deren Periodendauer oder Frequenz ein eindeutiges Maß für die Meßspiegelposition ist. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert weiters darauf, daß die Wellenlänge des von der Laserlichtquelle emittierten Lichts verändert wird. Da eine Wellenlängenänderung insbesondere an Halbleiterlasern leicht durchführbar ist, nämlich durch Veränderung der Größe des Pumpstroms, stellen diese Laser auch den bevorzugten Lichtquellentyp für die erfindungsgemäßen Interferometer dar. Grundsätzlich sind jedoch auch alle anderen, in ihrer Emissionswellenlänge durchstimmbaren Laser, als Lichtquelle für die erfindungsgemäßen Interferometer geeignet.The method according to the invention is based on a new one Principle of interferometry. While so far the one in length measurement interferometer used - with a few exceptions - on counting light-dark changes at the interferometer output are based in the method according to the invention the periods or frequencies of here too occurring light-dark changes at the interferometer output measured. The difference here is already there known method in that the light-dark changes when The method according to the invention even when the measuring mirror is at rest occur and their period or frequency is a clear measure of the measuring mirror position. The The inventive method is also based on the fact that Wavelength of the light emitted by the laser light source is changed. Because a change in wavelength in particular Semiconductor lasers is easy to carry out, namely through Changing the size of the pumping current, make these lasers also the preferred type of light source for the invention Interferometer. Basically, however all others, tunable in their emission wavelength Laser, as a light source for the interferometer according to the invention suitable.

In der Fig. 1 ist eine grundsätzliche Ausführung der erfindungsgemäßen Interferometer dargestellt. Ein aus dem Laser 1 austretendes Lichtbündel 2 wird durch die Kollimationsoptik 3 zu einem parallelen Lichtbündel 4 und beleuchtet das Interferometer. Die Teilerfläche 5 teilt das parallele Lichtbündel 4 in Referenzlicht 6 und Meßlicht 7. Das Referenzlicht 6 wird durch den Referenzspiegel 8 und das Meßlicht 7 wird durch den Meßspiegel 9 über die Teilerfläche 5 zum Photoempfänger 10 am Interferometerausgang reflektiert. Der Photoempfänger 10 gibt ein zu der von ihm registrierten Heligkeit proportionales Signal an den Rechner 11. Der Laser 1 wird von der Pumpstromquelle 12 versorgt. Die Pumpstromquelle 12 erzeugt einen geeignet modulierten Pumpstrom so, daß der Laser 1 die gewünschte Wellenlängenmodulation erhält.In Fig. 1 a basic embodiment of the interferometer according to the invention. A light beam 2 emerging from the laser 1 becomes a parallel light beam 4 through the collimation optics 3 and illuminates the interferometer. The dividing surface 5 divides the parallel light beam 4 into reference light 6 and measuring light 7 . The reference light 6 is reflected by the reference mirror 8 and the measuring light 7 is reflected by the measuring mirror 9 via the dividing surface 5 to the photo receiver 10 at the interferometer output. The photoreceiver 10 sends a signal proportional to the brightness it has registered to the computer 11 . The laser 1 is supplied by the pump current source 12 . The pump current source 12 generates a suitably modulated pump current such that the laser 1 receives the desired wavelength modulation.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Interferometers sei angenommen, daß der Pumpstrom einen sägezahnförmigen Wellenlängenverlauf der Laseremission über der Zeit t erzeugt:To explain the interferometer according to the invention, it is assumed that the pump current produces a sawtooth waveform of the laser emission over time t :

Hier ist λ(t) die zum Zeitpunkt t emittierte Wellenlänge. λ ₀ ist die mittlere Emissionswellenlänge des Laser. a ist eine Zahl kleiner als 1 und a·S(t) beschreibt den zeitlichen Wellenlängenverlauf, der durch einen geeigneten Zeitverlauf des Pumpstroms erzeugt wird. S(t) ist hier als sägezahnförmig angenommen, wie in der Fig. 2 graphisch dargestellt. Grundsätzlich können auch anderer Zeitverläufe der Funktion S(t), beispielsweise dreieckförmige, benutzt werden. Eine zumindest stückweise linear mit der Zeit erfolgende Wellenlängenmodulation erzeugt jedoch eine besonders einfache Abhängigkeit der Interferometer-Ausgangsintensität von der Meßgröße, wie im folgenden gezeigt wird.Here λ ( t ) is the wavelength emitted at time t . λ ₀ is the average emission wavelength of the laser. a is a number less than 1 and a · S ( t ) describes the temporal wavelength curve that is generated by a suitable time curve of the pump current. S ( t ) is assumed to be sawtooth-shaped here, as shown graphically in FIG. 2. In principle, other time profiles of the function S ( t ), for example triangular, can also be used. However, a wavelength modulation that takes place linearly over time, at least in part, produces a particularly simple dependency of the interferometer output intensity on the measured variable, as will be shown below.

Wir nehmen nun an, daß sich der Meßspiegel in der Entfernung x von der an der Teilerfläche gespiegelten Position 13 des Referenzspiegels 8 befindet. die Position 13 ist die Nullposition des Interferometers. x kann als Länge der zu messenden Strecke betrachtet werden. Der Ursprung dieser Streckenlänge ist die Position 13. Nach dem Interferenzgesetz hat die Intensität am Photoempfänger 10 am Interferometerausgang den Verlauf We now assume that the measuring mirror at the distance x from the mirrored at the splitter surface position 13 of the reference mirror 8 is located. position 13 is the zero position of the interferometer. x can be viewed as the length of the distance to be measured. The origin of this route length is position 13 . According to the interference law, the intensity at the photoreceiver 10 at the interferometer output has the course

I _R und I _M sind die Intensitäten des Referenzlichts und des Meßlichts jeweils für sich alleine am Interferometerausgang. Der dritte Summand auf der rechten Gleichungsseite ist der Interferenzterm. Der Interferenzterm ist im vorliegenden Fall auch bei ruhendem Meßspiegel zeitabhängig und zwar wegen der sich zeitlich verändernden Wellenlänge λ(t). Sobald x größer als der Minimalwert ist, tritt am Photoempfänger mindestens eine Halbperiode einer harmonischen Intensitätsmodulation auf. Aus der zeitlichen Länge einer solchen Halbperiode läßt sich die Länge x der Meßstrecke oder - hier gleichbedeutend - die Position x des Meßspiegels 9 eindeutig bestimmen. Dies läßt sich wie folgt verstehen. I _R and I _M are the intensities of the reference light and the measurement light, each individually at the interferometer output. The third summand on the right side of the equation is the interference term. In the present case, the interference term is time-dependent even when the measuring mirror is at rest, specifically because of the wavelength λ ( t ) which changes over time. As soon as x is greater than the minimum value, at least half a period of harmonic intensity modulation occurs on the photoreceiver. From the temporal length of such a half-period, the length x of the measuring section or - here synonymous - the position x of the measuring mirror 9 can be clearly determined. This can be understood as follows.

Setzt man den Ausdruck für die zeitabhängige Wellenlänge aus Gleichung 1 in den Interferenzterm der Gleichung 2 ein, kann man diesen wegen a « 1 wie folgt umwandeln: If one uses the expression for the time-dependent wavelength from equation 1 in the interference term of equation 2, one can convert it as follows because of a «1:

Dieser Interferenzterm durchlaufe im Zeitintervall T _I eine halbe Periodendauer. Hierzu muß sich das Argument des cos um π verändern: This interference term runs through half a period in the time interval T _I. To do this, the cos argument must change by π :

Woraus sich ohne weiteres für die Position x des Meßspiegel ergibt, falls a, λ ₀ und der Verlauf von S(t) bekannt sind. Ist beispielsweise S(t) eine Sägezahnfunktion mit der Steigung tanα = b, dann kann Gleichung 5 folgend geschrieben werden: Which is readily apparent for the position x of the measuring mirror results if a , λ ₀ and the course of S ( t ) are known. For example, if S ( t ) is a sawtooth function with the slope tan α = b , then equation 5 can be written as follows:

Man sieht, daß bei linear mit der Zeit erfolgter Wellenlängenmodulation die Meßstreckenlänge x umgekehrt proportional zur (halben) Periodendauer T _I des Photoempfängersignals oder, einfacher, proportional zur Frequenz f _I = 1/(2 · T _I) des Photoempfängersignals ist.It can be seen that when the wavelength modulation is linear with time, the measuring path length x is inversely proportional to the (half) period T _I of the photo receiver signal or, more simply, proportional to the frequency f _I = 1 / (2 * T _I ) of the photo receiver signal.

Die Messung von x wurde also im eben besprochenen Beispiel einer periodisch linear mit der Zeit erfolgenden Wellenlängenmodulation auf eine Frequenzmessung beziehungsweise auf eine Periodendauermessung an der Interferometer- Ausgangsintensität zurückgeführt. Es sei hier nur kurz darauf hingewiesen, daß die Wellenlänge nicht unbedingt periodisch moduliert werden muß. Auch ein einmaliges Durchstimmen der Wellenlänge kann genügen. Die periodische Modulation ist aber von Vorteil, weil sie eine Mittelung über mehrere Perioden erlaubt und damit eine Fehlerreduktion ermöglicht. Ferner muß die Wellenlängenmodulation nicht kontinuierlich erfolgen. Auch ein stufenförmiges Modulieren kann sinnvoll sein, insbesondere bei Benutzung einer rechnergesteuerten Pumpstrommodulation.The measurement of x was thus traced back to a frequency measurement or a period measurement at the interferometer output intensity in the example just discussed of a periodically linear wavelength modulation taking place over time. It should only be briefly pointed out here that the wavelength does not necessarily have to be modulated periodically. Tuning the wavelength once can also be sufficient. However, periodic modulation is advantageous because it allows averaging over several periods and thus enables error reduction. Furthermore, the wavelength modulation does not have to be continuous. Step-like modulation can also be expedient, in particular when using computer-controlled pump current modulation.

Die Messung der halben Periodendauer T _I des Interferenzterms erfolgt beispielsweise mit dem Stand der Technik entsprechend elektronischen Periodendauer-Meßgeräten. Hierbei wird durch einen ersten Nulldurchgang des Photoempfängersignals eine elektronische Zähluhr gestartet und durch einen darauf folgenden Nulldurchgang gestoppt. Das Meßergebnis wird dann vom Rechner übernommen. Elektronische Zähluhr und Rechner sind in der Fig 1 gemeinsam als Kasten 11 dargestellt. Außerdem deutet Fig. 1 an, daß der Rechner von der Pumpstromquelle 12 Signale bekommt. Diese sollen dem Rechner anzeigen, wo die Grenzen der Sägezähne liegen, um eine Periodendauermessung über diese Grenzen hinweg zu vermeiden, weil dadurch Fehler erzeugt würden. Half the period T _{I of} the interference term is measured, for example, using the prior art in accordance with electronic period measuring devices. In this case, an electronic counter is started by a first zero crossing of the photoreceiver signal and stopped by a subsequent zero crossing. The measurement result is then adopted by the computer. Electronic counter and computer are shown together as box 11 in FIG. 1. In addition, Fig. 1 indicates that the computer 12 receives signals from the pump current source. These are intended to show the computer where the limits of the saw teeth lie, in order to avoid a period measurement beyond these limits, because this would generate errors.

Zum besseren Verständnis sei noch einmal die Gleichung 5 betrachtet. Die Differenz der beiden Sägezahnfunktionen kann maximal den Wert 1 erreichen. Bei einem typischen Halbleiterlaser ist beispielsweise a = 10^-4 und λ = 800 nm. Die kleinste meßbare x-Position - sie tritt auf, wenn während einer ganzen Sägezahnperiode am Interferometerausgang gerade eine Halbperiode auftritt - beträgt demnach: For a better understanding, consider Equation 5 again. The difference between the two sawtooth functions can reach a maximum of 1. In a typical semiconductor laser, for example, a = 10 ^-4 and λ = 800 nm. The smallest measurable x position - it occurs when a half period occurs at the interferometer output during a whole sawtooth period - is therefore:

Verschiebt man den Meßspiegel 9 in größere x-Positionen, wird nach Gleichung 6 die am Interferometerausgang gemessene Photoempfänger-Signalfrequenz f _I entsprechend größer. Solange die Sägezahnfunktion streng linear ist, gibt es zwischen der Frequenz f _I und der x-Position bezw. der Meßstreckenlänge x einen streng linearen Zusammenhang. Die Längenmessung ist auf eine Frequenzmessung zurückgeführt und mit entsprechend hoher Genauigkeit ausführbar. Um beispielsweise Strecken bis 1 m Länge auf 1 µm genau zu messen, muß die Frequenz bezw. Periodendauer mit einer Genauigkeit von 1 : 10⁶ gemessen werden, was ohne weiteres möglich ist. Bei entsprechend schneller Modulation der Laserwellenlänge kann außerdem bei jeder Meßposition über viele Einzelmessungen ermittelt werden, um zufällige Fehler zu verkleinern.If the measuring mirror 9 is moved into larger x positions, the photo-receiver signal frequency f _I measured at the interferometer output becomes correspondingly larger according to equation 6. As long as the sawtooth function is strictly linear, there is or between the frequency f _I and the x position. the measuring path length x has a strictly linear relationship. The length measurement is based on a frequency measurement and can be carried out with correspondingly high accuracy. For example, to measure distances up to 1 m in length to 1 µm, the frequency must be Periods can be measured with an accuracy of 1:10 ⁶ , which is easily possible. With correspondingly fast modulation of the laser wavelength, it is also possible to determine many individual measurements at each measuring position in order to reduce random errors.

Bisher waren ein genau linearer Verlauf und vollständige Reproduzierbarkeit der Flanken der Sägezahnfunktion S(t) angenommen worden. Dies bedeutet einen entsprechend genau linearen Verlauf der vom Laser emittierten Wellenlänge über der Zeit. Außerdem war strenge Stabilität der mittleren Wellenlänge λ ₀ vorausgesetzt worden. Diese Annahmen sind jedoch im allgemeinen nur näherungsweise erfüllt und führen zu systematischen Fehlern. Es gibt zwei grundsätzliche Möglichkeiten, dies Fehler zu vermeiden:So far, an exactly linear course and complete reproducibility of the flanks of the sawtooth function S ( t ) had been assumed. This means a correspondingly exactly linear course of the wavelength emitted by the laser over time. In addition, strict stability of the mean wavelength λ _{0 was} assumed. However, these assumptions are generally only approximate and lead to systematic errors. There are two basic ways to avoid this error:

Man kann zum einen die nicht lineare Abhängigkeit der Laserwellenlänge vom Pumpstrom berücksichtigen und durch einen entsprechenden Verlauf des Pumpstroms kompensieren. Hierzu speichert man die festgestellte Abhängigkeit des Pumpstroms von der Wellenlänge im Rechner 11 und steuert mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers die Pumpstromquelle 12 durch den Rechner so, daß eine über der Zeit lineare Wellenlängenänderung erfolgt.On the one hand, the non-linear dependence of the laser wavelength on the pump current can be taken into account and compensated for by a corresponding course of the pump current. For this purpose, the determined dependency of the pump current on the wavelength is stored in the computer 11 and the pump current source 12 is controlled by the computer with the aid of a digital-analog converter so that the wavelength changes linearly over time.

Zum anderen kann man stattdessen - oder auch zusätzlich - den tatsächlichen Wellenlängenverlauf über der Zeit mit einem zweiten Interferometer, im folgenden "Kalibrierinterferometer" genannt, registrieren und bei der Berechnung von x berücksichtigen. Ein solches Kalibrierinterferometer ist in der in Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben. Dort zweigt ein Strahlteiler 14 einen Teil des Laserstrahls 4 ab auf den Strahlleiter 15 des Kalibrierinterferometers. Dieses besitzt eine fest vorgegebene Meßstreckenlänge L dadurch, daß sowohl Referenzspiegel 16 als auch Meßspiegel 19 sich in fester Position befinden.On the other hand, one can instead - or additionally - register the actual wavelength curve over time with a second interferometer, hereinafter referred to as "calibration interferometer", and take it into account when calculating x . Such a calibration interferometer is specified in the device according to the invention shown in FIG. 3. There, a beam splitter 14 branches part of the laser beam 4 onto the beam guide 15 of the calibration interferometer. This has a predetermined measuring path length L in that both the reference mirror 16 and the measuring mirror 19 are in a fixed position.

Wir betrachten nun in Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Photosignale. In dieser Figur sind die zeitabhängigen Interferenzterme am Photoempfänger 10 des Meßinterferometers und am Photoempfänger 17 des Kalibrierinterferometers wiedergegeben und mit I ₁₀ und I ₁₇ bezeichnet. Diese entsprechen dem Wechselanteil der Photosignale dieser Empfänger. In der Fig. 4 ist ferner dargestellt: Eine Flanke von S(t) mit angedeutetem nicht linearem Verlauf und die Wechselspannung z(t) des Frequenznormals des Periodendauer- bezw. Frequenzmessers, mit Hilfe dessen alle Zeitintervalle durch Auszählen gemessen werden können. T _I ist, wie oben, die Periodendauer des Meßsignals. T _K ist die Periodendauer des Kalibriersignals, welche wegen der Nichtlinearität von S(t) leicht schwankt. Die Intervalle t _A und t _E treten wegen der im allgemeinen fehlenden Koinzidenz der Nulldurchgänge von I ₁₀(t) und I ₁₇(t) auf. Deren Länge wird relativ zur Länge der jeweils folgenden Perioden T _A und T _E des Kalibriersignals bestimmt, wodurch der jeweilige nicht lineare Verlauf von S(t) berücksichtigt wird.Now consider in Fig. 4 the timing of the photo signals. In this figure, the time-dependent interference terms on the photoreceptor 10 of the measuring interferometer and on the photoreceptor 17 of the calibration interferometer are shown and denoted by I ₁₀ and I ₁₇ . These correspond to the alternating portion of the photo signals from these receivers. In FIG. 4 is further illustrated: An edge of S (t) with indicated non-linear curve and the AC voltage z (t) of the frequency standard of the period duration BEZW. Frequency meter, with the help of which all time intervals can be measured by counting. As above, T _I is the period of the measurement signal. T _K is the period of the calibration signal, which fluctuates slightly due to the non-linearity of S ( t ). The intervals t _A and t _E occur because of the generally missing coincidence of the zero crossings of I ₁₀ ( t ) and I ₁₇ ( t ). Their length is determined relative to the length of the following periods T _A and T _{E of} the calibration signal, whereby the respective non-linear course of S ( t ) is taken into account.

Ziel der Messung ist die Bestimmung der Periodendauer T_I des Meßsignals. Zur Kompensation des nichtlinearen Verlaufs von S(t) wird T _I relativ zur Periodendauer T _K bestimmt. Man zählt zunächst die Zahl N der ganzen T _K innerhalb T _I (in Fig. 4 z. B. ist N = 4). Dann müssen die Bruchteile t _A am Beginn und t _E am Ende ermittelt werden. Diese bestimmt man bezogen auf die unmittelbar benachbarten T _K's, nämlich als t _A/T _A bezw. t _E/T _E. Damit werden Schwankungen im Verlauf von S(t) weitestgehend kompensiert. T _I ist dann mit The aim of the measurement is to determine the period T _{I of} the measurement signal. To compensate for the non-linear course of S ( t ), T _{I is determined} relative to the period T _K. The number N of the whole T _K within T _I is first counted (in FIG. 4, for example, N = 4). Then the fractions t _A at the beginning and t _E at the end have to be determined. This is determined based on the immediately adjacent T _K 's, namely as t _A / T _A. t _E / T _E. This largely compensates for fluctuations in the course of S ( t ). T _I is then With

Durch diese Verfahren werden außerdem auch Schwankungen der mittleren Wellenlänge g ₀ kompensiert.These methods also compensate for fluctuations in the average wavelength g ₀ .

Das beschriebene Verfahren arbeitet umso genauer, je länger die feste Meßstrecke L des Kalibrierinterferometers im Vergleich zur Meßstrecke x ist. Zwei praktikable Lösungen hierzu sind in den Fig. 5 und 6 angegeben.The method described works the more precisely the longer the fixed measuring section L of the calibration interferometer is in comparison to the measuring section x . Two practical solutions for this are given in FIGS. 5 and 6.

In Fig. 5 wird ein Teil des Laserstahls 4 analog wie in Fig. 3 durch einen Strahlteiler 14 auf den Strahlteiler 15 des Kalibrierinterferometers abgelenkt. Der längere Arm dieses Kalibrierinterferometers besteht aus zwei einander gegenüber stehenden Dachkantprismen 20 und 21. Ein eintretender Laserstrahl durchläuft, wie angedeutet, mehrmals die Strecke zwischen den beiden Prismen und tritt durch die abgeflachte Spitze des Prismas 21 wieder aus und läuft über den Strahlteiler 22 auf den Photoempfänger 17. Der Referenzstrahl nimmt den kurzen Weg von Strahlteiler 15 über Strahlteiler 22 auf den Photoempfänger 17. Dieses Kalibrierinterferometer kann auch getrennt vom Meßinterferometer aufgestellt werden. Dann macht man die Lichtzuführung von Strahlteiler 14 zu Strahlteiler 15 mittels z. B. Monomoden-Lichtleitfasern, in die der Laserstrahl mittels fokussierender Optiken ein- bezw. ausgekoppelt wird. Stellt man das Kalibrierinterferometer in derselben Umgebung auf, wie das Meßinterferometer, dann erreicht man eine selbsttätige Kompensation der optischen Weglängenänderung durch Feuchtigkeitsgrad und Temperatur der Luft.In FIG. 5, part of the laser steel 4 is deflected by a beam splitter 14 onto the beam splitter 15 of the calibration interferometer analogously to FIG. 3. The longer arm of this calibration interferometer consists of two mutually opposite roof prisms 20 and 21 . An incoming laser beam runs, as indicated, several times the distance between the two prisms and emerges again through the flattened tip of the prism 21 and runs via the beam splitter 22 onto the photoreceiver 17 . The reference beam takes the short path from beam splitter 15 via beam splitter 22 to photo receiver 17 . This calibration interferometer can also be set up separately from the measuring interferometer. Then you make the light supply from beam splitter 14 to beam splitter 15 by means of z. B. monomode optical fibers, in which the laser beam incorporates or uses focusing optics. is decoupled. If you set up the calibration interferometer in the same environment as the measuring interferometer, you automatically compensate for the change in optical path length due to the degree of humidity and temperature of the air.

In Fig. 6 ist der lange Arm des Kalibrierinterferometers als Lichtleitfaser ausgebildet. Dies hat vor allem den Vorteil geringen Platzbedarfs. Der Laserstrahl wird mittels der Optiken 23 in die Monomode-Lichtleitfaser 24 ein- bezw. ausgekoppelt.In Fig. 6 the long arm of the calibration interferometer is designed as an optical fiber. The main advantage of this is that it takes up little space. The laser beam is incorporated into the single-mode optical fiber 24 by means of the optics 23 . uncoupled.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Interferometer auch zur Messung von Oberflächenformen und zur Optikprüfung eingesetzt werden kann. Dies sei an einem Twyman-Green-Interferometer erklärt. It should also be noted that the invention Interferometer also for measuring surface shapes and can be used for optical inspection. This is one Twyman Green interferometer explained.

In Fig. 4 beleuchtet das von der Optik 3 kollimierte Lichtbündel das Interferometer. Im Meßarm befindet sich das Meßobjekt 25, dessen Oberflächenform bestimmt werden soll. Diese Art interferometrischer Messung besteht darin, für viele Objektpunkte die Wegdifferenz im Meßarm bezüglich des Referenzarms zu messen. Dazu wird die Objektoberfläche durch die Abbildungsoptik 26 auf den Photodetektor 10 abgebildet. Vor dem Photodetektor befindet sich eine Lochblende 27. Photodetektor 10 und Lochblende 27 tasten gemeinsam das Bild des Meßobjekts 25 ab und ermöglichen so die zu den abbildungsmäßig konjugierten Oberflächenpunkten gehörigen Wegdifferenzen zu messen. Das Meßobjekt 25 kann, wie in der konventionellen Optikprüftechnik, auch eine im Durchlicht zu prüfende Optik mit dahinter aufgestelltem Reflektor sein. Anstatt in einem Twyman-Green-Interferometer kann dieses Verfahren auch im Fizeau-Interferometer oder in anderen Interferometern eingesetzt werden.In FIG. 4, the light beam collimated by the optics 3 illuminates the interferometer. The measuring object 25 , whose surface shape is to be determined, is located in the measuring arm. This type of interferometric measurement consists of measuring the path difference in the measuring arm with respect to the reference arm for many object points. For this purpose, the object surface is imaged on the photodetector 10 by the imaging optics 26 . A pinhole 27 is located in front of the photodetector. Photodetector 10 and pinhole 27 scan together the image of the measurement object 25 and thus make it possible to measure the path differences associated with the conjugate surface points. The measurement object 25 can, as in conventional optics testing technology, also be an optics to be tested in transmitted light with a reflector placed behind it. Instead of using a Twyman-Green interferometer, this method can also be used in the Fizeau interferometer or in other interferometers.

Claims

1. A method and device for interferometric length measurement, characterized in that the wavelength of the laser used as the light source is modulated in size and the length of the measuring section is determined from the intensity modulation caused thereby at the interferometer output.

2. The method and device according to claim 1, characterized characterized in that the wavelength of the laser light source periodically is modulated and the measuring section proportional to the frequency of the intensity modulation on Interferometer output.

3. The method and device according to claim 1, characterized characterized in that the wavelength of the laser light source a specific wavelength interval for each measurement is modulated only once or a few times.

4. The method and device according to the above claims, characterized in that as a light source Semiconductor laser is used.

5. The method and device according to the above claims, characterized in that the wavelength of the Semiconductor laser through suitable pump current modulation is modulated piece by piece linearly with time.

6. The method and device according to the above claims 1 to 4, characterized in that a wavelength modulated laser is used.

7. The method and device according to the above claims, characterized in that the length measurement by Comparison of the intensity modulation in the output of the Measuring interferometer with that in the output of a Calibration interferometer is calibrated with a fixed path difference.

8. The method and device according to the above claims, characterized in that the length measurement in many Points of the interferometer bundle and thereby the surface shape of a reflective object or the optical path lengths of a transmitting Object to be measured.