Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Ände¬ rungen einer variablen Interferenzs recke eines Interferome- ters unter Anwendung von Zwei-Wellenlängen-Interferometrie und optischen He erodynverf hren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anwendung dieses Verfahrens und eine Vorrichtung zur Ausübung desselben.

Zur optischen Messung von Distanzen von mehr als ein paar Kilometer erden üblicherweise Lichtimpulse verwendet, bei Distanzen zwischen ein paar Kilometer und ein paar Meter erfolgt die essung im allgemeinen mittels Phasenmessung an sinusförmig moduliertem Licht, und bei Distanzen unterhalb ein paar Meter wird meist ein mit kohärentem Licht betrie¬ benes Interferometer eingesetzt. Die optische Messung von Distanzen mit Lichtimpulsen oder sinusförmig moduliertem Licht erlaubt, eine Messgenauigkeit von etwa 1 mm bei einer Messdauer von einigen Sekunden zu erreichen. Bei der inter- ferometrischen Messung muss die Messstrecke während der Mess¬ dauer von 10 bis 100 ms innerhalb einer Wellenlänge des Lich¬ tes, d.h. auf etwa 0,1 ,um genau stabil sein: unter dieser Voraussetzung erlaubt die beispielsweise aus EP-0194941 be¬ kannte Heterodyn-Interferometrie , eine Messgenauigkeit von etwa 10 Wellenlänge, d.h. etwa 1 nm zu erreichen.

Für die Messung von Distanzen bis zu ein paar 100 Meter mit einer Genauigkeit und Empfi dlichkei von Bruchteilen eines Millimeters und einer Messdauer von 10 bis 100 ms kommt je¬ doch keines der erwähnten Verfahren in Frage. Grundsätzlich ist zwar das Problem der optischen Distanzmessung mit einer gegenüber der herkömmlichen Interferometrie reduzierten Ge¬ nauigkeit durch die sogenannte Zwei-Wellenlängen-Interferome- trie lösbar. Bei der Zwei-Wellenläncen-Interferometrie ist

die Auflösung im Gegensatz zur herkömmlichen Interferometrie nicht durch die Wellenlänge des Lichtes gegeben, sondern durch die äquivalente Wellenlänge, welche der Differenz der Lichtfrequenzen der beiden Wellenlängen entspricht. In den bekannten Ausführungsformen, wie beispielsweise mit der von R. Dändliker in "Optoelektronik in der Technik, Vorträge des 5. Internationalen Kongresses Laser 1981" (Springer-Verlag, 1982) auf Seiten 52-53 beschriebenen Einrichtung, muss jedoch die Messstrecke während der Messdauer wie bei der herkömmli¬ chen Interferometrie innerhalb einer Wellenlänge des Lichtes stabil sein, was in den meisten praktischen Fällen nicht gewährleistet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem Zwei-Wellenlängen- Interferometer eine Messgenauigkeit und Empfindlichkeit von Bruchteilen ei-nes Millimeters zu erreichen, ohne dass die Messstrecke während der Messdauer stabiler sein muss als die gewünschte Messgenauigkeit selbst. A.usserdem soll die Messung schnell erfolgen können, d.h. eine Messdauer von 10 bis 100 ms erfordern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemässe Verfah¬ ren, das durch die im Anspruch 1 angegebene Kombination von Verfahrensschritten gekennzeichnet ist. Eine Verwendung dieses Verfahrens und eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens, vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und dessen Verwendung sowie vorteilhafte Ausbildungen der Vor¬ richtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

In Kurzfassung, es werden beim erfindungsgemässen Verfahren zwei Laserstrahlen der jeweiligen Frequenz n. und n„ verwen¬ det, die ihrerseits in zwei Teilstrahlen der jeweiligen Fre¬ quenzen n, _r n„, n.+f. und n„+f geteilt werden. Es wird die Schwebung f,-f„ gebildet und deren Phase ausgewertet, indem der Unterschied der Phase dieser Schwebung vor und nach dem Durchgang durch das Michelson-Interferometer bestimmt wird.

Änderungen der Weglängen im Michelson-Interferometer bewirken eine Änderung des genannten Phasenun erschieds. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren ist beim erfindungsgemässen Ver¬ fahren diese Änderung des Phasenunterschieds nicht direkt von den jeweiligen Frequenzen n, , „ abhängig, sondern nur von deren Differenz n,-n«. Deshalb braucht die Messstrecke wäh¬ rend der Messdauer nur in bezug auf die äquivalente ellen¬ länge der Differenzfrequenz n,- ₂ und nicht in bezug auf die viel kleineren Wellenlängen der optischen Frequenzen n ₁ und n„ stabil zu sein. Ausserdem ist es sowohl mit einem Paar von Laserdioden als auch mit einem auf zwei Frequenzen emittie¬ renden Laser leichter bzw. mit einem kleineren relativen Feh¬ ler erreichbar, die Differenz n.-n„ konstantzuhalten als die einzelnen Frequenzen n. , n„ selbst.

Zwar ist die Verwendung des Phasensignals zur Stabilisierung der Laserfrequenz beispielsweise aus W0-85/04009 bekannt. In W0-85/04009 wird jedoch die Verwendung eines He-Ne-Lasers beschrieben, der unter Ausnutzung des Zeeman-Effektes zwei orthogonal polarisierte Lichtstrahlen von geringer Frequenz¬ differenz (typisch 1 MHz) liefert. Ein solcher He-Ne-Laser kann anstelle der aus aus EP-0194941 bekannten Anordnung als Lichtquelle für klassische Heterodyn-In erferometer verwendet werden, ist aber nicht geeignet, die beiden in der vorliegen¬ den Erfindungen benötigten optischen Frequenzen n, und n„ zu liefern: die beiden vom Zeeman-Effekt erzeugten Frequenzen sind nämlich wenig verschieden (n,-n„ = 1 MHz) und daher ist ihre äquivalente Wellenlänge von c/(n -n„) = 300 m zur Verwendung im Zusammenhang mit der Erfindung zu lang.

Im nachstehenden werden Beispiele des Verfahrens, der Vor¬ richtung und der Anwendung unter Bezugnahme auf die Zeich¬ nungen näher beschrieben. In den Zeichnungen werden gleiche oder einander entsprechende Teile mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema einer ersten Ausbildung eines optischen Teils der erfindungsgemässen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Blockschema eines elektrischen Teils der erfindungsgemässen Vorrichtung,

»

Fig. 3 ein Prinzipschema einer zweiten Ausbildung des optischen Teils der erfindungsgemässen Vorrichtung, und

Fig„ 4 ein Prinzipschema einer dritten Ausbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzipschema der erfindungsgemäs¬ sen Vorrichtung zeigt eine Lasereinrichtung, die eine Laser¬ lichtquelle 10 zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls 11 der Frequenz n, und eine Laserlichtquelle 20 zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls 21 der Frequenz „ umfasst. Es kann sich bei diesen Laserlichtquellen 10 und 20, die unter anderem Laserdioden sein können, um zwei separate Laserlichtquellen handeln. Die Lasereinrichtung kann aber auch aus einer einzi¬ gen Laserlichtquelle bestehen, die fähig ist, gleichzeitig die beiden Laserstrahlen der Frequenzen n, und n„ zu erzeu¬ gen, beispielsweise aus einem He-Ne-Laser ^" oder ^" aus einem Ar- Laser unter Benutzung von verschiedenen Linien oder von zwei Modi derselben Linie. Bei He-Ne-Lasern beträgt der Modenab¬ stand typischerweise n,—n~ = 600 MHz, was einer äquivalenten Wellenlänge von c/(n,— „) = 0,5 m entspricht. Stabilisierte He-Ne-Laser, die zwei Modi mit orthogonaler Polarisation lie¬ fern, was ermöglicht, die beiden Frequenzen n.. und n„ ausser- halb des Lasers zu trennen, sind im Handel erhältlich. Bei Ar-Lasern beträgt der Modenabstand typischerweise n..-n.- = 6 GHz, was einer äquivalenten Wellenlänge von c/(n,-n„) = 50 mm entspricht: daher werden im Zusammenhang mit der Erfindung eher zwei getrennte Ar-Laser mit entsprechend abgestimmten internen Etalons verwendet. Bei Laserdioden kann die Frequenz

durch Änderung des Anregungsstromes in einem Bereich von etwa ^' 60 GHz kontinuierlich geändert werden, was einer äquivalenten Wellenlänge von c/(n.-n„) = 5 mm entspricht und die weiter unten beschriebene Weiterbildung des erfindungsgemässen Ver¬ fahrens, nämlich die absolute Distanzmessung mittels Änderung der Laserfrequenz und Integration der Phasendifferenz, ermög¬ licht.

Der Laserlichtstrahl 11 der Frequenz n. trifft auf ein als polarisierender Halbspiegel wirkendes optisches Element 12, das im dargestellten Beispiel ein polarisierender Strahlen¬ teiler in der Gestalt eines Würfelprismas ist. Aus dem opti¬ schen Element 12 treten, rechtwinklig zueinander, zwei ge¬ kreuzt polarisierte Teilstrahlen 13 und 14 aus (die Polarisa¬ tionsrichtungen sind auf den Lichtstrahlen mit den dafür üblichen Zeichen dargestellt). Der Teilstrahl 13 trifft auf einen Umlenkspiegel " 15 , und der rechtwinklig umgelenkte Teil¬ strahl trifft auf ein als polarisierender Halbspiegel wirken¬ des optisches Element 16, das im dargestellten Beispiel dem optischen Element 12 gleich ist. Seinerseits trifft der Teil¬ strahl 14 auf einen Umlenkspiegel 17, und der rechtwinklig umgelenkte Teilstrahl trifft ebenfalls auf das optische Ele¬ ment 16.

Auf dem Teilstrahl 13 ist zwischen dem optischen Element 12 und dem Umlenkspiegel 15 ein Modulator 18 angeordnet, der im dargestellten Beispiel als akusto-optischer Modulator ausge¬ bildet ist. Der Modulator 18 verschiebt die Frequenz n des Teilstrahls 13 um die Frequenz f. auf die Frequenz n..+f, .

Das als polarisierender Halbspiegel wirkende optische Element 16 ist so gewählt, dass die darauf eintreffenden Teilstrahlen 13 und 14 aus dem optischen Element 16 vereinigt aber mit gekreuzter Polarisation austreten, und daher als vereinigtes Teilstrahlenpaar 19 der Frequenz n- mit der einen Polarisa¬ tionsrichtung und der Frequenz n..+f, mit der anderen Polari-

sationsrichtung weiterlaufen.

Wie in Fig. 1 ersichtlich, wird die vorstehend beschriebene Einrichtung mit den Bezugszeichen 10 bis 19 im Doppel ausge¬ führt. Die zweite Ausführung ist mit den Bezugszeichen 20 bis 29 versehen, und die so bezeichneten Elemente sind den je¬ weils entsprechenden Elementen 10 bis 19 gleich, mit folgen¬ den Ausnahmen: in der zweiten Ausführung hat der Laserlicht¬ strahl 21 der Laserlichtquelle 20 eine Frequenz n„, der Modu¬ lator 28 verschiebt die Frequenz des Teilstrahls 23 um die Frequenz f„ auf die Frequenz n„+f„, und das vereinigte Teil¬ strahlenpaar 29 umfasst Teilstrahlen der Frequenz n„ mit der einen Polarisationsrichtung und Teilstrahlen der Frequenz n„-f-f ₉ mit der anderen Polarisationsrichtung.

Das Teilstrahlenpaar 19 und das Teilstrahlenpaar 29 treffen beide auf ein als nichtpolarisierender Halbspiegel wirkendes optisches Element 30, das im dargestellten Beispiel ein nichtpolarisierender Strahlenteiler in der Gestalt eines Wür¬ felprismas ist. In Fig. 1 wird dargestellt, dass das Teil¬ strahlenpaar 29 zwischen den optischen Elementen 26 und 30 von einem Umlenkspiegel 31 rechtwinklig umgelenkt wird, dies ist aber entbehrlich, wenn die beiden Ausführungen mit den Bezugszeichen 10 bis 19 und 20 bis 29 zueinander um 90° ver¬ dreht angeordnet sind.

Das optische Element 30 teilt die Teilstrahlen des Teilstrah¬ lenpaares 19 mit den Frequenzen n. und n,+f, in ein Strahlen¬ bündel von Messlichtstrahlen 32 und die Teilstrahlen des Teilstrahlenpaares 29 mit den Frequenzen „ und _^ +f« in ein Strahlenbündel von Referenzlichtstrahlen 33. Die Messlicht¬ strahlen 32 und die Referenzlichtstrahlen 33 treten recht¬ winklig zueinander aus dem optischen Element 30 aus.

Die Referenzlichtstrahlen 33 treffen auf einen Polarisator 34 und danach auf einen Fotodetektor 35. Die Messlichtstrahlen

32 treffen auf ein als polarisierender Halbspiegel wirkendes optisches Element 40, das im dargestell en Beispiel ein pola¬ risierender Strahlenteiler in der Gestalt eines Würfelprismas ist. Dieses optische Element 40 bildet den zentralen Halb¬ spiegel und damit den optischen Eingang und den optischen Ausgang eines Michelson-Interferometers . Das optische Element 40 teilt die Messlichtstrahlen 32 in zwei Teilstrahlen etwa gleicher Lichtintensität und führt diese Teilstrahlen in je einen von zwei Armen des Michelson-Interferometers ein. Im einen Arm des Michelson-Interferometers , der zum Messarm be¬ stimmt ist, ist ein entsprechend dem Pfeilepaar 47 bewegli¬ cher Spiegel 41 und im anderen Arm, der zum Referenzarm be¬ stimmt ist, ein feststehender Spiegel 42 angeordnet. Die am optischen Element 40 aus dem optischen Ausgang des Michelson- Interferometers austretenden Messlichtstrahlen 43 treffen auf einen Polarisator 44 und danach auf einen Fotodetektor 45.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausbildung erfolgt die räum¬ liche Trennung der aus dem Michelson-Interferometer austre¬ tenden Messlichtstrahlen 43 von den in das Michelson-Interfe¬ rometer eintretenden Messlichtstrahlen 32 dadurch, dass in jeden Arm des Michelson-Interferometers je eine Viertelwel¬ lenplatte 48, 49 angeordnet ist. In jedem Arm des Michelson- Interferometers bewirkt der zweimalige Durchgang der Teil¬ strahlen durch die jeweilige Vier elwellenplatte 48, 49 eine Drehung der Polarisation, welche die gewünschte, in Fig. 1 dargestellte Umlenkung der jeweiligen Lichtstrahlen am pola¬ risierenden optischen Element 40 bewirkt.

Die Polarisatoren 34 und 44 erfüllen die Aufgabe, die beiden verschieden polarisierten Anteile der Referenzlichtstrahlen 33 und der Messlichtstrahlen 43 zum Interferieren zu bringen Die Polarisatoren 34 und 44 sind im darges ellten Beispiel Linearpolarisatoren , die unter 45° bezüglich der beiden Pola¬ risationen der Referenzlichtstrahlen 33 bzw. der Messlicht¬ strahlen 43 angeordnet sind.

Der Fotodetektor 35 wandelt die nach dem Polarisator 34 interferierenden Referenzlichtstrahlen 33 in ein elektrisches Signal R(t), und der Fotodetektor 45 wandelt die nach dem Polarisator 44 interferierenden Messlichtstrahlen 43 in ein elektrisches Signal I(t). Diese beiden Signale I(t) bzw. R(t) werden, wie in Fig. 2 dargestellt, je einer dem Fotodetektor 35 bzw. 45 zugeordneten Demodulationseinrichtung 36 bzw. 46 zugeführt und darin nach dem Quadrat der Amplitude demodu¬ liert. Die Demodulationseinrichtungen 36 bzw. 46 können in einer an sich bekannten Variante das jeweilige Signal I(t) bzw. R(t) mit sich selbst mischen, d.h. multiplizieren, was einem quadrieren gleichkommt. In einer anderen an sich be¬ kannten Variante können die Demodulationseinrichtungen 36 bzw. 46 als sogenannter quadratischer Detektor das jeweilige Signal I(t) bzw. R t) gleichrichten und glätten.

Die beiden demodulierten Signale aus den Demodulationsein¬ richtungen 36 bzw. 46 werden einer Einrichtung 50 zur Messung der Phasendifferenz zwischen den beiden demodulierten Signa¬ len zugeführt. Die Phasendifferenz kann auf einer Anzeige 51 angezeigt werden, sie kann aber auch für andere Zwecke ver¬ wendet werden, die im nachstehenden noch erläutert werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Prinzipschema einer zweiten Aus¬ bildung des optischen Teils der erfindungsgemässen Vorrich¬ tung weicht in folgenden Merkmalen von der bereits beschrie¬ benen ersten Ausbildung ab. Anstelle der Spiegel 41 und 42 wird in Fig. 3 gezeigt, dass auch Reflexionsprismen oder Tripelprismen, wie bei 61 dargestellt, und Tripelspiegel oder entsprechend ausgebildete, mit reflektierenden Flächen verse¬ hene Gebilde, wie bei 62 dargestellt, verwendet werden kön¬ nen.

Wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, in den beiden Armen des Michelson-Interferometers die Wege der Teilstrahlen vor der Spiegelung bzw. Streuung am Ende des jeweiligen Armes von den

Wegen der Teilstrahlen nach der Spiegelung bzw. Streuung räumlich getrennt sind, wird die Drehung der Polarisation durch die jeweilige Viertelwellenplatte 48, 49 nicht benö¬ tigt, daher sind diese Viertelwellenplatten 48, 49 in Fig. 3 nicht eingezeichnet. Bei relativ kleiner räumlicher Trennung der Wege der Teilstrahlen kann das am Eingang des Michelson- Interferometers verwendete optische Element 40 auch am Aus¬ gang verwendet werden, wobei es zweckmässig sein kann, wie in Fig. 3 dargestellt die aus dem Michelson-Interferometer aus¬ tretenden Lichstrahlen von einem Spiegel 60 umlenken zu lassen. Bei grösserer räumlicher Trennung der Wege der Teil¬ strahlen kann auf nicht dargestellte Weise am Ausgang des Michelson-Interferometers ein anderes polarisierendes opti¬ sches Element als das am Eingang angeordnete optische Element 40 verwendet werden, wobei diese beiden optischen ^' Elemente im wesentlichen einander gleich sind.

Wie erwähnt ist bei der in Fig. 1 und 3 dargestellten Aus¬ bildung am Ende jeden Armes des Michelson-Interferometers je ein reflektierendes Element 41, 42 bzw. 61, 62 angeordnet. Anstelle des beweglichen Elementes 41 bzw. 61 könnte im Mess¬ arm ein beliebiges retroreflektierendes Element verwendet werden, beispielsweise eine Glaskugel oder eine Suspension von Glaskügelchen in einem Kunststoff oder noch, in Erweite¬ rung dieser Variante, ein in die Lichteinfallrichtung zurück¬ streuendes optisches Element wie ein sogenanntes reflektie¬ rendes Klebeband.

In Fig. 4 wird eine Weiterbildung der erfindungsgemässen Vor¬ richtung gezeigt. Die gesamte bisher beschriebene Vorrichtung liegt in doppelter Ausführung 71 bz . 72 vor, obei, zur Klarheit der weiter unten folgenden Erläuterung, die entspre¬ chenden Einrichtungen zur Messung der Phasendifferenz separat dargestellt und mit 50 bzw. 75 bezeichnet werden. Auch die Anzeige 51 wird dargestellt. In der einen Vorrichtung 71 umfasst das Michelson-Interferometer die variable Interfe-

renzstrecke mit dem (entsprechend dem Pfeilepaar 47 bewegli¬ chen) Spiegel 41 oder mit dessen Äquivalent 61. In der ande¬ ren Vorrichtung 72 umfasst das Michelson-Interferometer nur stabile Referenzstrecken. Diese können beispielsweise als optische Faser von konstanter optischer Länge ausgebildet sein.

In Fig. 4 ist eine einzige Lasereinrichtung 70 dargestellt. Diese Lasereinrichtung 70 kann aus einer einzigen Laserlicht¬ quelle bestehen, die fähig ist, gleichzeitig die beiden Laserstrahlen der Frequenzen n, und n„ zu erzeugen: wie be¬ reits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, kann es sich beispielsweise um einen He-Ne-Laser oder einem Ar-Laser unter Ausnutzung von verschiedenen Linien oder von zwei Modi derselben Linie handeln. Die Lasereinrichtung 70 kann aber auch in Fig. 4 stellvertretend für zwei separate Laserlicht¬ quellen, die unter anderem Laserdioden sein können, verstan¬ den werden. Wichtig ist, dass die Lasereinrichtung -70 fähig ist, einen Lichtstrahl als Vereinigung von Teilstrahlen der Frequenzen n, und n.- zu erzeugen.

Das Laserlicht der Lasereinrichtung 70 wird durch ein als nichtpolarisierender Halbspiegel wirkendes optisches Element 73, das im dargestellten Beispiel ein nichtpolarisierender Strahlenteiler in der Gestalt eines Würfelprismas ist, in zwei Teilstrahlen geteilt. Nach geeigneter Umlenkung bei¬ spielsweise eines dieser Teilstrahlen durch den Spiegel 74, werden diese Teilstrahlen der jeweiligen Vorrichtung 71, 72 zugeführt. Diese Teilstrahlen sind also in Fig. 4 stellver¬ tretend für die beiden Lichtstrahlen 10 und 20 der Fig. 1 oder 3.

Die Vorrichtung 72 mit den stabilen Referenzstrecken dient zur Korrektur der Messwerte und/oder zur Stabilisierung der Laserlichtquelle der Lasereinrich ung 70.

Zur Korrektur der in der Vorrichtung 71 gemessenen, an der Phasenmesseinrichtung 50 gebildeten und an der Anzeige 51 angegebenen Phasendifferenz kann eine Rückführung der in der Vorrichtung 72 gemessenen und an der Phasenmesseinrichtung 75 gebildeten Phasendifferenz auf einen Rechner 76 erfolgen. Die im Rechner 76 berechnete Korrektur kann entweder einer Bedie¬ nungsperson durch Anzeige mitgeteilt oder, wie es in Fig. 4 mit einer gestrichelten Linie dargestellt wird, zur Beeinflussung der Anzeige 51 auf diese rückgeführt werden.

Zur Stabilisierung der Laserlichtquelle der Lasereinrichtung 70 kann in einer Steuerungsschleife eine Rückführung der in der Vorrichtung 72 gemessenen und an der Phasenmesseinrich- tung 75 gebildeten Phasendifferenz auf die Lasereinrichtung 70 erfolgen. Wie eingangs erwähnt, ist die Verwendung eines Phasensignals zur Stabilisierung einer Laserfrequenz bei¬ spielsweise aus W0-85/04009 bekannt, daher braucht die vor¬ stehend erwähnte Steuerungsschleife hier nicht näher be¬ schrieben zu werden. Bei Verwendung von Laserdioden erfolgt die Stabilisierung der Laserfrequenz zweckmässigerweise über die Änderung des Anregungsstromes.

Das den beschriebenen Vorrichtungen zu Grunde liegende Ver¬ fahren kann wie folgt zusammengefasst werden (die einzelnen Schritte des Verfahrens sind bei der Beschreibung der Vor¬ richtungen bereits erläutert worden).

Je ein Laserlichtstrahl der Frequenz n, bzw. n„ werden in zwei zueinander gekreuzt polarisierte Teilstrahlen geteilt. Die Frequenz des einen Teilstrahls wird um die Frequenz f, bzw. f„ verschoben. Somit entsteht je ein Teilstrahlenpaar n- , n-i+f-i bzw. n„ , n„+f„. Bei Verwendung von Ar-Lasern unter Benutzung von zwei Modi gilt etwa n. -n„ = 6 GHz, und bei Ver¬ wendung eines C0„-Lasers unter Benutzung von zwei Rotations¬ übergängen gilt etwa n.-n„ = 50 GHz. Mit Laserdioden erreicht man beispielsweise n.-n„ = 30 GHz. Bei Verwendung von akusto-

optischen Modulatoren sind beispielsweise f. = 40,0 MHz und f = 40,1 MHz zweckmässig.

Beide Teilstrahlenpaare werden vereinigt, dann gemeinsam über ein Michelson-Interferometer und schliesslich über einen Polarisator zu einem Fotodetektor geführt. Die Teilstrahlen interferieren vor dem Fotodetektor miteinander, wobei Schwe¬ bungen der Frequenz f ₁ bzw. i„ entstehen, die vom Fotodektor erfasst werden.

Äusserdem wird ein Anteil der vereinigten Teilstrahlen vor ihrem Eingang in das Michelson-Interferometer zu einem ande¬ ren Fotodetektor abgezweigt. Auch hier interferieren die Teilstrahlen vor dem Fotodetektor miteinander, wobei Schwe¬ bungen der Frequenz f.. bzw. f„ entstehen, die von diesem anderen Fotodektor erfasst werden.

Die Gleichungen, welche die Signale I(t) und R(t) der beiden Fotodetektoren beschreiben, sind von der Form

I(t) = a _Q + a-cos(2ιrf t+0,) + a„cos(2τrf ₂ t-r-0„)

R(t) = a _Q + a, cos(2τrf.t) + a„cos(2τff„t)

worin 0. und 0„ die optische Phasenverschiebung der Signale auf den Frequenzen n, und n„ beim Durchgang durch das Inter¬ ferometer bedeuten. Bei einer Wegdifferenz L und einer Licht¬ geschwindigkeit c im Interferometer beträgt diese Phasenver¬ schiebung

0- _^ = 4τTn ₁ L/c

0 ₂ = 4Tfn ₂ L/c

Wie ersichtlich sind diese Phasen von den jeweiligen Frequen¬ zen n, , n„ abhängig. Daher werden die Signale der beiden Fotodetektoren jeweils nach dem Quadrat ihrer Amplitude demo¬ duliert. Es entsteht dabei je ein demoduliertes Signal der

Frequenz f -f . Die Gleichungen, welche diese Signale be¬ schreiben, sind von der Form

I ( t ) = _a ; + a ₁ a ₂ cos [ ( 2τf( f ₁ - f ₂ ) t + ( 0 ₁ -0 ₂ ) ]

9 9

R ^" ( t ) = a _Q + . . . + a ₁ a ₂ c os [ ( 2tr( f -f ₉ ) t ]

Somit kann die Phasendifferenz 0.-0„ direkt am Wert von I (t) bei der Frequenz f.-f_ gemessen werden, wobei R 2(t) die

Phasenreferenz (Nullwert) liefert. Man erhält:

0 _χ -0 ₂ = 4tr(n ₁ -n ₂ )L/c

Diese Phasendifferenz variiert linear mit den Änderungen des optischen Weges, und sie ist nur von der Frequenzdifferenz n,-n ₉ , nicht aber direkt von den jeweiligen Frequenzen n. , n„ abhängig. Man braucht also die Frequenzen n, , ^' n nicht ein¬ zeln, sondern nur deren Differenz zu stabilisieren. Mit den als Beispiel angegebenen Werten gilt f,-f„ = 100 KHz, und die Phasendifferenz 0.. -0„ kann mit einer Auflösung von einigen Tausendstel Radian gemessen werden. Damit ist eine Auflösung von einigen Zehn Mikrometer in einem Messbereich bis zu eini¬ gen Hundert Millimeter erreichbar.

Zur Stabilisierung der Frequenzen n.. und n des Laserlichts oder direkt der Frequenzdifferenz n--n„ kann man das Verfah¬ ren mit einer einzigen Laserlichtquelle simultan im Doppel ausführen. Das eine Michelson-Interferometer enthält dann die variable Interferenzstrecke und das andere nur stabile Refe¬ renzstrecken. Die aus dem Michelson-Interferometer mit den stabilen Referenzstrecken gewonnene Phasendifferenz wird in einer Steuerungsschleife auf die Laserlichtquelle rückgekop¬ pelt. Anstelle der Steuerungsschleife kann ein Rechner einge¬ setzt werden, der den Messwert direkt korrigiert oder einer Bedienungsperson einen Korrekturwert liefert.

Das Verfahren Ist zur Bestimmung von Positionen oder von Dis- ^~ tanzen als Abstand zweier Positionen anwendbar. Zur Behebung der inhärenten Ungewissheit der Distanzmessung um eine Anzahl von Wellenlängen der Frequenzdifferenz n.-n„ kann die zu mes¬ sende Distanz abgefahren werden, oder man kann die Frequenz eines der Laserlichtstrahlen als Funktion der Zeit ändern, während man gleichzeitig das Zeitintegral der gemessenen Pha¬ sendifferenz bildet. Dieses Zeitintegral variiert dann linear mit der gemessenen Position. Eine entsprechende Rechnerein¬ richtung kann sowohl die Frequenzänderung steuern als auch das Zeitintegral bilden sowie gegebenfalls zur Anzeige lie¬ fern: diese Rechnereinrichtung kann beispielsweise der Rech¬ ner 76 sein, der zu diesen Zwecken (wie in Fig. 4 mit einer gestrichelten Linie dargestellt) mit der Phasenmesseinrich- tung 50, der Lasereinrichtung 70 (oder 10 und 20 in Fig. 1 und 3) und gegebenenfalls mit der Anzeige 51 verbunden ist.

Das Verfahren ermöglicht, Messungen in Bruchteilen von Sekun¬ den durchzuführen, ist also für industrielle Anwendungen gut geeignet.

Das erfindungsgemässe Verfahren, dessen erfindungsgemässe Anwendung und die erfindungsgemässe Vorrichtung sind nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, welche nur der Erläuterung und Veranscha ^* ulichung der Erfindung dienen. Viel¬ mehr erstreckt sich die Erfindung auf alle Varianten und Äquivalente, die von den Patentansprüchen umfasst werden.