DE19536143A1 - Appts. for optically measuring physical parameters using heterodyne interferometer with modulation device - Google Patents
Appts. for optically measuring physical parameters using heterodyne interferometer with modulation deviceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum optischen Messen physikalischer Größen mittels eines eine Modulationseinrichtung aufweisenden Heterodyn-Interferometers mit einer Strahlungserzeugungseinrichtung zum Erzeugen mindestens einer Eingangswelle, einer Beugungseinrichtung und einer Sensoreinrichtung zum Empfangen und Auswerten der gebeugten Wellen hinsichtlich der darin enthaltenen Phasenbeziehungen und zum Erfassen der physikalischen Größen.The invention relates to a device for optical measurement physical quantities by means of a modulation device Heterodyne interferometer with a radiation generating device for Generate at least one input shaft, one diffraction device and one Sensor device for receiving and evaluating the diffracted waves with regard to the phase relationships contained therein and for recording the physical quantities.
Eine derartige Vorrichtung ist in der DE 43 17 064 A1 als bekannt ausgewiesen. Bei dieser bekannten Vorrichtung werden Positionen bzw. Positionsänderungen eines Teils z. B. unter Zuhilfenahme eines Heterodyn-Interferometers erfaßt, wobei zur Vergrößerung des absoluten Meßbereiches eine Beugungseinrichtung mit mehreren Spuren unterschiedlicher Gitterkonstanten vorgesehen ist. In einer Sensoreinrichtung werden Phasenbeziehungen bzw. dadurch hervorgerufene Intensitätsschwankungen erfaßt, die sich bei Positionsänderung des Teils infolge von Interferenzen einer Meßwelle und einer Referenzwelle ergeben. Durch die Heterodyn-Frequenz ist dabei die Frequenz des Empfangssignals moduliert, so daß es elektrisch gut auswertbar ist. In dieser Druckschrift ist auch eine zweidimensionale Positionsmessung angegeben, wozu die Gitterstrukturen bzw. der Hologramm-Maßstab der Beugungseinrichtung zusätzlich in der zweiten Dimension vorhanden sein müssen. Hierdurch ergibt sich ein entsprechend großer Aufwand an Bauelementen einschließlich Sensoren, deren Signale jeweils ausgewertet werden müssen. Zudem können sich wegen der Bauteiltoleranzen in den verschiedenen Meßdimensionen Meßfehler addieren.Such a device is identified as known in DE 43 17 064 A1. In this known device, positions or changes in position part of z. B. detected with the aid of a heterodyne interferometer, wherein to enlarge the absolute measuring range with a diffraction device several tracks of different lattice constants are provided. In a Sensor devices are phase relationships or caused thereby Intensity fluctuations recorded, which result when the part changes position of interference from a measuring wave and a reference wave. Through the Heterodyne frequency is the frequency of the received signal modulated so that it is easy to evaluate electrically. There is also one in this publication two-dimensional position measurement specified, for which purpose the lattice structures or the hologram scale of the diffraction device additionally in the second Dimension must be present. This results in a correspondingly large one Cost of components including sensors, the signals of each must be evaluated. In addition, due to the component tolerances in add measurement errors to the various measurement dimensions.
Zur Heterodyn-Technik ist in der genannten Druckschrift ein Übersichtsartikel von Th. Kreis und W. Osten, "Automatische Rekonstruktion von Phasenverteilungen aus Interferogrammen" in der Zeitschrift "Technisches Messen" 58, 1991, R. Oldenbourg Verlag, Seiten 235 bis 246 genannt, auf den vorliegend ebenfalls Bezug genommen sei.There is an overview article by. On heterodyne technology in the cited publication Th. Kreis and W. Osten, "Automatic reconstruction of phase distributions from interferograms "in the journal" Technisches Messen "58, 1991, R. Oldenbourg Verlag, pages 235 to 246, on the present also Be referenced.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der der Aufwand zur heterodyn interferometrischen Messung mehrerer physikalischer Größen einfacher und zuverlässig durchführbar ist.The invention has for its object a device of the beginning to provide the type with which the effort to heterodyne interferometric measurement of multiple physical quantities easier and is reliably feasible.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Modulationseinrichtung ein Element mit mehreren verschiedenen Gitterkonstanten aufweist, mit dem die Eingangswelle in entsprechend viele Teil-Wellen aufteilbar ist, wobei jede Teil-Welle eine spezifische Frequenzversetzung besitzt.This object is achieved in that the modulation device is an element with several different lattice constants with which the input wave can be divided into a corresponding number of partial waves, each partial wave being one has specific frequency offset.
Infolge dieser Maßnahmen können die Teil-Wellen in der Auswerteeinrichtung der Sensoreinrichtung eindeutig unterschieden und die entsprechenden Signale eindeutig den physikalischen Größen zugeordnet werden. Durch die elektrische Trennung kann die Information bezüglich der verschiedenen physikalischen Größen in einer einzigen Empfangswelle übertragen und mit nur einem Sensor oder einer Sensorgruppe aufgenommen werden, so daß sich die Komplexität und die Kosten des Aufbaus deutlich reduzieren, wobei für die verschiedenen physikalischen Größen bzw. verschiedenen Dimensionen beispielsweise bei der Positionsmessung einheitliche Bedingungen vorliegen. Hierdurch werden Fehler minimiert.As a result of these measures, the partial waves in the evaluation device of the Sensor device clearly differentiated and the corresponding signals be clearly assigned to the physical quantities. Through the electrical Separation can provide information regarding the different physical quantities transmitted in a single reception wave and with only one sensor or one Sensor group are added, so that the complexity and cost of the structure significantly reduce, for the different physical Sizes or different dimensions, for example when measuring positions uniform conditions exist. This minimizes errors.
Die Frequenzversetzung wird beispielsweise dadurch erzielt, daß das Element ein gleichförmig bewegtes Gitter ist. Hierbei ist es zum Erreichen einer fortlaufenden Gitterstruktur günstig, wenn das Element rotierend angetrieben ist, wobei die Gitterstrukturen vorzugsweise konzentrisch angeordnet sind.The frequency offset is achieved, for example, in that the element is a is a uniformly moving grid. Here it is to achieve a continuous Lattice structure favorable when the element is driven in rotation, the Lattice structures are preferably arranged concentrically.
Dabei kann das Element mehrere konzentrische Spuren mit zueinander verschiedenen Gitterkonstanten oder eine Spur mit unterschiedlichen Gitterkonstanten aufweisen, wie z. B. von Dammann-Gittern her bekannt ist (s. Dammann, H.; Görtler, K.: High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms. Opt. Commun. 3 (1971) 5: 312-315, sowie Krackhardt, U.; Streibl, N.: Design of Dammann-gratings for array generation. Opt. Commun. 74 (1989)1,2: 31-36). The element can have several concentric tracks with different lattice constants or one track with different lattice constants, such as. B. is known from Dammann grids (see Dammann, H .; Görtler, K .: High-efficiency in-line multiple imaging by means of multiple phase holograms. Opt. Commun. 3 (1971) 5: 312-315 , and Krackhardt, U .; Streibl, N .: Design of Dammann-gratings for array generation. Opt. Commun. 74 (1989) 1,2: 31-36).
Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß das Element ein akustooptischer Modulator ist und daß die verschiedenen Gitterkonstanten durch gleichzeitiges Betreiben des akustooptischen Modulators mit mehreren unterschiedlichen Frequenzen erzeugbar sind. Hierdurch erübrigt sich eine Antriebsvorrichtung zum Erzeugen einer gleichförmigen Bewegung, da der akustooptische Modulator über eine Elektrode mit den gewünschten Frequenzen betrieben wird, so daß die verschiedenen Heterodyn-Frequenzen erzielt werden. Aufgrund der Volumeneffekte des akustooptischen Modulators ergeben sich hohe Beugungseffizienzen. Ein weiterer Vorteil von akustooptischen Modulatoren ist, daß aufgrund der elektrischen Anregung die entstehende Frequenzverschiebung genau bekannt ist; somit können die entstehenden Heterodyn-Signale sehr genau mit einem Lock-In-Verstärker ausgewertet werden.An alternative advantageous embodiment of the device is that the Element is an acousto-optical modulator and that the different Grid constants by operating the acousto-optical modulator at the same time can be generated with several different frequencies. This makes it unnecessary a drive device for producing a uniform movement since the acousto-optic modulator via an electrode with the desired frequencies is operated so that the different heterodyne frequencies are achieved. Due to the volume effects of the acousto-optical modulator, there are high Diffraction efficiencies. Another advantage of acousto-optic modulators is that due to the electrical excitation, the resulting frequency shift is exactly known; thus the resulting heterodyne signals can be very accurate can be evaluated with a lock-in amplifier.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Verwendung der Vorrichtung zur Messung von Positionen oder Positionsänderungen in mehreren Dimensionen, wobei eine von den gebeugten Wellen gebildete Empfangswelle auf einen gemeinsamen Sensor oder eine gemeinsame Sensorgruppe der Sensoreinrichtung gerichtet ist, und die verschiedenen Dimensionen durch jeweils unterschiedliche Frequenzversetzungen der ihnen zugeordneten Teil-Wellen unterschieden werden. Hierdurch wird ein einfacher, kostengünstiger und zuverlässiger Aufbau für Positionsmessungen erhalten.It is also advantageous to use the device for measuring Positions or position changes in multiple dimensions, one of the diffracted waves received wave formed on a common sensor or a common sensor group of the sensor device is directed, and the different dimensions due to different frequency offsets the sub-waves assigned to them can be distinguished. This will be a simple, inexpensive and reliable setup for position measurements receive.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below using an exemplary embodiment Reference to the drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1A einen Ausschnitt einer Vorrichtung zum optischen Messen physikalischer Größen in schematischer Darstellung, wobei die Erzeugung mehrerer gebeugter Wellen mit unterschiedlichen Frequenzversetzungen aus einer Eingangswelle gebildet werden, Fig. 1A is a detail of a device for optical measurement of physical quantities in a schematic illustration, wherein the generating a plurality of diffracted waves are formed with different frequency offsets from an input shaft,
Fig. 1B die in Fig. 1A gezeigte Beugungseinrichtung in Draufsicht, wobei ausschnittsweise mehrere Gitter-Spuren gezeigt sind, FIG. 1B shows the diffraction device shown in FIG. 1A in a top view, several lattice tracks being shown in sections, FIG.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus zur Messung von Positionen und Fig. 2 is a schematic representation of a structure for measuring positions and
Fig. 3 eine alternative Beugungseinrichtung in Form eines akustooptischen Modulators. Fig. 3 shows an alternative diffraction device in the form of an acousto-optic modulator.
Die Fig. 1 zeigt ausschnittsweise eine Vorrichtung zum optischen Messen mehrerer physikalischer Größen. Eine Eingangswelle 1 trifft auf eine Beugungseinrichtung in Form eines rotierenden Gitters RG und wird dabei in verschiedene Richtungen gebeugt, wobei sich mit unterschiedlichen Frequenzen modulierte gebeugte Wellen 2a, 2b und 2c mit den Frequenzversetzungen Δf₁, Δf₂ und Δf₃ ergeben. In Fig. 1B ist das rotierende Gitter RG in Draufsicht gezeigt, wobei in konzentrischen Spuren SP1, SP2 und SP3 Gitter verschiedener Konstanten ausschnittsweise dargestellt sind. Mit den verschiedenen Frequenzversetzungen Δf₁, Δf₂ und Δf₃ können entsprechend viele Heterodyn-Frequenzen bei einem heterodyn-interferometrischen Meßverfahren gebildet und entsprechend viele physikalische Größen bzw. Dimensionen codiert werden können. Fig. 1 shows part of an apparatus for optically measuring a plurality of physical quantities. An input shaft 1 strikes a diffraction device in the form of a rotating grating RG and is thereby diffracted in different directions, resulting in modulated diffracted waves 2 a, 2 b and 2 c with the frequency offsets Δf₁, Δf₂ and Δf₃. FIG. 1B shows the rotating grating RG in a top view, with sections of grids of different constants being shown in concentric tracks SP1, SP2 and SP3. With the different frequency offsets Δf₁, Δf₂ and Δf₃, a correspondingly large number of heterodyne frequencies can be formed in a heterodyne interferometric measuring method and a correspondingly large number of physical quantities or dimensions can be coded.
Ein Aufbaubeispiel für eine Vorrichtung zum optischen Messen von Positionen ist in Fig. 2 schematisch wiedergegeben. Mittels einer Strahlungsquelle SQ wird der Eingangsstrahl 1 erzeugt, der an der Beugungseinrichtung RG in die Teil-Wellen 2a, 2b und 2c aufgeteilt wird, die entsprechend der vorstehenden Beschreibung unterschiedliche Frequenzversetzungen aufweisen. Die modulierten gebeugten Wellen 2a, 2b und 2c treffen auf einen Hologramm-Maßstab HM, der auf einem Teil ortsfest angeordnet ist, von dem die Position in verschiedenen Dimensionen x, y, z bestimmt werden soll. An dem Hologramm-Maßstab HM werden die modulierten gebeugten Teil-Wellen 2a, 2b und 2c erneut gebeugt, um interferometrisch Änderungen von Phasenbeziehungen zwischen Referenzwellen und Meßwellen zu erzeugen, wenn sich die Position des Teils bzw. des Hologramm-Maßstabes HM ändert. Die Referenzwellen sind dabei z. B. die Teil- Wellen 2a, 2b und 2c, während die (nicht gezeigten) Meßwellen z. B. schräg von vorne und unten an denselben Auftreffpunkten wie die Referenzwellen auf den Hologramm-Maßstab HM treffen können, um die gewünschte Interferenz zu erzeugen. Im weiteren Strahlengang wird vorzugsweise eine Empfangswelle 3 gebildet, die mittels einer Sensoreinrichtung aufgenommen und ausgewertet wird. In der Empfangswelle 3 sind sowohl die Informationen der Phasenbeziehungen zwischen den Referenzwellen bzw. Teil-Wellen 2a, 2b und 2c und den Meßwellen enthalten, die durch die Positionsänderung des Teils hervorgerufen werden, als auch die Informationen, die durch die Frequenzversetzungen Δf₁, Δf₂ und Δf₃ gebildet werden und sich auf die verschiedenen Meßdimensionen x, y, z beziehen. Zum Auswerten der Empfangswelle 3 ist lediglich ein Sensor bzw. eine Sensorgruppe erforderlich; die Unterscheidung der verschiedenen Meßdimensionen und der Auswertung der in den jeweiligen Meßdimensionen auftretenden Phasenbeziehungen kann mit relativ wenig Aufwand elektrisch vorgenommen werden.A structural example of a device for optically measuring positions is shown schematically in FIG. 2. The input beam 1 is generated by means of a radiation source SQ and is divided at the diffraction device RG into the partial waves 2 a, 2 b and 2 c, which have different frequency offsets according to the above description. The modulated diffracted waves 2 a, 2 b and 2 c meet a hologram scale HM, which is fixedly arranged on a part from which the position in different dimensions x, y, z is to be determined. On the hologram scale HM the modulated diffracted partial-shafts 2 are a, 2 b and 2 c diffracted again to produce interferometric changes in phase relationships between the reference waves and measuring shafts, when the position of the part or of the hologram scale HM changes . The reference waves are z. B. the partial waves 2 a, 2 b and 2 c, while the (not shown) measuring waves z. B. obliquely from the front and bottom at the same impact points as the reference waves on the hologram scale HM to generate the desired interference. In the further beam path, a reception wave 3 is preferably formed, which is picked up and evaluated by means of a sensor device. In the receiving wave 3 , both the information of the phase relationships between the reference waves or partial waves 2 a, 2 b and 2 c and the measuring waves, which are caused by the change in position of the part, as well as the information caused by the frequency offsets Δf 1 , Δf₂ and Δf₃ are formed and relate to the different measurement dimensions x, y, z. Only one sensor or sensor group is required for evaluating the receiving shaft 3 ; the different measuring dimensions and the evaluation of the phase relationships occurring in the respective measuring dimensions can be made electrically with relatively little effort.
Der Aufwand ist auch eingangsseitig gering, da zum Erzeugen der Strahlung nur eine Strahlungsquelle SQ vorhanden zu sein braucht. Auch hierdurch werden die Meßbedingungen vereinheitlicht und Abweichungen, die sich negativ in der Meßgenauigkeit auswirken können, minimiert.The effort is also low on the input side, since it only needs to generate the radiation there must be a radiation source SQ. This also means that Unified measurement conditions and deviations that are negative in the Measurement accuracy can be minimized.
Alternativ zu den in den Fig. 1A und 1B gezeigten rotierenden Gittern mit mehreren Spuren SP1, SP2 und SP3 kann auch dabei nur eine Gitter-Spur vorgesehen sein, die mehrere Gitterkonstanten gemäß einem Dammann-Gitter aufweist.As an alternative to the rotating grids with a plurality of tracks SP1, SP2 and SP3 shown in FIGS. 1A and 1B, only one grating track can be provided which has a plurality of grating constants in accordance with a Dammann grating.
In Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Generierung verschiedener Heterodyn-Frequenzen bzw. Frequenzversetzungen Δf₁, Δf₂ und Δf₃ gezeigt, wobei ein akustooptischer Modulator AOM verwendet wird. Der akustooptische Modulator AOM wird gleichzeitig mit mehreren unterschiedlichen Frequenzen getrieben, wobei in diesem ein Gitter mit mehreren Gitterkonstanten in Form eines Multifrequenzgitters, ähnlich dem oben erwähnten Dammann-Gitter, entsteht, das wiederum eine einfache, räumliche Trennung der Teil-Wellen 2a, 2b und 2c erlaubt. Zum Erregen des akustooptischen Modulators AOM ist einerseits eine Elektrode E und andererseits ein Dämpfer D vorgesehen. Aufgrund der Volumeneffekte des akustooptischen Modulators AOM ergeben sich weiterhin hohe Beugungseffizienten. Ein weiterer Vorteil von akustooptischen Modulatoren ist, daß aufgrund der elektrischen Anregung die entstehende Frequenzverschiebung genau bekannt ist; somit können die entstehenden Heterodyn-Signale bzw. die diesen zugeordneten physikalischen Größen oder Dimensionen mit einem Lock-In-Verstärker genau unterschieden werden.In Fig. 3, a further advantageous way of generating different heterodyne frequencies or frequency offsets Δf₁, Δf₂ and Δf₃ is shown, wherein an acousto-optical modulator AOM is used. The acousto-optic modulator AOM is driven simultaneously with several different frequencies, a grating with several grating constants in the form of a multi-frequency grating, similar to the above-mentioned Dammann grating, which in turn creates a simple, spatial separation of the partial waves 2 a, 2 b and 2 c allowed. To excite the acousto-optic modulator AOM, an electrode E and a damper D are provided on the one hand. Due to the volume effects of the acousto-optical modulator AOM, high diffraction coefficients continue to result. Another advantage of acousto-optical modulators is that due to the electrical excitation, the frequency shift that occurs is precisely known; the resulting heterodyne signals or the physical quantities or dimensions assigned to them can thus be precisely distinguished with a lock-in amplifier.
Vorteilhaft ist auch, daß die Beugungseinrichtung zum Erzeugen der Teil-Wellen und Heterodyn-Frequenzen gleiche Gitterstruktur haben können wie der für die Erzeugung der Interferenzen vorgesehene Hologramm-Maßstab HM. Dadurch können die Teil-Wellen 2a, 2b und 2c bezüglich derselben Beugungsordnung wieder in die ursprüngliche Richtung zurückgebeugt werden, wodurch sich weitere Vorteile für den Aufbau und die Justierung der Vorrichtung ergeben.It is also advantageous that the diffraction device for generating the partial waves and heterodyne frequencies can have the same grating structure as the hologram scale HM provided for generating the interferences. As a result, the partial waves 2 a, 2 b and 2 c can be bent back into the original direction with respect to the same diffraction order, which results in further advantages for the construction and the adjustment of the device.
Beispielsweise läßt sich die beschriebene Vorrichtung auch zur Abstandsmessung benutzen, wobei die Entfernung und die zur rechnerischen Kompensation der Schwankungen der optischen Weglänge benötigte Brechzahl von Luft in einem Interferometer erfaßt werden.For example, the device described can also be used for distance measurement use, the distance and the arithmetic compensation of the Fluctuations in the optical path length require the refractive index of air in one Interferometer can be detected.
Claims (7)
daß das Element (AOM) ein akustooptischer Modulator ist und
daß die verschiedenen Gitterkonstanten durch gleichzeitiges Betreiben des akustooptischen Modulators (AOM) mit mehreren unterschiedlichen Frequenzen erzeugbar sind.5. The device according to claim 1, characterized in
that the element (AOM) is an acousto-optic modulator and
that the different lattice constants can be generated by operating the acousto-optical modulator (AOM) at the same time with several different frequencies.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19536143A DE19536143A1 (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Appts. for optically measuring physical parameters using heterodyne interferometer with modulation device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19536143A DE19536143A1 (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Appts. for optically measuring physical parameters using heterodyne interferometer with modulation device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19536143A1 true DE19536143A1 (en) | 1997-04-03 |
Family
ID=7773459
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19536143A Withdrawn DE19536143A1 (en) | 1995-09-28 | 1995-09-28 | Appts. for optically measuring physical parameters using heterodyne interferometer with modulation device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19536143A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6781699B2 (en) | 2002-10-22 | 2004-08-24 | Corning-Tropel | Two-wavelength confocal interferometer for measuring multiple surfaces |
-
1995
- 1995-09-28 DE DE19536143A patent/DE19536143A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6781699B2 (en) | 2002-10-22 | 2004-08-24 | Corning-Tropel | Two-wavelength confocal interferometer for measuring multiple surfaces |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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