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DE4325758A1 - Phase-modulated interferometer III - Google Patents

Phase-modulated interferometer III

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DE4325758A1
DE4325758A1 DE19934325758 DE4325758A DE4325758A1 DE 4325758 A1 DE4325758 A1 DE 4325758A1 DE 19934325758 DE19934325758 DE 19934325758 DE 4325758 A DE4325758 A DE 4325758A DE 4325758 A1 DE4325758 A1 DE 4325758A1
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DE
Germany
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phase
signal
sin
cos
signals
Prior art date
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Application number
DE19934325758
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German (de)
Inventor
Ehrhard Dammann
Juergen Bauer
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Jenoptik AG
Original Assignee
Jenoptik Jena GmbH
Jenoptik AG
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Publication date
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Priority claimed from DE19934305458 external-priority patent/DE4305458C2/en
Application filed by Jenoptik Jena GmbH, Jenoptik AG filed Critical Jenoptik Jena GmbH
Priority to DE19934325758 priority patent/DE4325758A1/en
Priority to EP94109650A priority patent/EP0636858A1/en
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Abstract

The invention relates to a phase-modulated interferometer for evaluating phase shifts on the basis of variations in optical wavelengths in the measuring arm of the interferometer. The object of realising a phase-modulated interferometer which generates the sin-cos signals which are usual in length measuring systems and makes them available as conventional interface, is achieved according to the invention in conjunction with sinusoidal driving of the phase modulator (11) by admixing with the split superimposed signal from the reference arm (12) and the measuring arm (13) in a separate and mutually parallel fashion in each case sinusoidal signals of the form sin [(2n-1) omega t] and cos (2m omega t) which are coupled to the drive signal of the phase modulator in a phase-locked and frequency-locked manner. After filtering by means of two low-pass filters (51, 52), the conventional quadrature signals are available at an interface (5). The invention is preferably used for precision length measuring systems based on a heterodyne evaluation. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein phasenmoduliertes Interferometer zur Auswertung von Phasenverschiebungen aufgrund von Änderungen optischer Weglängen im Meßarm des Interferometers. Insbesondere findet sie Anwendung für Präzisionslängenmeßsysteme, die vorzugsweise das Heterodynverfahren zur Auswertung verwenden.The invention relates to a phase-modulated interferometer for evaluating Phase shifts due to changes in optical path lengths in the measuring arm of the interferometer. In particular, it is used for Precision length measuring systems, which preferably use the heterodyne method Use evaluation.

Präzisionslängenmeßsysteme, basierend auf Interferometern, sind seit Einführung des Lasers bekannt. Prinzipiell wird zwischen homodynen und heterodynen Auswerteverfahren unterschieden. Heterodynverfahren werden im allgemeinen bevorzugt aufgrund ihrer Möglichkeit des Vor- und Rückwärtszählens und der infolge verschwindenden Gleichlichtanteils hohen Interpolation. Derzeit wird ausschließlich die Einseitenbanddetektion zur Auswertung genutzt. Zur Erzeugung eines Seitenbandes bzw. zur räumlichen Trennung der Seitenbänder werden Zeemann-Aufspaltung oder Braggablenkung genutzt. Bei integrierten optischen Heterodyninterferometern kann neben der Strahlteilung und -rekombination auch eine Frequenz- oder Phasenmodulation vorgenommen werden. Wegen der Stabilität und der aufwendigen Abbildung von monomodigen Streifenwellenleitern auf Schichtwellenleitern und umgekehrt mit Hilfe von Tapern, Linsen oder Gittern werden Interferometer mit durchgehenden Streifenwellenleitern angestrebt. Dadurch entfällt jedoch die akustooptische Braggablenkung zur räumlichen Trennung der Seitenbänder. Auf der Grundlage des elektrooptischen Effekts läßt sich im Streifenwellenleiter eine Phasenmodulation realisieren. Bei genau definierter elektrischer Ansteuerung des Modulators kann eine Seitenbandunterdrückung erreicht werden. So beschreibt VOGES u. a. in IEEE Journ. Quant. Electr. QE-18 (1982), S. 124-129 eine definierte elektrische Ansteuerung des Modulators durch Sägezahnimpulse mit definiertem Rücklauf und erreicht damit eine Seitenbandunterdrückung von 40 dB.Precision length measuring systems based on interferometers have been in existence since the introduction known of the laser. In principle, there is a distinction between homodyne and heterodyne Differentiated evaluation methods. Heterodyne processes are generally preferred due to their possibility of counting up and down and the due to vanishing constant light component high interpolation. Is currently only the single sideband detection is used for evaluation. For generation a sideband or for spatial separation of the sidebands Zeemann splitting or Bragga deflection used. With integrated optical In addition to beam splitting and recombination, heterodyne interferometers can also frequency or phase modulation can be carried out. Because of the stability and the elaborate image of single-mode strip waveguides Layer waveguides and vice versa with the help of tapers, lenses or gratings interferometers with continuous strip waveguides are aimed for. Thereby However, the acousto-optical Bragg deflection for spatial separation of the Sidebands. Based on the electro-optical effect, the Strip waveguides implement phase modulation. With exactly defined electrical control of the modulator can suppress sideband can be achieved. VOGES describes a. in IEEE Journ. Quant. Electr. QE-18 (1982), pp. 124-129 a defined electrical control of the modulator by Sawtooth pulses with a defined return and thus achieve one Sideband suppression of 40 dB.

Die Erzeugung solcher Ansteuersignale ist jedoch aufwendig und erfordert sehr hohen Regelaufwand.However, the generation of such control signals is complex and requires a great deal high control effort.

Außerdem verwenden alle auf dem Markt gängigen Längenmeßsysteme, wie auch Interferometer, sin-cos-Ausgänge als Standardschnittstelle für eine nachfolgende Vor-/Rückwärtserkennung. Diese Schnittstelle hat sich in den letzten Jahren bei den Anwendern durchgesetzt, wobei die sin-cos-Signale als Rechteckimpulse oder als Analogsignale zur Verfügung gestellt werden. Die heterodyne Auswertung von Interferometern beinhaltet jedoch bereits die Vor-/Rückwärtserkennung und liefert keine sin-cos-Signale, wodurch die o. g. Schnittstelle nicht zur Verfügung gestellt werden kann.In addition, all length measuring systems on the market use, as well Interferometer, sin-cos outputs as a standard interface for a subsequent one Forward / backward detection. This interface has changed in recent years Enforced users, the sin-cos signals as rectangular pulses or as Analog signals are made available. The heterodyne evaluation of Interferometers already include the forward / backward detection and delivers  no sin-cos signals, which means that the above-mentioned Interface not provided can be.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein phasenmoduliertes Interferometer zu realisieren, das die herkömmlichen sin-cos-Signale erzeugt und diese als übliche Schnittstelle zur Verfügung stellt.The invention is therefore based on the object of a phase-modulated Realize interferometer that generates the conventional sin-cos signals and provides this as a common interface.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem phasenmodulierten Interferometer mit Meßarm und Referenzarm, in dem in mindestens einem der Interferometerarme ein Phasenmodulator zur Phasenmodulation der optischen Strahlung angeordnet ist und in dem ein Detektor zur Aufnahme eines optischen Überlagerungssignals aus Meß- und Referenzarm vorhanden ist, wobei dem Detektor eine Auswerteelektronik zur Ermittlung der Phasenverschiebung des Meßarm-Signals nachgeordnet ist, dadurch gelöst, daß im Signalweg des Überlagerungssignals Mittel zur parallelen Multiplikation mit Sinussignalen vorhanden sind, wobei diese Sinussignale phasen- und frequenzstarr mit einem ebenfalls sinusförmigen Ansteuersignal des Phasenmodulators (11) gekoppelt sind und in zwei aufgespaltenen Signalwegen getrennt, parallel dem Überlagerungssignal beigemischt werden, daß die Sinussignale die allgemeine FormThe object is achieved according to the invention in a phase-modulated interferometer with measuring arm and reference arm, in which a phase modulator for phase modulation of the optical radiation is arranged in at least one of the interferometer arms and in which a detector for recording an optical superposition signal from the measuring and reference arm is present, the detector An electronic evaluation unit for determining the phase shift of the measuring arm signal is arranged downstream, in that means for parallel multiplication with sinusoidal signals are present in the signal path of the superimposed signal, these sinusoidal signals being phase and frequency-locked with a likewise sinusoidal drive signal of the phase modulator ( 11 ) and separated into two split signal paths, mixed in parallel with the beat signal, that the sinusoidal signals have the general form

S₁ = sin [(2n-1)ωt] und
S₂ = cos (2mωt) mit m, n = 1, 2, 3 . . .
S₁ = sin [(2n-1) ωt] and
S₂ = cos (2mωt) with m, n = 1, 2, 3. . .

aufweisen, wobei ω die Frequenz des sinusförmigen Ansteuersignals am Phasenmodulator (11) ist, und daß den Mitteln zur parallelen Multiplikation nachfolgend jeweils ein Tiefpaßfilter (51, 52) angeordnet ist, dessen Ausgänge Gleichlichtanteile der Formhave, where ω is the frequency of the sinusoidal drive signal at the phase modulator ( 11 ), and that the means for parallel multiplication are each followed by a low-pass filter ( 51 , 52 ), the outputs of which form uniform light components

Sgl1 = J2n-1 (2Φ)sin 2kx und
Sgl2 = J2m (2Φ) cos 2kx  m, n = 1, 2, 3 . . .
S gl1 = J 2n-1 (2Φ) sin 2kx and
S gl2 = J 2m (2Φ) cos 2kx m, n = 1, 2, 3. . .

liefern, wobei die Ji - Besselfunktion i-ter Ordnung, Φ die geeignet eingestellte Modulationstiefe am Phasenmodulator, k die Wellenzahl und x die Ortskoordinate sind und die Gleichlichtanteile herkömmliche Quadratursignale darstellen, die in bekannter Weise auf Phasenverschiebung analysierbar sind und auf eine übliche sin­ cos-Schnittstelle geführt werden.deliver, with the J i - B-th function of the i-th order, geeignet the suitably set modulation depth on the phase modulator, k the wave number and x the location coordinate and the constant light components represent conventional quadrature signals that can be analyzed in a known manner for phase shift and for a common sin cos Interface.

Um an der sin-cos-Schnittstelle die gewünschten üblichen Quadratursignale zu erhalten, wird der Phasenmodulator zweckmäßig so eingestellt, daß er seinen Arbeitspunkt durch Wahl der Modulationstiefe bei J2n-1 (2Φ) = J2m (2Φ) hat, wobei m und n mit den Werten aus den obigen Gleichungen übereinstimmen.In order to obtain the desired usual quadrature signals at the sin-cos interface, the phase modulator is expediently set so that it has its operating point by choosing the modulation depth at J 2n-1 (2Φ) = J 2m (2Φ), where m and n agree with the values from the equations above.

Die Mittel zur parallelen Multiplikation sind vorzugsweise so beschaltet, daß das eine mit einem Sinusgenerator in Verbindung steht, und das andere gemeinsam mit dem Phasenmodulator über einen Frequenzteiler mit π/2-Phasenverschiebung mit demselben Sinusgenerator verbunden ist.The means for parallel multiplication are preferably connected so that the one connected to a sine wave generator and the other together  the phase modulator with a frequency divider with π / 2 phase shift the same sine generator is connected.

Vorzugsweise sind die Mittel zur Multiplikation dem Detektor folgende Multiplizierer, wobei jedem Multiplizierer ein Tiefpaßfilter nachgeordnet ist. Zweckmäßig können jedoch auch integriert optische Modulatoren und Phasenschieber im aufgespaltenen Lichtweg des Überlagerungssignals vor zwei separaten Detektoren angeordnet sein, wobei die optischen Modulatoren die Beimischung der Sinus- und Kosinussignale zum Überlagerungssignal des Interferometers übernehmen.The multiplication means are preferably as follows for the detector Multiplier, with each multiplier being followed by a low-pass filter. However, optical modulators and Phase shifter in the split light path of the beat signal before two separate detectors, the optical modulators being arranged Addition of the sine and cosine signals to the beat signal of the Take over interferometers.

Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Überlegung, durch eine reine Sinusmodulation des Phasenmodulators eines Interferometers zu in üblicher Weise auswertbaren sin-cos-Signalen zu gelangen. Dazu erfolgt die Sinusansteuerung mit einem Signal der FormThe basic idea of the invention is based on a pure consideration Sinus modulation of the phase modulator of an interferometer in the usual way evaluable sin-cos signals. For this, the sine control is carried out with a signal of form

ϕ(t) = Φωt,ϕ (t) = Φωt,

wobei ϕ (t) das Modulationssignal, Φ der Phasenhub (die Amplitude), ω die Modulationsfrequenz und t die Zeit bedeuten. Diese Ansteuerung führt zur Anregung von Seitenbändern im Spektrum des Detektorswhere ϕ (t) the modulation signal, Φ the phase shift (the amplitude), ω the Modulation frequency and t mean time. This control leads to Excitation of sidebands in the spectrum of the detector

Eine direkte Auswertung dieser Seitenbänder zur Bestimmung der Phasenlage ist nicht möglich, da auch nach einer Frequenzfilterung das Signal mit einer Ortsfrequenz moduliert ist und dessen Amplitude an bestimmten Orten zu Null wird. Multipliziert man jedoch das Spektrum des Detektors mit den SignalenA direct evaluation of these sidebands to determine the phase position is not possible, since the signal with a Spatial frequency is modulated and its amplitude becomes zero at certain locations. However, multiplying the spectrum of the detector by the signals

S₁ = sin [(2n-1)ωt] und S₂ = cos (2mωt)  m, n = 1, 2, 3 . . . S₁ = sin [(2n-1) ωt] and S₂ = cos (2mωt) m, n = 1, 2, 3. . .

dann enthalten die Produktethen contain the products

S(t) · sin [(2n-1)ωt] ∼ sin 2kx · sin² [(2n-1)ωt]
S(t) · cos (2mωt) ∼ cos 2kx · cos² (2mωt)
S (t) · sin [(2n-1) ωt] ∼ sin 2kx · sin² [(2n-1) ωt]
S (t) · cos (2mωt) ∼ cos 2kx · cos² (2mωt)

Gleichlichtanteile, die nach einer entsprechenden Tiefpaßfilterung die FormUniform light components, the shape after appropriate low-pass filtering

Ssin ∼ J2n-1(2Φ) sin 2kx und
Scos ∼ J2m (2Φ) cos 2kx
S sin ∼ J 2n-1 (2Φ) sin 2kx and
S cos ∼ J 2m (2Φ) cos 2kx

haben. Diese beiden Signale können jetzt dem Anwender als sin-cos-Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden.to have. These two signals can now be used by the user as a sin-cos interface Will be provided.

Mit dem erfindungsgemäßen phasenmodulierten Interferometer ist es möglich, eine sin-cos-Schnittstelle bereitzustellen und die Phasenauswertung sowie die an die Schnittstelle anschließende Richtungserkennung in für herkömmliche Längenmeßsysteme üblicher Weise durchzuführen.With the phase-modulated interferometer according to the invention, it is possible to obtain a provide sin-cos interface and the phase evaluation as well as to the Interface subsequent direction detection in for conventional Length measuring systems to perform in the usual way.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt:The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment become. The drawing shows:

Fig. 1 eine Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Interferometers. Fig. 1 shows an embodiment of the interferometer according to the invention.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht - wie Fig. 1 zu entnehmen ist - in ihrem Grundaufbau aus einem phasenmodulierten Interferometerbaustein, der vorzugsweise ein integriert-optischer Chip 1 mit einem den elektrooptischen Effekt nutzenden Phasenmodulator 11 ist, einer Lichtquelle in Form eines Lasers 2, einem Detektor 3, Mitteln zur parallelen Multiplikation 4 des Überlagerungssignales aus dem Interferometer mit Sinus- und Kosinussignalen, die mit dem Ansteuersignal des Phasenmodulators 11 phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind, und einer sin-cos- Schnittstelle 5.The arrangement according to the invention - as can be seen in FIG. 1 - consists in its basic structure of a phase-modulated interferometer module, which is preferably an integrated optical chip 1 with a phase modulator 11 using the electro-optical effect, a light source in the form of a laser 2 , a detector 3 , Means for parallel multiplication 4 of the superposition signal from the interferometer with sine and cosine signals, which are phase and frequency locked to the control signal of the phase modulator 11 , and a sin-cos interface 5 .

Gemäß Fig. 1 wird das vom Laser 2 kommende Licht durch die geeignet gestalteten Streifenwellenleiter des Chips 1 in Referenzarm 12 und Meßarm 13 aufgespalten. Die an den angedeuteten Reflektoren zurückgeworfenen und auf dem Chip 1 zum Überlagerungssignal zusammengeführten Lichtbündel gelangen anschließend - z. B. über eine optische Faser - auf den Detektor 3. Der Detektor 3 nimmt infolge der Sinusmodulation des Phasenmodulators 11 ein Interferometersignal mit den SeitenbändernReferring to FIG. 1 coming from the laser 2 is split by the suitably shaped strip waveguide of the chip 1 in the reference arm 12 and measuring arm. 13 The light beams which are reflected at the indicated reflectors and brought together on chip 1 to form the superimposed signal then arrive, for. B. via an optical fiber - on the detector 3rd As a result of the sine modulation of the phase modulator 11, the detector 3 takes an interferometer signal with the sidebands

J2n-1 (2Φ) sin 2kx sin [(2n-1)ωt] und
J2m (2Φ) sin 2kx cos (2m ωt) mit m, n = 1, 2, 3 . . .
J 2n-1 (2Φ) sin 2kx sin [(2n-1) ωt] and
J 2m (2Φ) sin 2kx cos (2m ωt) with m, n = 1, 2, 3. . .

auf wobei k die Wellenzahl (2π/λ mit λ als Lichtwellenlänge des Lasers 2), x die Weglängenänderung, Ji (2Φ) die Besselfunktion i-ter Ordnung und t die Zeit bedeuten. Aus Zweckmäßigkeitsgründen werden in diesem Beispiel die erste und zweite Harmonische (m = n = 1) gewählt.where k is the wave number ( 2 π / λ with λ as the light wavelength of the laser 2 ), x is the change in path length, J i (2Φ) is the I-th order Bessel function and t is time. For reasons of expediency, the first and second harmonics (m = n = 1) are selected in this example.

Die Multiplikation dieser Seitenbänder über einen Multiplizierer 41 mit einem phasen- und frequenzstarren Sinussignal sin ωt und eine nachfolgende Tiefpaßfilterung mittels des Tiefpaßfilters 51 liefern einen Gleichlichtanteil des Interferometersignals in der FormThe multiplication of these sidebands by means of a multiplier 41 with a phase and frequency-fixed sine signal sin ωt and a subsequent low-pass filtering by means of the low-pass filter 51 provide a constant light component of the interferometer signal in the form

J₁(2Φ) sin 2kx.J₁ (2Φ) sin 2kx.

Die im zweiten Signalweg nach dem Detektor 3 angeordneten Elemente Multiplizierer 42 und Tiefpaßfilter 52 bewirken eine Multiplikation des Interferometersignals mit einem phasen- und frequenzstarren Kosinussignal cos 2ωt und eine Ausfilterung des GleichlichtanteilsThe elements multiplier 42 and low-pass filter 52 arranged in the second signal path after the detector 3 cause the interferometer signal to be multiplied by a phase and frequency-fixed cosine signal cos 2ωt and the constant light component to be filtered out

J₂(2Φ) cos 2kx.J₂ (2Φ) cos 2kx.

Bei entsprechender Wahl des Arbeitspunktes des Phasenmodulators in Form der Modulationstiefe Φ (Amplitude) wird die GleichheitWith an appropriate choice of the operating point of the phase modulator in the form of Modulation depth Φ (amplitude) becomes equality

J₁(2Φ) = J₂(2Φ)J₁ (2Φ) = J₂ (2Φ)

eingestellt, so daß an der den Tiefpaßfiltern 51 und 52 nachfolgenden Schnittstelle 5 die klassischen Quadratursignale sin 2kx und cos 2kx angeboten werden.set so that the classic quadrature signals sin 2kx and cos 2kx are offered at the interface 5 following the low-pass filters 51 and 52 .

Fig. 1 gibt für die phasen- und frequenzstarre Kopplung des Ansteuersignals und der Multiplikationssignale die folgende Möglichkeit an. Ein Sinusgenerator 6 mit einer Grundfrequenz von 2ω gibt sein Signal einerseits an einen Frequenzteiler 7 mit 90°- Phasenverschiebung ab, wobei der Frequenzteiler 7 sowohl mit dem Phasenmodulator 11 als auch mit dem Multiplizierer 41 in Verbindung steht, die beide das Signal sin ωt aufnehmen. Andererseits steht der Sinusgenerator 6 mit dem Multiplizierer 42 direkt in Verbindung und liefert das Signal cos 2ωt. Die Signale sind somit phasen- und frequenzrichtig gekoppelt. Fig. 1 indicates the following possibility for the phase and frequency-rigid coupling of the drive signal and the multiplication signals. A sine generator 6 with a fundamental frequency of 2ω outputs its signal on the one hand to a frequency divider 7 with a 90 ° phase shift, the frequency divider 7 being connected both to the phase modulator 11 and to the multiplier 41 , both of which receive the signal sin ωt. On the other hand, the sine generator 6 is directly connected to the multiplier 42 and supplies the signal cos 2ωt. The signals are thus coupled with the correct phase and frequency.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Interferometers ist bei Verwendung eines integriert-optischen Chips 1 auch durch optische Beimischung der Sinussignale zum Überlagerungssignal des Interferometers möglich. Dabei bleiben die Ansteuerprinzipien dieselben. Gegenüber von Fig. 1 werden die Mittel zur Multiplikation 4 in den optischen Signalweg des Überlagerungssignals vor dem Detektor 3 vorverlagert. Dazu sind wegen der erforderlichen Aufspaltung des Signals, die vorteilhaft auf dem Chip 1 realisiert werden kann, zwei separate Detektoren 3 notwendig. Die Mittel zur Multiplikation haben dann die Form von zwei weiteren Phasenmodulatoren, die mit den SinussignalenAn embodiment of the interferometer according to the invention is also possible when using an integrated optical chip 1 by optically adding the sinusoidal signals to the superposition signal of the interferometer. The control principles remain the same. Compared to FIG. 1, the multiplication means 4 are advanced into the optical signal path of the beat signal in front of the detector 3 . For this purpose, two separate detectors 3 are necessary because of the required splitting of the signal, which can advantageously be implemented on chip 1 . The means for multiplication then take the form of two further phase modulators, which work with the sinusoidal signals

sin (2n-1) ωt und cos 2m ωt mit m, n = 1, 2, 3sin (2n-1) ωt and cos 2m ωt with m, n = 1, 2, 3

angesteuert werden. Wegen der abnehmenden Intensität der Seitenbänder höherer Ordnung wird auch in diesem Fall zweckmäßig mit m = n = 1 zur Ausnutzung der ersten und zweiten Harmonischen aus dem Überlagerungssignal des Interferometers gearbeitet.can be controlled. Because of the decreasing intensity of the sidebands higher Order is also useful in this case with m = n = 1 to use the first and second harmonics from the beat signal of the interferometer worked.

Die phasen- und frequenzstarre Kopplung der Ansteuersignale kann damit wie in Fig. 1 erfolgen. Es ist aber auch möglich, Phasendrehung und Frequenzteilung bzw. Frequenzverdopplung auf dem Chip 1 zu integrieren, wodurch sich die externe Beschaltung des Chips verringert und somit der Interferometerbaustein eine kompakte Einheit darstellt.The phase and frequency-rigid coupling of the control signals can thus take place as in FIG. 1. However, it is also possible to integrate phase rotation and frequency division or frequency doubling on the chip 1 , as a result of which the external circuitry of the chip is reduced and the interferometer module thus represents a compact unit.

Wegen der hohen Kosten eines solchen speziellen integriert-optischen Chips wird jedoch vorerst die elektronische Sinussignalbeimischung gemäß Fig. 1 von größerer praktischer Bedeutung sein. Because of the high cost of such a special integrated optical chip, however, the electronic sine signal admixture according to FIG. 1 will initially be of greater practical importance.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird somit ein anwenderfreundliches modernes phasenmoduliertes Interferometer (mit der Möglichkeit einer heterodynen Auswertung) den herkömmlichen Schnittstellenanforderungen gerecht.The solution according to the invention thus becomes a user-friendly, modern one phase-modulated interferometer (with the possibility of a heterodyne Evaluation) meet the conventional interface requirements.

BezugszeichenlisteReference list

 1 Chip
11 Phasenmodulator
12 Referenzarm
13 Meßarm
 2 Laser
 3 Detektor
 4 Mittel zur parallelen Multiplikation
41, 42 Multiplizierer
 5 sin-cos-Schnittstelle
 51, 52 Tiefpaßfilter
 6 Sinusgenerator
 7 Frequenzteiler
1 chip
11 phase modulator
12 reference arm
13 measuring arm
2 lasers
3 detector
4 means for parallel multiplication
41 , 42 multipliers
5 sin-cos interface
51 , 52 low pass filter
6 sine generator
7 frequency dividers

Claims (4)

1. Phasenmoduliertes Interferometer mit Meßarm und Referenzarm, in dem in mindestens einem der Interferometerarme ein Phasenmodulator zur Phasenmodulation der optischen Strahlung angeordnet ist und in dem ein Detektor zur Aufnahme eines optischen Überlagerungssignals aus Meß- und Referenzarm vorhanden ist, wobei dem Detektor eine Auswerteelektronik zur Ermittlung der Phasenverschiebung des Meßarm-Signals nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) im Signalweg des Überlagerungssignals Mittel zur parallelen Multiplikation mit Sinussignalen vorhanden sind, wobei diese Sinussignale phasen- und frequenzstarr mit einem ebenfalls sinusförmigen Ansteuersignal des Phasenmodulators (11) gekoppelt sind und in zwei aufgespaltenen Signalwegen getrennt, parallel dem Überlagerungssignal beigemischt werden,
  • b) die Sinussignale die allgemeine Form S₁ = sin [(2n-1)ωt] und
    S₂ = cos (2mωt) mit m, n = 1, 2, 3 . . . aufweisen, wobei ω die Frequenz des sinusförmigen Ansteuersignals am Phasenmodulator (11) ist, und
  • c) den Mitteln zur parallelen Multiplikation nachfolgend jeweils Tiefpaßfilter (51, 52) angeordnet sind, deren Ausgänge Gleichlichtanteile der Form Sgl1 = J2n-1(2Φ) sin 2kx und
    Sgl2 = J2m(2Φ) cos 2kx  m, n = 1, 2, 3 . . .liefern, wobei die Ji - Besselfunktion i-ter Ordnung, Φ die geeignet eingestellte Modulationstiefe am Phasenmodulator (11), k die Wellenzahl und x die Ortskoordinate sind und die Gleichlichtanteile herkömmliche Quadratursignale darstellen, die in bekannter Weise auf Phasenverschiebung analysierbar sind und auf eine übliche sin-cos-Schnittstelle geführt werden.
  • 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Phasenmodulator (11) zum Erhalt der klassischen Quadratursignale so eingestellt ist, daß er seinen Arbeitspunkt bei Wahl der Modulationstiefe entsprechend der Gleichung J2n-1(2Φ) = J2m(2Φ)  m, n = 1, 2, . . .hat.
1. Phase-modulated interferometer with measuring arm and reference arm, in which a phase modulator for phase modulation of the optical radiation is arranged in at least one of the interferometer arms and in which a detector for recording an optical superimposition signal from the measuring and reference arm is present, the detector being equipped with evaluation electronics for determination is arranged downstream of the phase shift of the measuring arm signal, characterized in that
  • a) means for parallel multiplication with sinusoidal signals are present in the signal path of the heterodyne signal, these sinusoidal signals being phase-locked and frequency-rigidly coupled to a likewise sinusoidal control signal of the phase modulator ( 11 ) and separated in two split signal paths, mixed in parallel with the heterodyne signal,
  • b) the sine signals the general form S₁ = sin [(2n-1) ωt] and
    S₂ = cos (2mωt) with m, n = 1, 2, 3. . . have, where ω is the frequency of the sinusoidal drive signal at the phase modulator ( 11 ), and
  • c) the means for parallel multiplication are each arranged below low-pass filters ( 51 , 52 ), the outputs of which are uniform light components of the form S gl1 = J 2n-1 (2Φ) sin 2kx and
    S gl2 = J 2m (2Φ) cos 2kx m, n = 1, 2, 3. . . deliver, where the J i - Bessel function of the i-th order, Φ the suitably set modulation depth on the phase modulator ( 11 ), k the wave number and x the location coordinate and the constant light components represent conventional quadrature signals that can be analyzed for phase shift in a known manner and on a common sin-cos interface can be performed.
  • 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the phase modulator ( 11 ) is set to receive the classic quadrature signals so that it has its operating point when choosing the modulation depth according to the equation J 2n-1 (2Φ) = J 2m (2Φ) m, n = 1, 2,. . .Has.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Mittel zur parallelen Multiplikation mit einem Sinusgenerator (6) in Verbindung steht, wobei dieser Sinusgenerator (6) andererseits über einen Frequenzteiler (7) mit π/2-Phasenverschiebung mit dem Phasenmodulator (11) und dem anderen der Mittel zur parallelen Multiplikation gekoppelt ist.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that one of the means for parallel multiplication with a sine generator ( 6 ) is connected, said sine generator ( 6 ) on the other hand via a frequency divider ( 7 ) with π / 2 phase shift with the phase modulator ( 11 ) and the other of the means for parallel multiplication is coupled. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur parallelen Multiplikation dem Detektor (3) nachgeordnete separate Multiplizierer (41, 42) sind, wobei jedem Multiplizierer (41, 42) ein Tiefpaßfilter (51, 52) folgt.4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the means for parallel multiplication of the detector ( 3 ) are separate multipliers ( 41 , 42 ), each multiplier ( 41 , 42 ) being followed by a low-pass filter ( 51 , 52 ). 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur parallelen Multiplikation im Lichtweg vor separaten Detektoren als parallel angeordnete optische Modulatoren und Phasenschieber integriert optisch ausgeführt sind.5. Arrangement according to claim 1, characterized in that the means for parallel multiplication in the light path before separate Detectors as parallel optical modulators and phase shifters are integrated optically.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2016075672A1 (en) * 2014-11-16 2016-05-19 DSIT Solutions Ltd. Spectrally efficient optical frequency-domain reflectometry using i/q detection
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