Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein lnterferometrisches Meßverfah¬ ren, insbesondere zur Langenmessung mittels eines Lasers. bei dem im Betriebszustand eines Meßinterferometers die La- serwel lenlange in der Weise geregelt wird, daß sich das mit der Laserwel lenlange in Form einer Welle periodisch än¬ dernde Ausgangssignal eines Regelinterferometers innerhalb einer Wel lenpeπode auf einen Wert beispielsweise im Be- reich einer Wellenflanke einstellt und Änderungen des Be- tπebszustandes des Meßinterferometers, d.h. der Laserfre¬ quenz und/oder der Wellenlange des Laserstrahls, in der Re¬ gelstrecke des Regelinterferometers erfaßt und über den Be¬ triebsstrom und/oder die Temperatur des Lasers mit entsDre- chender Wirkung für das Meßinterferometer kompensiert wer¬ den, sowie eine für seine Durchfuhrung geeignete Laserin¬ terferometeranordnung mit einem in einem vorgegebenen Wel- lenlangenbereich modensprungfrei und kontinuierlich durch- sti mbaren Laser, einem ersten Meß- und einem ersten Re- gelinterferometer mit jeweils einer Meß- bzw. Regelstrecke, wobei die Interferometerarme des Reαel l terferometers eine konstante Langendifferenz zueinander aufweisen, weiter mit einem Pπmarstrahltei ler zur Aufspaltung des einfallenden Laserstrahls, wodurch die Interferometer von der Strahlung desselben Lasers beaufschlagt werden, wobei das Meßinterfe- rometer zur Bildung von mindestens zwei miteinander interferierenden Teilstrahlen wenigstens einen ersten mchtpolaπsierenden Strahltei ler, zwei Retroreflektoren oder anstelle davon z.B. einen oder mehrere Spiegel oder 90'-Pπsmen aufweist, ferner mit Mitteln zur Erzeugung von jeweils gegeneinander phasenverschobenen Strahlkomponenten für die Richtungserkennung von Langenanderungen der Me߬ strecke, wie z.B. Lambda/4- oder Lambda/8-Platten sowie

Mitteln zur Trennung der phasenverschobenen Strahlkomponen- ten, wie z.B. polarisierende Strahlteller oder Wollaston- Pπsmen und mit wenigstens einem Photodetektor zur Erfas¬ sung des Interferenzsignals, und wobei das Regel lnterfero- meter zur Bildung von mindestens zwei miteinander interferierenden Teilstrahlen wenigstens einen ersten Strahlteller, zwei Retroreflektoren oder anstelle davon z.B. einen oder mehrere Spiegel oder 90'-Prismen sowie wenigstens einen Photodetektor zur Erfassung des Interfe- renzsignals hat, schließlich mit einer Regelungseinrichtung für die Laserwel lenlange.

Bei Interferometern der eingangs genannten Art werden zu¬ nehmend modensprungfrei durchstimmbare Haibleiterlaser ein- gesetzt. Ein Grund dafür sind besonders die relativ gerin¬ gen Stuckkosten für Laserdioden im Vergleich mit her¬ kömmlichen Laserquellen. Daruberhinaus sind aber gerade La¬ serdioden gegenüber z.B. Hei lum-Neonlasern in einem um etwa zwei Größenordnungen breiteren Wel lenlangenbereich kontinu- lerlich durchstimmbar. Demgegenüber haben jedoch Halblei- terlaser den Nachteil, daß ihre Resonanzwellenlange stark von den Betriebsparametern der Laserdiode abhangt, wodurch die Laserwel lenlange zeitlichen Schwankungen unterworfen ist. Daneben können auch Schwankungen der Luftwel lenlange in der Meß- bzw. Regelstrecke dadurch auftreten, daß der Laserstrahl streckenweise frei durch Luft gefuhrt wird, de¬ ren Brechungsindex ebenfalls Schwankungen, beispielsweise infolge einer Änderung der Umgebungstemperatur, der Luft¬ feuchtigkeit oder des CO∑-Gehaltes der Luft unterworfen sein kann.

Dieser Problematik wird bei dem aus der-DE-PS 3 404 963 be¬ reits bekannten Halbleiterlasei—Interferometer dadurch be¬ gegnet, daß neben dem eigentlichen Meßinterferometer ein weiteres Interferometer zur Regelung der Luftwel lenlange Verwendung findet. Dieses sogenannte Regel interferometer ist derart ausgebildet, daß die Interferometerarme eine konstante Langendifferenz zueinander aufweisen. Sowohl das

Meß- als auch das Regelinterferometer werden von der Strah¬ lung derselben Laserdiode beaufschlagt. Ändert sich nun die Luftwellenlänge innerhalb der Meßstrecke des Regel interferometers (im folgenden als "Regelstrecke" be- zeichnet), beispielsweise aufgrund von Brechungsindex¬ schwankungen des durchstrahlten Mediums oder Wellenlängen¬ schwankungen der Laserdiode selbst, so ändern sich die In¬ tensitäten der beiden phasenverschobenen Ausgangssignale des Regelinterferometers. Die Ausgangssignale werden mit Hilfe eines Reglers, der die Laserwellenlänge mittels des Stromes oder der Temperatur der Laserdiode verändert, auf konstanter Intensität gehalten, was im einfachsten Fall da¬ durch realisierbar ist, daß die Differenz der beiden Aus¬ gangssignale auf den Wert Null geregelt wird. Da aufgrund der räumlichen Anordnung von Meß- und Regelstrecke angenom¬ men werden kann, daß ihre Umgebungsbedingungen nahezu iden¬ tisch sind, werden hierdurch ebenso die eigentlich interes¬ sierenden Schwankungen der Luftwellenlänge in der Me߬ strecke kompensiert.

Das Differenzsignal ändert sich periodisch mit der Laser¬ bzw. Luftwellenlänge, so daß beim Einschalten des Lasers gewährleistet sein muß, daß diese Wellenlänge innerhalb des Bereichs liegt, der dieser Periode entspricht. Ist dies nicht der Fall, so wird auf eine andere Wellenlänge gere¬ gelt. Die Periode des Differenzsignals wird mit länger wer¬ dender Regelstrecke kleiner, so daß der zulässige Bereich der Wellenlänge der Laserdiode beim Einschalten kleiner wird. Da jedoch die Luftwellenlänge empfindlich von den Luftparametern Temperatur und Druck abhängig ist, darf - um das Erreichen einer bestimmten Periode des Differenzsignals sicherzustellen - die Regelstrecke nicht länger als ca. 2 cm sein, falls eine Temperaturdifferenz der Umgebungsluft von ±5' C zugelassen wird. Zudem ist durch plötzliche starke Änderungen des Brechungsindexes der Luft, beispiels¬ weise aufgrund von Luftströmungen, die Gefahr gegeben, daß sich die Wellenlänge derart ändert, daß das Differenzsignal in eine benachbarte Interferenzordnung überspringt und dem-

nach das Regel interferometer auf eine andere Wellenlange regelt. Andererseits ist aber auch gerade eine größere Re¬ gelstreckenlange erwünscht, da die Empfindlichkeit der Wel- lenlangenregelung mit der Lange der Regelstrecke zunimmt.

Aus dieser Problematik leitet sich nun die Aufgabe der vor¬ liegenden Erfindung ab, nämlich ein interferometrisches Meßverfahren sowie eine für seine Durchfuhrung geeignete Laserinterferometeranordnung zu realisieren, die gleichzei- tig die Eindeutigkeit der Luftwel lenlange beim Einschalten gewährleistet sowie eine möglichst empfindliche Regelung mit einer relativen Unsicherheit von 10 ^-8 zulaßt, welche zudem ein überspringen auf benachbarte Regelpunkte erkennt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be¬ zeichneten Gattung dadurch gelost, daß wenigstens zwei Re¬ gel interferometer mit voneinander abweichenden Regelstrek- kenlangen eingesetzt werden, wobei beispielsweise im Be¬ reich der Wellenflanken der Regelinterferometer eine oder zwei obere sowie eine oder zwei untere Signalschwellen ge¬ setzt werden, und daß beim überschreiten einer ersten obe¬ ren oder beim Unterschreiten einer ersten unteren Signal¬ schwelle auf das nächstfolgende Regel interferometer mit der kürzeren Regelstrecke umgeschaltet wird, sofern nicht das Regel interferometer mit der kürzesten Regelstrecke bereits aktiv ist, und daß beim Unterschreiten einer zweiten - im allgemeinen kleineren oder maximal gleichen - oberen Si¬ gnalschwelle oder Überschreiten einer zweiten - im allge¬ meinen größeren oder minimal gleichen - unteren Signal- schwelle auf das nächstfolgende Regelinterferometer mit der längeren Regelstrecke umgeschaltet wird, sofern nicht das Regel interferometer mit der längsten Regelstrecke bereits aktiv ist. Im allgemeinen ist das Regel interferometer mit der kürzesten Regelstrecke beim Einschaltvorgang aktiv, um dabei die Eindeutigkeit der Luftwel lenlange zu gewährlei¬ sten, dagegen wird mittels des Regel interferometers mit der längsten Regelstrecke die empfindlichste Wel lenlangenrege- lung mit der höchsten Wel lenlangenstabi 1 ltat durchgeführt.

Die Länge der kürzesten Regelstrecke richtet sich dabei zum einen nach der Größe der zugelassenen Brechungsindexände¬ rung beim Einschalten und zum anderen nach der Genauigkeit, mit der die Laserwellenlänge über die Betriebsparameter der Laserquelle reproduzierbar eingestellt werden kann. Die Re¬ gelung kann beispielsweise derart durchgeführt werden, daß beim Einschalten der Laserquelle die Luftwellenlänge in der Regelstrecke mit den Betriebsparametern der Laserquelle voreingestellt wird, so daß die einer bestimmten Luftwel- lenlange entsprechende Periode des Differenzausgangssignals des derzeit aktiven Regelinterferometers getroffen wird und anschließend mittels des Reglers und der kürzesten Regel¬ strecke die Luftwellenlänge auf den exakten Wert nachgere¬ gelt wird. Hierbei muß gewährleistet sein, daß die Luftwel- lenlange innerhalb dieser bestimmten Periode des nächstlän¬ geren Regel interferometers liegt. Die Regelung wird nun gegebenenfalls sukzessive mittels geeigneter Umschalter von dem jeweils kürzeren auf das jeweils längere Regel interfe¬ rometer umgeschaltet, wodurch eine höhere Empfindlichkeit der Wellenlängenregelung bei gleichzeitig hoher Reprodu¬ zierbarkeit der Einschaltwellenlänge gewährleistet ist. Dieser abgestufte Prozeß wird entsprechend der Anzahl der verwendeten Regel interferometer wiederholt, bis die Rege¬ lung mit dem Regelinterferometer mit der längsten Regel- strecke durchgeführt wird.

Eine Änderung des störungsfreien "Betriebszustandes", bei¬ spielsweise durch einen plötzlichen Luftstrom, bei der das Ausgangssignal des derzeit aktiven Regelinterferometers - zunächst nicht erfaßbar - in eine benachbarte Interferenz¬ ordnung überspringt, läßt sich nun dennoch dadurch detek- tieren, daß sich das Ausgangssignal des Regelinterferome¬ ters mit der jeweils kürzeren Regelstrecke ändert. Diese Änderung wird dazu benutzt, ein überspringen auf benach- barte Interferenzordnungen zu erkennen, in dem eine obere und eine untere elektronische Signalschwelle derart gesetzt wird, daß bei überschreiten der oberen bzw. Unterschreiten der unteren Schwelle die Regelung auf das Regelinter-

ferometer umgeschaltet wird, welches den Sprung erkannt hat. Hierdurch wird gewährleistet, daß die ursprüngliche Wellenlänge wieder eingestellt wird. Wenn das Ausgangssi¬ gnal des danach aktiven Regel interferometers wieder im mittleren Bereich der Wellenflanke innerhalb der ersten bzw. zweiten Signalschwellen liegt, wird auf das Re¬ gel interferometer mit der nächstlängeren Regelstrecke umge¬ schaltet. Im Falle von mehreren Regelinterferometern er¬ folgt dies sukzessive.

Diese Anordnung ermöglicht, insbesondere bei Verwendung mehrerer Interferometer, gleichzeitig sowohl eine hohe Re¬ produzierbarkeit der Luftwellenlänge beim Einschalten, und zwar auch bei stark veränderlichen Umgebungsbedingungen, als auch im Betriebεzustand eine äußerst stabile Wellenlän¬ genregelung aufgrund der höheren Empfindlichkeit des Re¬ gelinterferometers mit der längsten Regelstrecke. Ein über¬ springen des Ausgangssignals des jeweils aktiven Interfero¬ meters auf andere Interferenzordnungen wird erkannt, so daß automatisch wieder die ursprüngliche Wellenlänge einge¬ stellt wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß das Meßinter- ferometer immer mit derselben Luftwellenlänge mißt, auch wenn sich der Brechungsindex der Luft verändert.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren kann auch in der Weise ausgeführt werden, daß mittels des jeweils aktiven Regelin¬ terferometers wenigstens zwei jeweils um π phasenverscho¬ bene und sich gegensinnig mit der Laserwellenlänge ändernde Ausgangssignale erzeugt werden, deren sich mit der Laser- Wellenlänge periodisch änderndes Differenzsignal innerhalb einer Wellenperiode z.B. auf den Wert Null geregelt wird. Gegenüber einem Betrieb des Ausgangssignals des jeweils ak¬ tiven Regel interferometers im Bereich einer Wellenflanke wird die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit dadurch erhöht, daß das Differenzsignal auf den genau definierten Wert Null geregelt wird. Die Phasenverschiebung von π führt automa¬ tisch dazu, daß sich die beiden Ausgangssignale des jeweils aktiven Regel interferometers gegensinnig mit der Laserwel-

lenlange ändern und damit beispielsweise durch einen Span¬ nungsoffset hervorgerufene Signaländerungen kompensiert werden.

Die für dieses Verfahren geeignete erfindungsgemäße La¬ serinterferometeranordnung zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens zwei bezüglich der Länge der Regelstrecke kaskadenartig gegeneinander abgestufte Regelinterferometer vorgesehen sind, wobei wenigstens die Regelstrecke des Regel interferometers mit der längsten Regelstrecke entsprechend den apparativen Gegebenheiten möglichst nahe an der Meßstrecke angeordnet ist und daß für das zweite und etwaige weitere Regelinterferometer je ein weiterer Strahlteiler oder Spiegel vorgesehen ist. Aufeinanderfol- gende Regelinterferometer besitzen somit sich sukzessive ändernde RegelStreckenlängen, wobei das Regelinterferometer mit der längsten Regelstrecke die höchste Meßempfindlich¬ keit bietet, dagegen das Regelinterferometer mit der kürze¬ sten Regelstrecke die Eindeutigkeit der Wellenperiode lie- fert. Durch eine möglichst nahe Anordnung der längsten Regelstrecke an der Meßstrecke ist eine höchstempfindliche Detektion von Brechungsindexschwankungen innerhalb der Meßstrecke gewährleistet. Der Aufbau des Meßinterferometers ist im übrigen bereits aus dem zitierten Stand der Technik bekannt. Durch die Verwendung weiterer Strahlteiler oder Spiegel ist gewährleistet, daß sowohl das Meßinterferometer als auch sämtliche Regelinterferometer von der Strahlung desselben Lasers beaufschlagt werden. Als Laser bietet sich hier insbesondere ein Halbleiterlaser an. Die kaskadenartig gegeneinander abgestuften Interferometerarme der Regel interferometer weisen im übrigen eine konstante Längendifferenz zueinander auf.

Die erfindungsgemäße Laserinterferometeranordnung kann weiter so ausgebildet sein, daß die maximale Länge x der kürzesten Regelstrecke sich aus der Laserwellenlänge Lambda, der relativen Stabilität des Lasers α und der Sta¬ bilität des Brechungsindexes der Luft ß berechnet gemäß

L ax < Lambda/[4(α+ß)] und daß die Länge der längsten Regelstrecke maximal gleich der Meßstrecke ist. Die Stabilität des Lasers ist im wesentlichen bestimmt durch die Temperaturschwankungen und Alterungseinflüsse der Laserdiode. Die Brechungsindexschwankungen betreffen insbesondere den räumlichen Umgebungsbereich der Meßstrecke. Bei Werten von α = 5-10" ⁵ und ß = 5'10 ^-5 (für Temperaturschwankungen von ±25' C) ergibt sich bei einer Laserwellenlänge von 780 nm beispielsweise eine maximale Länge der kürzesten Regelstrecke von < 2 mm.

Die erfindungsgemäße Laserinterferometeranordnung kann ferner so ausgebildet sein, daß die Regelstrecken unter¬ einander ein Längenverhältnis zwischen 1 zu 5 und 1 zu 10 aufweisen. Bei diesen Längenverhältnissen ist zum einen gewährleistet, daß das sukzessive Umschalten von einem zum nächsten Regelinterferometer nicht zu einem überspringen in benachbarte Wellenperioden führt. Zum anderen wird bereits durch eine Aufeinanderfolge von wenigen Interferometern ein relativ großer Empfindlichkeitsbereich abgedeckt, wobei in dem einen Extrem eine besonders hohe Empfindlichkeit gewährleistet ist, in dem anderen Extrem aber auch relativ starke Änderungen der Luft- bzw. Laserwellenlänge nicht zu einem überspringen in benachbarten Wellenperioden führen.

Die erfi dungsgemäße Laserinterferometeranordnung kann fer¬ ner so ausgebildet sein, daß zumindest die Regelstrecken auf einem Werkstoff mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffi¬ zienten, beispielsweise der Glaskeramik Zerodur, CFK-Ver- bundwerkstoff oder anderen, angeordnet sind. Bekanntlich weisen die Interferometerarme der Regel interferometer eine konstante Längendifferenz zueinander auf, und dienen aus¬ schließlich dazu, Änderungen der Luft- bzw. Laserwellen¬ länge zu detektieren und durch eine Änderung der Laserwel- lenlange als solche zu kompensieren. Da aber auch die Aus- gangs-Interferenzsignale der Regelinterferometer empfind¬ lich von den jeweiligen Armlängen der Regelinterferometer

abhängen, läßt sich durch diese Maßnahme eine derartige Be¬ einflussung nahezu ausschließen.

Die erfindungsgemäße Laserinterferometeranordnung kann wei- ter so ausgebildet sein, daß zumindest die Regelstrecken auf einem Werkstoff, dessen Ausdehnungskoeffizient dem des zu vermessenden oder zu bearbeitenden Werkstückes und/oder der gesamten Meß- oder Bearbeitungseinrichtung entspricht, beispielsweise Stahl, angeordnet sind. Durch diese Maßnahme lassen sich beispielsweise temperaturbedingte Längenände¬ rungen eines Werkstückes bereits während seiner Bearbeitung kompensieren.

Die erfindungsgemäße Laserinterferometeranordnung kann fer- ner so ausgebildet sein, daß wenigstens zwei Meßinterfero¬ meter vorgesehen sind. Dabei kann die Anzahl der Meßinter- fero eter sogar größer sein als die der Regelinterferome¬ ter.

Die erfindungsgemäße Laserinterferometeranordnung kann fer¬ ner so ausgebildet sein, daß wenigstens ein Teil der Anord¬ nung als integrierte Optik ausgebildet ist. Aufgrund der ausschließlichen Verwendung von Standardbauteilen bei der Optik der Laserinterferometeranordnung bietet sich ferner die Möglichkeit, einen Teil dieser Bauelemente oder sogar sämtliche Bauteile als integrierte Optik anzuordnen.

Die erfindungsgemäße Laserinterferometeranordnung kann ferner vorsehen, daß die Ankopplung der peripheren Geräte an die optischen Bauteile durch bekannte Lichtleiter, wie z.B. Lichtleiterfasern, erfolgt.

Die erfindungsgemäße Laserinterferometeranordnung kann schließlich so ausgebildet sein, daß für die Meß- und die Regel interferometer ein gemeinsamer Interferometer- strahlteiler vorgesehen ist. Ein derartiger Strahlteiler läßt sich anstelle eines Primärstrahlteilers und gegebenenfalls weiterer Spiegel einsetzen und bietet die

Möglichkeit, sämtliche oder zumindest einen Teil der Interferometer mit äußerst geringen Abständen voneinander anzuordnen, wobei der Primärstrahl des Lasers vor seinem Eintritt in die einzelnen Interferometer aufgeweitet wird. Beispielsweise lassen sich dadurch die Interferometer in einfacher Weise übereinander montieren.

Im folgenden Teil wird zur Erläuterung des erfindungsge- mäßen Meßverfahrens sowie der für seine Durchführung ge¬ eigneten Laserinterferometeranordnung zunächst ein Ausfüh¬ rungsbeispiel der Laserinterferometeranordnung vorgestellt, anhand dessen danach das erfindungsgemäße Verfahren erläu¬ tert wird.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Laserinterferometeranordnung mit einem Meß- und zwei Regelinterferometern und

Fig. 2 Erläuterung des Meßverfahrens anhand der Diffe¬ renzspannung der beiden Fotoempfänger zweier Re¬ gelstrecken.

Fig. 1 zeigt eine Laserinterferometeranordnung mit einem Meßinterferometer 1 sowie zwei Regelinterferometern 2,3. Sämtliche Interferometer werden von der Strahlung einer La¬ serdiode 4 beaufschlagt, die über Primärstrahl ei ler 5,6 und einen Spiegel 7 in Primärteilstrahlen 8,9,10 aufgespal- ten wird. Im übrigen können die Bauelemente 5,6,7 auch durch Beugungsgitter ersetzt werden.

Für den Betrieb der Laserdiode kann dabei eine schnelle Stromregelung, die im Bereich von mehreren kHz arbeitet, vorgesehen sein. Eine Anordnung von zwei Regelinterferome¬ tern stellt die einfachste Ausführungsform dar, es sind da¬ gegen auch Anordnungen denkbar, bei denen mehr als zwei Regelinterferometer Verwendung finden.

Der Primärteilstrahl 8, der das Meßinterferometer 1 durch¬ läuft, wird zunächst an einem Strahlteiler 11 in zwei in¬ terferenzfähige Teilstrahlen aufgeteilt, von denen der eine an einem Retroreflektor 12 durch mehrfache Umlenkung paral¬ lel zu seiner Einfallsrichtung zurückreflektiert wird, der andere dagegen an einem Retroreflektor 13, dessen variable Position die eigentlich zu messende Länge definiert, durch mehrfache Umlenkung ebenfalls parallel zurückreflektiert wird. Dieser zweite Teilstrahl durchläuft dann eine Lambda/4-Platte 14, nach deren Durchstrahlung dieser Teil¬ strahl in zwei z.B. um π/2 gegeneinander phasenverschobene Strahl- bzw. Polarisationskomponenten aufgespalten ist. Diese beiden Komponenten schaffen nun die Voraussetzungen für eine Erfassung der Bewegungsrichtung des Re¬ troreflektors 13 relativ zu den übrigen Bauteilen des Meßinterferometere 1. Die in Punkt 16 wiedervereinten Teil¬ strahlen überlagern sich innerhalb der jeweiligen Teil¬ strecken 17,23 und bilden die eigentlichen Interfe- renzsignale. Das eine dieser Interferenzsignale durchläuft schließlich einen polarisierenden Strahlteiler 18, und zwar in diesem Beispiel ein Wol laston-Prisma (alternativ dazu könnte z.B. ein 90'-Tei lerprisma verwendet werden oder z.B. ein nicht-polarisierender Strahlteiler mit nachfolgenden optischen Bauelementen, die eine Trennung der Polarisa¬ tionskomponenten bewirken), wonach zwei weitere Teilstrah¬ len 19,20 gebildet werden, die jeweils mittels eines Foto¬ empfängers 21,22 detektiert werden. Die beiden Teilstrahlen 19,20 stellen dabei die unterschiedlichen Interferenzen der an der Lambda/4-Platte 14 erzeugten phasenverschobenen Signale mit dem zweiten Teilstrahl dar, die zur Richtungs¬ erkennung der Bewegung des Retroreflektors 13 benutzt wer¬ den.

Das zweite Interferenzsignal, das in der Teilstrecke 23 ge¬ bildet wird, durchläuft wiederum einen polarisierenden Strahlteiler 18', und zwar in diesem Beispiel ein Wolla- ston-Prisma oder alternativ dazu ein anderes polarisations-

optisches Bauelement, wonach wiederum die hierdurch aufgespaltenen beiden Teilstrahlen 24,25 durch Fotoempfän¬ ger 26,27 erfaßt werden.

Die in der Teilstrecke 17 enthaltenen Komponenten 19,20 so¬ wie die in der Teilstrecke 23 enthaltenen Komponenten 24,25 weisen aufgrund der Phasenverschiebung durch die Lambda/4- Platte zueinander jeweils eine Phasenverschiebung von τt/2 bezüglich der Intensität auf, sodaß an den Fotoempfängern 21,22,26,27 insgesamt vier Signale, die jeweils um π/2 pha¬ senverschoben sind, zur Verfügung stehen. Mindestens zwei um π/2 phasenverschobene Signale sind für eine Richtungser¬ kennung der Bewegungsrichtung des Retroreflektors 13 not¬ wendig. Durch Differenzbildung der jeweiligen um π phasen- verschobenen Ausgangssignale werden beispielsweise Offset- Schwankungen nahezu eliminiert.

Der Primärteilstrahl 10 durchläuft das Regelinterferometer 3, das von den beiden Regel interferometern 2,3 die kürzere Regelstrecke 28 aufweist, deren Länge zudem konstant ist. Der Primärteilstrahl 10 wird durch einen Strahlteiler 29 in zwei interferenzfähige Teilstrahlen zerlegt, wobei ein Teilstrahl an einem Retroreflektor 30 reflektiert wird, der zweite Teilstrahl entsprechend an einem Retroreflektor 31. Die in Punkt 32 vereinten Teilstrahlen überlagern sich sowohl in dem Teilstück 33 als auch dem Teilstück 34 und bilden die eigentlichen Interferenzsignale des Regelinter- ferometers 3. Diese sind gegeneinander um π phasenverscho¬ ben und ändern sich gegensinnig mit der Laserwellenlänge. Die Interferenzsignale (=Ausgangssignale) werden mittels der Fotoempfänger 35,36 detektiert. Für eine besonders vor¬ teilhafte Auswertung dieser Ausgangssignale ist es zweck¬ mäßig, die um π phasenverεchobenen, sich gegensinnig mit der Laserwellenlänge ändernden Ausgangssignale als Diffe- renzsignal innerhalb einer Wellenperiode auf den Wert Null zu regeln.

Der Primärteilstrahl 9 durchläuft dagegen das Regel interfe¬ rometer 2 mit der in diesem Beispiel zweiten Regelstrecke 37, deren Länge ebenfalls konstant ist. Im Falle von n Re¬ gelinterferometern wäre dies jedoch die n-te Regelstrecke. Der Primärteilstrahl 9 wird durch einen Strahlteiler 38 in zwei interferenzfähige Teilstrahlen zerlegt, von denen der eine an einem Retroreflektor 39, der andere an eine Retro- reflektor 40 rückreflektiert wird. Die in Punkt 41 verein¬ ten Teilstrahlen interferieren in den Teilstücken 42,43 miteinander. Die beiden um π phasenverschobene In¬ terferenzsignale werden ebenfalls von Fotoempfängern 44,45 erfaßt.

In Fig. 2 ist nun die Differenzspannung am Ausgang der bei- den Fotodetektoren 35,36 bzw. 44,45 in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufgetragen. Im oberen Bildteil ist die Diffe¬ renzspannung der Fotoempfänger 35,36 des Regel interferome¬ ters 3 mit der kürzeren Regelstrecke dargestellt, dagegen im unteren Teil die entsprechende Ausgangsspannung des Regelinterferometers 2 mit der längeren Regelstrecke 37. Die mit der Wellenlänge zunehmende Amplitude der Differenz¬ spannung beruht auf der Leistungscharakteristik der Laser¬ diode.

Bei der im oberen Bildteil dargestellten Differenzspannung sind jeweils zwei obere 46a,47a bzw. zwei untere Schwellen¬ spannungen 46b, 7b eingezeichnet, die die jeweiligen Schaltpunkte definieren, bei denen auf das nächstfolgende Regelinterferometer mit der kürzeren bzw. längeren Regel- strecke umgeschaltet wird. Im Betriebszustand des Meßinter- ferometers 1 sei zunächst das Regelinterferometer 2 mit der längeren Regelstrecke 37 aktiv. Dabei- erhielte man bei¬ spielsweise eine Differenzspannung gemäß dem unteren Bild¬ teil in Fig. 2. Im Falle einer Änderung des Betriebszustan- des, beispielsweise aufgrund von Schwankungen der Luftwellenlänge innerhalb der Regelstrecke 37, würde nun aufgrund des Überschreitens der oberen Schwellenspannung 47a oder alternativ dazu des Unterschreitens der unteren

Schwellenspannung 47b auf das Regel interferometer mit der nächstkürzeren Regelstrecke, demnach in diesem Beispiel auf das Regelinterferometer 3 umgeschaltet. Damit erhielte man nunmehr eine Ausgangsspannung entsprechend dem oberen Bild- teil. Würde danach aufgrund der Regelung die obere Schwel¬ lenspannung 47a unterschritten oder alternativ dazu die un¬ tere Schwellenspannung 47b überschritten, dann würde wieder auf das Regelinterferometer mit der nächstlängeren Regel¬ strecke, hier also das Regelinterferometer 2 zurückgeschal- tet. Im Falle des Überschreitens der oberen Schwellenspan¬ nung 46a bzw. des Unterschreitens der unteren Schwellen¬ spannung 46b würde dagegen auf das Regel interferometer mit der nächstkürzerern Regelstrecke (hier nicht dargestellt) umgeschaltet. Dieser Vorgang wiederholte sich bei jeder auftretenden Störung analog.

Bezugszeichen

Zur Vorrichtung

1 Meßinterferometer

2,3 Regel interferometer

4 Laserdiode

5,6 Primärstrahltei ler 7 Spiegel

8,9,10 Primärteilstrahl

11 Strahlteiler

12,13 Retroreflektor

14 Lambda/4-Platte 15 Meßstrecke

16 Vereinigungspunkt der interferierenden Teilstrahlen

17 Teilstrecke (Interferenz) 18,18' polarisierender Strahlteiler 19,20 phasenverschobener Teilstrahl 21,22 Fotoempfänger

23 Teilstrecke (Interferenz)

24,25 phasenverschobener Teilstrahl

26,27 Fotoempfänger

28 erste Regelstrecke 29 Strahlteiler

30,31 Retroreflektor

32 Vereinigungspunkt der interferierenden Teilstrahlen

33,34 Teilstrecke (Interferenz)

35,36 Fotoempfänger 37 2. bzw. n-te Regelstrecke

38 Strahlteiler

39,40 Retroreflektor

41 Vereinigungspunkt der interferierenden Teilstrahlen

42,43 Teilstrecke (Interferenz) 44,45 Fotoempfänger

Zum Meßverfahren

46a,47a obere Schwellenspannungen 46b,47b untere Schwellenspannungen