CH678109A5

CH678109A5 -

Info

Publication number: CH678109A5
Application number: CH225088A
Authority: CH
Inventors: Hilda Schaer
Original assignee: Althis Ag
Priority date: 1988-06-13
Filing date: 1988-06-13
Publication date: 1991-07-31
Also published as: DE3918811A1

Description

1 1

CH 678 109 A5 CH 678 109 A5

2 2nd

Beschreibung description

Das Patent betrifft ein heterodynes Interferome-ter zur Längen- und Entfernungsmessung mittels kohärenter elektromagnetischer Strahlung. The patent relates to a heterodyne interferometer for measuring length and distance using coherent electromagnetic radiation.

Für die interferometrische Längenmesstechnik haben sich heterodyne Messverfahren als besonders anwendungsfreundlich und einfach gegenüber den klassischen Methoden erwiesen. Die optische Wellenleitertechnik ist eine Technologie, bei welcher in ein Substrat, meist Glas, partiell Salze in die Oberfläche eindiffundiert werden, so dass optische Leiterbahnen entstehen mit einem gegenüber dem Substrat unterschiedlichen Brechungsindex. Die optische Leitung in den Leiterbahnen erfolgt aufgrund der Totalreflektion wie in den bekannten Glasfasern, Diese Technologie hat gegenüber der klassischen Optik und der Lichtleitung durch Glasfasern Vor- und Nachteile, die hauptsächlich durch das Verfahren bestimmt werden. For interferometric length measurement technology, heterodyne measurement methods have proven to be particularly user-friendly and simple compared to classic methods. Optical waveguide technology is a technology in which salts are partially diffused into the surface of a substrate, usually glass, so that optical conductor tracks are formed with a different refractive index than the substrate. The optical conduction in the conductor tracks takes place due to the total reflection as in the known glass fibers. This technology has advantages and disadvantages compared to classic optics and the light conduction through glass fibers, which are mainly determined by the method.

Vorteile sind in der sehr kleinen Bauweise zu erkennen, in Verbindung mit der Glasfasertechnologie und den sehr kleinen Diodenlasern als Strahlungsquelle. Strahlenteilung, -zusammenführung und -mischung lassen sich einfacher ausführen als mit anderen bekannten optischen Methoden. Nachteile treten meist dann auf, wenn der optische Strahlengang aus dem Substrat heraus- oder hineingeführt werden muss und dabei eine Wegstrecke in Luft durchsetzt An diesen Übergängen treten infolge des kleinen Querschnittes der Leiterbahnen (0,1 mm typisch) grosse und unsymmetrische Beugungen auf, die für die interferometrische Anwendung anamorphotische Linsensysteme erfordern. Da der interferometrische Strahlengang sich aus Strahlenteilung und -zusammenführung aufbaut, ist er für die optische Wellenleitertechnologie gut geeignet. Klassische Interferometer sind in dieser Technologie vorgeschlagen worden zum Messen von Temperaturen und Drücken. Advantages can be seen in the very small construction, in connection with the glass fiber technology and the very small diode lasers as radiation source. Beam splitting, merging and mixing are easier to carry out than with other known optical methods. Disadvantages usually occur when the optical beam path has to be led out or in from the substrate and thereby penetrates a path in air. At these transitions, large and asymmetrical diffractions occur due to the small cross-section of the conductor tracks (typically 0.1 mm) require anamorphic lens systems for interferometric application. Since the interferometric beam path is made up of beam splitting and merging, it is well suited for optical waveguide technology. Classic interferometers have been proposed in this technology for measuring temperatures and pressures.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein heterodynes Interferometer zur Längen- und Entfernungsmessung mittels kohärenter elektromagnetischer Strahlung zu beschreiben. The object of the invention is to describe a heterodyne interferometer for measuring length and distance by means of coherent electromagnetic radiation.

Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass mindestens zwei elektromagnetische Strahlungsquellen unterschiedlicher Frequenz in die als Strahlteiler wirkende Wellenleiter-Komponente eingekoppelt, darin geteilt und gemischt und mindestens eine Frequenz über die Messstrecke getrennt aus- und wieder eingekoppelt werden. This is achieved according to the invention in that at least two electromagnetic radiation sources of different frequencies are coupled into the waveguide component acting as a beam splitter, divided and mixed therein, and at least one frequency is separately coupled out and in again over the measuring section.

Im folgenden wird anhand der beiliegenden Abbildung ein Ausführungsbeispiel für ein heterodynes Interferometer in Wellenleitertechnologie beschrieben. An exemplary embodiment of a heterodyne interferometer in waveguide technology is described below with reference to the accompanying figure.

Es zeigt die Abbildung 1 die feste Wellenleiterplatte (1) und die bewegliche Wellenleiterplatte (2) mit dem Messstrahlengang (9). Beide Platten überdecken sich mit den Flächen, auf denen die Wellenleiter aufgebracht sind, zueinandergekehrt, sie sind gegenseitig justiert und die Bewegung erfolgt in Richtung der Wellenleiter (9) so, dass eine optische Kopplung von Platte (1) in Platte (2) ermöglicht wird. Gegebenenfalls kann die Kopplung durch Auftragen von Inversionsöl zwischen den Platten verstärkt werden. Die Strahlung der Diodenlaser mit der Frequenz fi (4) und h (3) werden in die Platte (1) eingekoppelt und in die Leiterwege (8-9-10) und (13-14) geteilt. Die Leiterwege (10-11-13) verlaufen parallel und so nahe nebeneinander, dass eine Mischung der Frequenzen fi und fs aus den Leitern (10) und (13) in den Leiter (11) so erfolgt, dass darin die Schwebungsfrequenz entsteht, die vom Planspiegel (12) in sich zurückreflektiert und von der Fotodiode (5) detektiert wird. Diese Schwebungsfrequenz ist die Referenzfrequenz des heterody-nen Interferometers. Die Frequenz fi (4) durchsetzt den Leiter (9) auf der Platte (1), wird in die Platte (2) eingekoppelt am Planspiegel (18) umgelenkt und wieder in die Platte (1) zurückgekoppelt, wo sie mit den Leitern (16) und (14) parallel verläuft, so dass im Leiter (16) die Mischung zur Messfrequenz aus den Frequenzen 1 und 2 erfolgt, die von der Fotodiode (6) des Messdetektors empfangen wird. Wird die Platte (2) des Interferometers bewegt, so ändert sich die Frequenz f| im Leiter (9) infolge Doppler-Effektes und damit die Schwebungsfrequenz im Leiter (16). Die Änderung dieser gegenüber im Leiter (11 ) ist das Mass für die Längenänderung der Platte (2) gegenüber der Platte (1). In bekannter Weise werden die beiden Schwebungsfre-quenzen je einem Zähler zugeführt, die durch einen Komparator untereinander verbunden sind, der die Differenz der Zählinhalte als Längenmessresultat anzeigt. Figure 1 shows the fixed waveguide plate (1) and the movable waveguide plate (2) with the measuring beam path (9). Both plates overlap with the surfaces on which the waveguides are applied, they are mutually adjusted and the movement takes place in the direction of the waveguides (9) so that an optical coupling of plate (1) into plate (2) is made possible . If necessary, the coupling can be strengthened by applying inversion oil between the plates. The radiation of the diode lasers with the frequency fi (4) and h (3) are coupled into the plate (1) and divided into the conductor paths (8-9-10) and (13-14). The conductor paths (10-11-13) run parallel and so close to each other that the frequencies fi and fs are mixed from the conductors (10) and (13) into the conductor (11) so that the beat frequency is generated is reflected back by the plane mirror (12) and is detected by the photodiode (5). This beat frequency is the reference frequency of the heterodyne interferometer. The frequency fi (4) passes through the conductor (9) on the plate (1), is coupled into the plate (2) at the plane mirror (18) and deflected back into the plate (1), where it is connected to the conductors (16 ) and (14) runs parallel, so that in the conductor (16) the mixing to the measuring frequency from frequencies 1 and 2 takes place, which is received by the photodiode (6) of the measuring detector. If the plate (2) of the interferometer is moved, the frequency f | changes in the conductor (9) due to the Doppler effect and thus the beat frequency in the conductor (16). The change in this in the conductor (11) is the measure for the change in length of the plate (2) compared to the plate (1). In a known manner, the two beat frequencies are each fed to a counter, which are connected to one another by a comparator which displays the difference in the count contents as a length measurement result.

Die Diodenlaser als Strahlenquellen und die Fotodioden als Detektoren können auch über Glasfaserleitungen in den integrierten optischen Schaltkreis ein- und ausgekoppelt werden. The diode lasers as radiation sources and the photodiodes as detectors can also be coupled into and out of the integrated optical circuit via glass fiber lines.

Eine Auskopplung des Messstrahles (9) aus dem integrierten optischen Schaltkreis in Luft und eine Wiedereinkopplung kann durch klassische optische Bauelemente, wie Objektive oder durch Beugungsgitter erfolgen, welche im Schaltkreis integriert sind. Bei einem solchen Aufbau würde die Wellenleiterplatte (2) durch ein Tripelprisma ersetzt werden, welches über die Messstrecke bewegt wird. A decoupling of the measuring beam (9) from the integrated optical circuit in air and a recoupling can take place by means of classic optical components, such as lenses or by diffraction gratings, which are integrated in the circuit. With such a construction, the waveguide plate (2) would be replaced by a triple prism, which is moved over the measuring section.

Der Leiterweg (8) führt die Frequenz ft in ein externes Fabry-Pérot Interferometer zur Stabilisierung der Wellenlänge des Diodenlasers (4). Am Ausgang des Fabry-Pérot Interferometers sind zwei Fotodioden (7) in Differentialschaltung angebracht, die den Interferenzring einfangen und die Frequenz des Diodenlasers durch Steuerung des Injektionsstromes so regeln, dass die Wellenlänge auf der Messstrecke konstant bleibt. The conductor path (8) leads the frequency ft into an external Fabry-Pérot interferometer to stabilize the wavelength of the diode laser (4). At the output of the Fabry-Pérot interferometer, two photodiodes (7) in differential circuit are attached, which capture the interference ring and regulate the frequency of the diode laser by controlling the injection current so that the wavelength remains constant on the measuring section.

Für den Fall, dass die Messstrecke in einer bewegten Glasplatte (2) verläuft, besteht der Resonator des Fabry-Pérot Interferometers^ aus dem gleichen Material und kompensiert die Änderungen des Brechungsindexes dieses Materials infolge Temperaturänderungen und der daraus folgenden Änderung der optischen Wegiänge bzw. der Wellenlänge. In Abbildung 1 stellt die planparallele Glasplatte (19) mit den Spiegeln (20, 21) das Fabry-Pérot Interferometer dar. In the event that the measuring section runs in a moving glass plate (2), the resonator of the Fabry-Pérot interferometer ^ is made of the same material and compensates for the changes in the refractive index of this material due to temperature changes and the resulting change in the optical path length or Wavelength. In Figure 1, the plane-parallel glass plate (19) with the mirrors (20, 21) represents the Fabry-Pérot interferometer.

Für den Fall, dass die Strahlung die Messstrecke in Luft (Abbildung 2) durchläuft, muss das Fabry-Pérot Interferometer mit Luftabstand ausgeführt werden, wobei die Abstandsplatten (22) zwi- In the event that the radiation passes through the measuring section in air (Figure 2), the Fabry-Pérot interferometer must be designed with an air gap, whereby the spacer plates (22) between

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

CH678109 A5 CH678109 A5

4 4th

sehen den Spiegeln aus einem Material bestehen müssen, weiches unabhängig ist von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft beeinflussen. see the mirrors must be made of a material that is independent of the parameters that influence the refractive index of the air.

In Abbildung 2 stellen die Platten (22) den Luftabstand zwischen den Spiegeln her. Die Luftführung zwischen den Platten sollte so gestaltet werden, dass sie dem Zustand auf der Messstrecke entspricht. Die Messstrecke verläuft bei dieser Variante in Luft. Der Messstrahl wird durch das Objektiv (23) aus dem Lichtleiter ausgekoppelt, durchsetzt das bewegliche Tripelprisma (24) und wird durch das zweite Objektiv (25) wieder in die Lichtleiterbahn eingekoppelt. Der zweite Diodenlaser (3) wird zweckmässigerweise mit einer konstanten Differenzfrequenz gegenüber dem wellenlängenstabilisierten (4) nachgeführt. Dazu kann ein Quarzoszillator als Referenz verwendet werden, der den Diodenlaser (3) so regelt, dass die Referenzfrequenz des Detektors (5) konstant bleibt. In Figure 2, the plates (22) establish the air gap between the mirrors. The air flow between the plates should be designed so that it corresponds to the condition on the measuring section. With this variant, the measuring section runs in air. The measuring beam is coupled out of the light guide by the lens (23), passes through the movable triple prism (24) and is coupled back into the light guide path by the second lens (25). The second diode laser (3) is expediently tracked with a constant differential frequency compared to the wavelength-stabilized (4). For this purpose, a quartz oscillator can be used as a reference, which regulates the diode laser (3) in such a way that the reference frequency of the detector (5) remains constant.

Der integrierte optische Schaltkreis kann auch so ausgebildet werden, dass mehrere Interferometer in mehreren Achsen angeordnet werden. The integrated optical circuit can also be designed such that several interferometers are arranged in several axes.

Zum Schutz gegen Verschmutzung können zwei spiegelbildlich integrierte optische Schaltungen mit den Leiterbahnen übereinander gekittet werden. Der optische Kitt kann dabei mit seinem Brechungsindex auf denjenigen der Leiterbahnen abgestimmt werden. Dadurch wird ausserdem erreicht, dass das halbkreisförmige Leiterprofil gerundet und für das Ein- und Auskoppeln in Glasfasern oder klassische optische Komponenten besser geeignet wird. To protect against contamination, two mirror-integrated optical circuits can be cemented with the conductor tracks one above the other. The refractive index of the optical cement can be matched to that of the conductor tracks. This also ensures that the semicircular conductor profile is rounded and more suitable for coupling in and out in glass fibers or classic optical components.

Der technische Fortschritt eines heterodynen Interferometers in optischer Weilenleitertechnik ist vielfältig: Durch die Verwendung von zwei getrennten Strahlungsquellen kann die Differenzfrequenz innerhalb eines breiten Spektralbereiches beliebig eingestellt werden, während man bei herkömmlichen bekannten heterodynen Interferometem mit He-Ne Gaslasern an die Resonatordaten zur Erfüllung der Voraussetzungen gebunden ist. So kann man im gleichen Schaltungsaufbau die Methoden der Wegmessung und der Entfernungsmessung verwirklichen, wobei für die Entfernungsmessung die Hilfsfrequenzen für die Grobmessung sowohl stufenweise als auch kontinuierlich eingestellt werden können. The technical progress of a heterodyne interferometer in optical waveguide technology is diverse: by using two separate radiation sources, the differential frequency can be set as desired within a wide spectral range, while in conventional known heterodyne interferometers with He-Ne gas lasers, the resonator data are linked to meet the requirements is. Thus, the methods of distance measurement and distance measurement can be implemented in the same circuit structure, the auxiliary frequencies for the rough measurement for the distance measurement being able to be set both stepwise and continuously.

Die Einstellung des Frequenzabstandes für die Wegmessung erlaubt es, das Interferometer bei der Anwendung im Maschinenbau den jeweiligen Anforderungen an die Vorschubgeschwindigkeiten der Maschinen anzupassen, da der Frequenzabstand der für die Messgeschwindigkeit begrenzende Faktor ist. The setting of the frequency distance for the displacement measurement allows the interferometer to be adapted to the respective requirements for the feed speeds of the machines when used in mechanical engineering, since the frequency distance is the limiting factor for the measuring speed.

Durch die Verwendung integrierter optischer Wellenleiter ist die Mischung von Frequenzen zu Schwebungsfrequenzen sehr einfach und erfordert keine spezifischen Eigenschaften der Strahlungsquellen, wie das bei bekannten heterodynen Interferometem der Fall ist, bei denen vorausgesetzt wird, dass die einzelnen Frequenzen (Moden) unterschiedliche optische Eigenschaften, wie zum Beispiel lineare Polarisation mit orthogonaler Ausrichtung haben. Solche Voraussetzungen können mit dem Diodenlaser nicht verwirklicht werden, anderseits ist er durch seine Kleinheit die bevorzugte Strahlungsquelle für integrierte optische Wellenleiter, wodurch sich Interferometer verwirklichen lassen von einigen Zentimetern Kantenlänge. Through the use of integrated optical waveguides, the mixing of frequencies to beat frequencies is very simple and does not require any specific properties of the radiation sources, as is the case with known heterodyne interferometers, which assume that the individual frequencies (modes) have different optical properties, such as for example, have linear polarization with orthogonal alignment. Such conditions cannot be met with the diode laser; on the other hand, due to its small size, it is the preferred radiation source for integrated optical waveguides, making it possible to implement interferometers with an edge length of a few centimeters.

Instrumenten solcher Abmessung stehen praktisch alle Anwendungsgebiete offen, vom Miniaturtaster bis zum Entfernungsmesser mit Messbereichen vom Submikrometer- bis in den Kilometerbereich. Instruments of such dimensions are open to practically all areas of application, from miniature sensors to rangefinders with measuring ranges from the submicrometer to the kilometer range.

Claims

1. Heterodyne interferometer for length and distance measurement by means of coherent electromagnetic radiation, with at least one component constructed in waveguide technology, characterized in that at least two electromagnetic radiation sources of different frequencies are coupled into the waveguide component acting as a beam splitter, divided and mixed therein and at least one frequency can be separately coupled out and in again over the measuring section.

2. Heterodyne interferometer according to claim 1, characterized in that means are provided which stabilize the wavelength or frequency of at least one coherent radiation source.

5

10th

15

20th

25th

30th

35

40

45

50

55

60

65

3rd