WO1992006353A1 - Interferometer - Google Patents

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WO1992006353A1
WO1992006353A1 PCT/AT1991/000106 AT9100106W WO9206353A1 WO 1992006353 A1 WO1992006353 A1 WO 1992006353A1 AT 9100106 W AT9100106 W AT 9100106W WO 9206353 A1 WO9206353 A1 WO 9206353A1
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measuring
waveguide
interferometer according
beam splitter
interferometer
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PCT/AT1991/000106
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Inventor
Gerhard Leuchs
Original Assignee
Tabarelli, Werner
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    • G01B9/02Interferometers
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    • GPHYSICS
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    • G01B9/02079Quadrature detection, i.e. detecting relatively phase-shifted signals
    • G01B9/02081Quadrature detection, i.e. detecting relatively phase-shifted signals simultaneous quadrature detection, e.g. by spatial phase shifting

Definitions

  • the invention relates to an interferometer, in particular for determining the distance or displacement path of a movable component, with a laser light source, with an asymmetrical beam splitter for the intensity-uneven division of the light emitted by the laser light source into a reference beam and one Measuring beam, which is guided over a measuring path running at least partially in a gaseous ambient medium and leading over a movable measuring mirror, with a recombination device on which the reference beam guided over a reference path and the measuring beam returning from the measuring mirror interfere, and with a detector device for analyzing at least one optical interference signal emerging from the recombination device.
  • interferometers are suitable for determining the distance or determining the displacement path and thus for detecting the position or changes in position of movable components, for example machine components.
  • a practically unavoidable wavefront distortion of the measuring beam coming back from the measurement section is a problem.
  • Such wavefront distortions result from air streaks and, above all, from contaminations (oil vapors, etc.) of the air occurring in industrial use in which the measurement is located ⁇ beam propagates, as well as from inaccuracies of the optical components used.
  • the latter inaccuracies of the optical components could at best be avoided by correspondingly expensive components.
  • the wavefront distortions mentioned lead to a change in the observed spatial interference pattern and thus to a falsification of the measurement result.
  • the known wavefront distortions also have an unfavorable effect in known two-frequency heterodyne interferometers, in which the beat frequency between the measuring and reference beams is observed at a slightly different frequency. This is because, like already slight deviations from the ideally exact adjustment, they reduce the quality of the interference, that is to say the modulation deviation of the oscillating interference signal to be evaluated in relation to the signal background. This leads to problems.
  • the signal from the photodetector must be electrically amplified for the evaluation.
  • measurements should also be carried out very quickly, so that the mirror speed can be up to a few meters per second.
  • the generally difficult task is to amplify a small signal which is seated on a large background. This is particularly a problem if the surface is not completely stable over time and therefore cannot be easily subtracted electronically.
  • Detection systems which have the required amplification at high bandwidth are highly sensitive, low-capacity detectors, e.g. B.
  • avalanche diodes combined with very low-noise electronic amplifier circuits, or secondary electron multipliers (photomultiplier), which the photo- Combine electrical detection and electrical amplification in a high-voltage vacuum tube.
  • secondary electron multipliers photomultiplier
  • the object of the invention is to provide a compact interferometer with which measurements can be carried out quickly even under harsh environmental conditions and which is therefore particularly suitable for industrial use.
  • This is achieved according to the invention in that a spatial filter device is arranged between the measuring mirror and the recombination device, through which the measuring beam returning from the measuring mirror is guided.
  • the ratio of the desired signal component to the background in the photoelectric interference signal is still at a maximum when the loss of measuring beam power generated in the spatial filter is zero. So the spatial filter alone cannot solve the problem of a too large background or amplifier saturation. Only the combination according to the invention of asymmetrical beam splitter and a spatial filter device in the measuring beam allows the elimination of the signal background and thus a highly amplifiable output signal for the use of highly sensitive, fast detection and amplifier systems.
  • the photoelectric signal is then: I - ⁇ ⁇ ' R « ac ⁇ ⁇ i £ t) ⁇ ⁇ ⁇ - ⁇ (lR) -a» cos ⁇ j £, t * kL >> a > time average - R * a a / 2 * ⁇ - (lR) .a a / 2 + «f ⁇ - « (1-R> .a a -cos ⁇ kL), where w is the angular frequency, k is the wave number and L is the optical path difference between the reference and Are measuring beam.
  • the angle brackets " ⁇ > time average" indicate that averaging takes place over a light period, so that the zero oscillating threshing floor quickly falls out.
  • the absolute size of the interference signal is reduced, but the constant background can be brought to zero by a suitable choice of the division ratio on the beam splitter.
  • the condition for R is:
  • the spatial filter device is arranged at the end of the part of the measuring section running in the gaseous ambient medium. This completely eliminates the wavefront distortions that occur mainly on the free measuring section running in the surrounding medium. Between the spatial filter and the recombination device there is hardly any risk of renewed wavefront distortions of the "cleaned" measuring beam. If the spatial filter is formed by a coupling-in lens and the entry end of a single-mode waveguide, the measuring beam, which is justified in the wavefront, can be guided without further interference with a well-defined wavefront to the recombination device and there can interfere perfectly with the reference beam .
  • a beam splitter with a symmetrical division ratio of 1: 1 can advantageously be used as the recombination device.
  • the asymmetrical beam splitter for division into measuring and reference beams and the recombining device are separate elements, which may, however, be formed on one and the same carrier substrate (wafer).
  • the division ratio of the asymmetrical beam splitter is preferably adjustable in order to allow a perfect adaptation to the respective circumstances.
  • the measuring beam at the measuring mirror is not thrown back into itself, but is coupled into a second single-mode waveguide with a beam offset by means of a separate coupling lens (or a coupling lens arrangement combined from several to form a lens system).
  • a separate coupling lens or a coupling lens arrangement combined from several to form a lens system.
  • the beam offset change occurring when the retroreflector is laterally shifted can be easily mastered with a suitable choice of the coupling and decoupling lenses, that is to say that the meeting of the second single-mode waveguide or coupling lens is relatively uncritical when the waveguide returns from the measuring path - is table.
  • the retroreflector has preferred have a triple mirror or triple prism, the property of the tilt invariance (even when the retroreflector is turned, the reflected beam remains parallel to the incident beam), which has an advantage over longer mirrors compared to flat mirrors.
  • a triple mirror reflects incident light rays parallel to itself in a specific solid angle range.
  • the adjustment effort in the area of the measuring beam is considerably reduced.
  • the interferometer is then correctly adjusted (assuming a relatively simple pre-adjustment of the other optical components) if sufficient light is coupled into the second glass fiber.
  • this is not particularly critical due to the property of the retroreflector to always reflect rays back in parallel, and due to suitable lens dimensions.
  • the interferometer will advantageously be designed such that the single-mode waveguide from which the measuring beam is coupled out and the second single-mode waveguide lie parallel in their end region facing the measuring section.
  • the separate coupling-in and coupling-out lens and waveguide it can preferably be provided that at least the end regions of the single-mode waveguide facing the measuring section, from which the measuring beam is coupled out, and of the second single-mode waveguide a common carrier are fixed, the coupling and decoupling lenses being attached to this carrier. If a flat measuring mirror is nevertheless to be used, an optical attachment can ensure that the returning beam enters the second waveguide is coupled. If it is a single-mode waveguide, the wavefront in the waveguide is almost ideal. Wavefront distortions along the measurement path only worsen the coupling into the waveguide.
  • Such a waveguide can expediently be designed as a waveguide path which is diffused onto a wafer.
  • the single-mode waveguide of the interferometer, the beam controller and the recombination device are integrated on the same wafer, and the reference beam and the interference signal originating from the recombination device are also guided in single-mode waveguide paths. which are diffused into the same wafer.
  • This integrated design means that most of the optical components are pre-adjusted and you get ideal interference between the reference beam and the measurement beam "cleaned" of wavefront distortions. Due to the almost exclusive use of integrated optical components, a considerable price advantage can be achieved compared to known interferometers.
  • the use of waveguide tracks diffused into a wafer for an interferometer is indeed known per se. In the known integrated interferometer, however, the measurement beam emerging from the waveguide path is partially thrown back into the same waveguide by a plane mirror arranged at a small distance from the exit point, which leads to undesired feedback into the light source.
  • the beam splitter and the recombination device may be separate optical elements.
  • the light originating from the light source is present in the entire interferometer arrangement except for the measuring section running through the retroreflector in the surrounding medium between the coupling and decoupling lens (and optionally) is guided into the area behind the recombination device in single-mode waveguides, the beam splitter and the recombination device being formed by waveguide couplers.
  • Figures 1 to 3 show schematic representations of exemplary embodiments of the interferometer arrangement according to the invention.
  • the interferometer arrangement shown in FIG. 1 has a laser light source 1 (preferably a laser diode), the light of which is coupled into a single-mode waveguide track 2, which is diffused onto a wafer 3 made of lithium niobate.
  • a beam splitter B with an asymmetrical division ratio in favor of a higher measuring beam line the division into the measuring beam takes place, which is initially continued in the waveguide path 4 and into the reference beam, which is also integrated in the reference branch 5 in the wafer 3 via a mirror 6 to the recombina ⁇ tion device A leads.
  • the measuring beam emerges from the waveguide 4 and is collimated with a decoupling lens 7.
  • the measuring section now leads through the gaseous ambient medium (usually air) and via a retroreflector 8 (triple mirror), which, for example is attached to a tool slide (not shown).
  • This retroreflector 8 sends the measurement beam back parallel offset, with a lateral displacement of the retroreflector or its tilting the direction of the retroreflective
  • Measurement beam does not change, but only its parallel offset to an uncritical extent.
  • the measuring beam returning from the retroreflector 8 is coupled into a second single-mode waveguide 11 by a separate coupling lens 9. This prevents feedback of disruptive laser light into the laser diode 1.
  • the spatial filter device is essentially formed by the lens 9 arranged at the end of the free measuring section and the single-mode waveguide 11, that is to say in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 the surface 10 arranged in the focal plane of the lens 9 acts around the focal point in FIG Wafer 3 diffused single-mode waveguide 9 as a spatial filter, which fades out intensities caused by wavefront distortions lying outside the focal point region. Since it is a single-mode waveguide, the wavefront of the measurement beam coupled into the waveguide 11 via the lens 9 is almost ideal and can therefore interfere perfectly with the reference beam. Wavefront distortions along the measurement path via the retroreflector 8 only lead to a deterioration in the coupling.
  • the measuring beam returning from the measuring section is brought into interference in the recombination device designed as beam splitter A with a symmetrical division ratio with the reference beam guided in the reference branch 5.
  • the interference signals are then detected by detectors 12a-d and evaluated in an electronic evaluation circuit, not shown.
  • the division ratio R of the asymmetrical beam splitter B is now selected so that the power losses (1- ⁇ ) on the measurement section and in the spatial filter 9, 10, 11 are compensated by correspondingly more light (1-R) on the measurement section is sent.
  • Typical values of R are between 10% and 30%.
  • R ⁇ / (l + ⁇ ) the constant signal background can be reduced to zero and highly sensitive photoelectric detectors suitable for the detection of fewer photons can be used.
  • the typical light output on one of the detectors is approximately 2 ⁇ W.
  • the measuring time interval is 10-50 ns. During this time, only 60,000 to 300,000 photons arrive at the detector.
  • the detectors 12a-d are only shown schematically and can be, for example, secondary electron multipliers or avalanche diodes with an electronic amplifier circuit.
  • the exemplary embodiment shown is a single-frequency interferometer, in which two different polarization directions of the light emitted by the light source 1 are used in order to obtain information about the direction of movement of the retroreflector 8.
  • a polarization-dependent phase retarder 13 is integrated in front of the recombination device, which causes, for example, a relative phase difference of 90 * between the two directions of polarization.
  • the two complementary outputs of the recombination device A are connected by way of waveguide tracks 14 and 15 diffused into the wafer 3 with polarizing beams 16 and 17, the outputs of which lead to the photo detectors 12a-d mentioned.
  • these photodetectors 12a-d receive interference signals which are shifted relative to one another, from which not only the displacement path of the retroreflector 8 but also its displacement direction can be clearly determined. Furthermore, from the detection of the intensities of both complementary outputs 14 and 15 of the recombination device A, influencing factors (thermal drifts of the mechanics and electronics, fluctuations in intensity of the light source, fluctuations in intensity due to slight misadjustments), which otherwise lead to measurement errors in homodyne operation can eliminate, so that it can be determined whether changes in intensity only due to the change of influencing factors or actually from a movement of the retroreflector. After combining the measurement and reference beam, one not only uses an interference signal beam, but also uses the second output of the beam splitter, which delivers a complementary interference signal. Now everyone
  • the coupling of the measurement beam into a second single-mode waveguide and the associated spatial filter effect and the ideal wave fronts in the single-electrode waveguides ensure that complementary interference signals are actually well-defined even under industrial conditions which can then be reliably evaluated by the electronics.
  • the interferometer arrangement according to the invention can also be operated heterodyne, two light frequencies having slightly different frequencies being used.
  • the lithium niobate material used has the advantage that acousto-optical modulators can also be integrated, these being vaporized in order to obtain a light frequency shifted by the acoustic frequency.
  • Such an acousto-optic modulator would then have to be installed shortly before the measuring beam emerges from the wafer 3. it would be recommendable to install a second acousto-optic modulator with a modulation frequency different from the first modulator in the reference beam in order to avoid direct crosstalk into the detection electronics.
  • only one detector is then required instead of the four photo elements 12a-d.
  • the polarization-dependent phase retarder and the polarization beam splitters 16 and 17 can also be omitted.
  • the integrated design in which the light in the wafer is guided in single-mode waveguide tracks, achieves a compact design and excellent interference between the reference beam and measuring beam, since both have ideal wavefronts in the single-mode waveguides.
  • a large part of the optical components can already be pre-adjusted.
  • the interferometer is also largely independent of the temperature of the wafer 3.
  • Particularly suitable as light sources Laser diodes 1 because they take up little space and are inexpensive.
  • the measurement result of an interferometer is available in units of the air wavelength present on the measurement section, which in turn depends on the frequency of the light and the refractive index of the surrounding medium (mostly air), it is advantageous to continuously determine this air wavelength using your own device.
  • the frequency of the light source is known, a refractive index determination is sufficient to know the air wavelength.
  • the refractive index can be determined the so-called parameter method can be determined by determining the air temperature, the air humidity and the air pressure. If you want to determine the wavelength of light in the air directly, you can compare it with a measuring standard (etalon) in which the same environmental conditions prevail as on the measuring section. In such a case, it is necessary to divert light originating from the light source from the actual interferometer. In the simplest case, this is done using a beam controller C, which is arranged immediately after the light source in the beam path.
  • the measure of leading the measurement beam in front of the measurement section in the surrounding medium in a single-mode waveguide and then guiding it via a decoupling lens to the measurement section achieves excellent constancy and reproducibility of the optical beam guidance.
  • glass and gallium arsenide are also suitable as wafer materials.
  • optical fibers in particular glass fibers
  • the interferometer shown in FIG. 2 is used to record the displacement of a movable component (not shown) on which the triple mirror 8 is favorably attached directly.
  • the light originating from a laser is coupled into the glass fiber 2 and then reaches the coupler B, which has an asymmetrical see division of the light into the glass fiber 4 belonging to the measuring branch and the glass fiber 5 belonging to the reference branch.
  • the light from the glass fiber 4 reaches the measurement section actually running in the ambient medium (air) and is reflected back parallel to itself with a beam offset by the triple mirror 8.
  • a special coupling-in lens 9 couples the back-reflected measuring beam into a second single-mode waveguide (glass fiber 11), the spatial filter effect again being used and wavefront distortions being "straightened".
  • the end regions of the glass fibers 4 and 11 facing the measuring section are advantageously parallel, which means that there is always a good coupling of the measuring beam returning from the measuring section into the glass fiber without complex deflection devices when the triple mirror 8 is displaced 11 is given.
  • these can be fastened on a common carrier 18, which advantageously also carries the decoupling lens 7 and the coupling lens 9, which also means their relative Adjustment to the glass fibers 4 and 11 is ensured.
  • the coupling lens 9 and the coupling lens 7 are advantageously of the same design and in particular have the same focal length.
  • Gradient index lenses which can be attached directly to the carrier 18 via their flat connection surface, are particularly suitable as the coupling-in and coupling-out lenses.
  • the light returned from the measuring section in the glass fiber 11 and the light guided in the glass fiber 5 of the reference branch are recombined in the symmetrical coupler A.
  • the preferably 90 ° phase shift between the two polarizations for detecting the direction of movement of the measuring carriage can be achieved in a known manner via total reflection in the triple prism or with a birefringent quarter wave plate (not shown in FIG. 2) in the measuring beam.
  • the interference signals at the two outputs from coupler A are detected separately with a polarization beam splitter or with a beam splitter and polarizer according to the polarization states which are perpendicular to one another (schematically illustrated detectors 12a, b, c, d).
  • the polarization-state-dependent division is carried out over two beam splitters AI * and A2 'and four polarization filters 26a-d arranged in front of each detector 12a-d. If polarization beam splitters are used instead of the beam splitters AI 1 and A2 ', the polarization filters 26a-d can be omitted.
  • the polarization-dependent signal division can alternatively also take place as shown in FIGS. 2a and 2b (in the variants of these figures, the arrangement in front of the recombination device A is the same as in FIG. 2).
  • a lens 27 is provided, which is arranged just before the two exit points of the recombination device A.
  • the two beams imaged by the lens 27 reach a polarization beam splitter A3 and from there to the four detectors 12a-d.
  • FIG. 2b compared to the variant shown in FIG.
  • the beam splitter is used AI * and A2 'are dispensed with and the divergent radiation cones 28, 29 from the two exit fibers of the recombining device A are used in order to achieve a spatial and ultimately the polarization state-dependent signal distribution via the polarization filters 26a-d.
  • the detectors 12a-d are connected to an electronic evaluation circuit 19 which, for example, calculates and displays the position of the measuring mirror 8.
  • the light originating from the light source 1 is guided in single-mode waveguides (glass fibers) up to the measuring section running in the ambient medium, which largely eliminates the influence of stray light and during recombination in the coupler A there are well-defined wavefronts in the measuring branch glass fiber 11 and in the reference branch glass fiber 5, which guarantee an excellent interference signal.
  • the spatial filter effect which occurs when the measuring beam returning from the measuring section is coupled into the glass fiber 11 eliminates any wavefront distortions that may be present.
  • the higher losses on the measurement section and in the spatial filter 9, 11 can be compensated for by the asymmetrical beam splitter B.
  • the beam expensive for dividing the light in the measuring beam and reference beam is also used as a recombination device at which the measuring beam and the reference beam are brought into interference.
  • the beam splitter (coupler B) and the recombination device (coupler A) have separate op- Table components are to reliably exclude the effects of laser light on the light source.
  • the sum of the glass paths in the glass fibers 4 and 11 and the path in the glass fiber 5 are preferably of the same length in order not to have any relative changes in length between the reference and measuring branches in the event of temperature fluctuations.
  • the spatial filter device 30 can also be implemented by a lens-pinhole-lens combination, as shown in FIG. 3. Such a combination could also be retrofitted with existing interferometers with discrete optical components.
  • the measurement beam 31 returning from the measurement section is focused by a converging lens 32 onto the opening of the perforated diaphragm 33 and then collimated by a collimation lens 34.
  • the pinhole 33 dazzles higher spatial frequencies originating from wavefront distortions zen out, since these are located radially outside in the focal point region of the lens 32, where the opening of the pinhole 33 is arranged.
  • the interference signal 36 which contains no signal background due to a suitable choice of the division ratio of the asymmetrical beam splitter (not shown) for division into the measurement and reference beam, passes through a lens 37 to a highly sensitive amplifier 38.

Abstract

An interferometer for measuring the distance or the displacement path of a movable component has a source (1) of laser light and a beam divider (B) with an asymmetric division ratio that divides the light emitted by the source of laser light into a reference beam and a measurement beam. The measurement beam is guided along a measurement section that extends partially in the air and through a movable measurement mirror (8). In a recombining device (A) the reference beam guided along a reference section (5) and the measurement beam returning from the measurement section interfere. A highly sensitive detector device (12a-d, 19) analyzes the interference signals outputted by the recombining device (A). The measurement beam returning from the measurement section is guided through a tridimensional filter (9, 10, 11; 30) in order to eliminate wave front distorsions. An appropriate selection of the division ratio of the beam divider (B) allows background noise to be eliminated from the interference signal.

Description

Interferometer Interferometer
Die Erfindung betrifft ein Interferometer, insbeson¬ dere zur Entfernungs- bzw. Verschiebewegbestimmung eines beweglichen Bauteiles, mit einer Laserlicht¬ quelle, mit einem asymmetrischen Strahlteiler zur in¬ tensitätsmäßig ungleichen Aufteilung des von der La¬ serlichtquelle emittierten Lichtes in einen Referenz- strahl und einen Meßstrahl, der über eine zumindest teilweise in einem gasförmigen Umgebungsmedium ver¬ laufende und über einen beweglichen Meßspiegel füh¬ rende Meßstrecke geführt ist, mit einer Rekombina¬ tionseinrichtung, an der der über eine Referenz¬ strecke geführte Referenzstrahl und der vom Meßspie- gel zurückkehrende Meßstrahl interferieren, und mit einer Detektoreinrichtung zur Analyse zumindest eines aus der Rekombinationseinrichtung austretenden, opti¬ schen Interferenzsignals.The invention relates to an interferometer, in particular for determining the distance or displacement path of a movable component, with a laser light source, with an asymmetrical beam splitter for the intensity-uneven division of the light emitted by the laser light source into a reference beam and one Measuring beam, which is guided over a measuring path running at least partially in a gaseous ambient medium and leading over a movable measuring mirror, with a recombination device on which the reference beam guided over a reference path and the measuring beam returning from the measuring mirror interfere, and with a detector device for analyzing at least one optical interference signal emerging from the recombination device.
Interferometer eignen sich prinzipiell zur Abstands¬ bestimmung bzw. Verschiebewegbestimmung und somit zur Erfassung der Lage bzw. von Lageänderungen von beweg¬ lichen Bauteilen, beispielsweise Maschinenbauteilen.In principle, interferometers are suitable for determining the distance or determining the displacement path and thus for detecting the position or changes in position of movable components, for example machine components.
Ein Problem stellen praktisch unvermeidbare Wellen- frontverZerrungen des von der Meβstrecke zurückkom¬ menden Meßstrahles dar. Derartige Wellenfrontverzer- rungen rühren von Luftschlieren und vor allem von bei der industriellen Anwendung auftretenden Verunreini- gungen (öldämpfe etc.) der Luft, in der sich der Me߬ strahl ausbreitet, sowie von Ungenauigkeiten der ver¬ wendeten optischen Komponenten her. Die letzgenannten Ungenauigkeiten der optischen Komponenten ließen sich allenfalls durch entsprechend teure Komponenten ver- meiden. Damit verteuert sich aber die gesamte Inter- ferometeranordnung wesentlich und Wellenfrontverzer¬ rungen des Meßstrahles aufgrund der in der Praxis auftretenden Luftbedingungen sind immer noch nicht vermieden. Die genannten Wellenfrontverzerrungen füh- ren bei bekannten Einfrequenz-Homodyn-Interferometern zu einer Veränderung des beobachteten räumlichen In¬ terferenzmusters und damit zu einer Verfälschung des Meßergebnisses. Aber auch bei bekannten Zweifrequenz- Heterodyn-Interferometern, bei denen die Schwebungs- frequenz zwischen Meß- und Referenzstrahl leicht ver¬ schiedener Frequenz beobachtet wird, wirken sich die genannten Wellenfrontverzerrungen ungünstig aus. Sie verringern nämlich, wie auch bereits geringe Abwei¬ chungen von der ideal exakten Justierung, die Güte der Interferenz, also den auszuwertenden Modulations¬ hub des oszillierenden Interferenzsignals im Verhält¬ nis zum Signaluntergrund. Das führt zu Problemen.A practically unavoidable wavefront distortion of the measuring beam coming back from the measurement section is a problem. Such wavefront distortions result from air streaks and, above all, from contaminations (oil vapors, etc.) of the air occurring in industrial use in which the measurement is located ¬ beam propagates, as well as from inaccuracies of the optical components used. The latter inaccuracies of the optical components could at best be avoided by correspondingly expensive components. But this makes the entire Internet more expensive Ferometer arrangement essential and wavefront distortions of the measuring beam due to the air conditions occurring in practice are still not avoided. In known single-frequency homodyne interferometers, the wavefront distortions mentioned lead to a change in the observed spatial interference pattern and thus to a falsification of the measurement result. However, the known wavefront distortions also have an unfavorable effect in known two-frequency heterodyne interferometers, in which the beat frequency between the measuring and reference beams is observed at a slightly different frequency. This is because, like already slight deviations from the ideally exact adjustment, they reduce the quality of the interference, that is to say the modulation deviation of the oscillating interference signal to be evaluated in relation to the signal background. This leads to problems.
Für die Auswertung muß das Signal des Photodetektors elektrisch nachverstärkt werden. Außerdem soll auch noch sehr schnell gemessen werden, damit die Spiegel¬ geschwindigkeit bis zu einigen Metern pro Sekunde be¬ tragen kann. Insbesondere bei einem homodyn betriebe¬ nen Interferometer hat man die im allgemeinen schwie- rige Aufgabe, ein kleines Signal, das auf einem großen Untergrund sitzt, hoch zu verstärken. Dieses stellt sich insbesondere dann als Problem dar, wenn der Untergrund zeitlich nicht völlig stabil ist und sich daher nicht ohne weiteres elektronisch subtra- hieren läßt. Nachweissysteme, die die erforderliche Verstärkung bei hoher Bandbreite haben, sind höchst¬ empfindliche, kapazitätsarme Detektoren, z. B. Ava- lanchedioden, kombiniert mit sehr rauscharmen elek¬ tronischen Verstärkerschaltungen, oder Sekundärelek- tronenvervielfacher (Photomultiplier) , die den photo- elektrischen Nachweis und die elektrische Verstärkung in einer mit Hochspannung betriebenen Vakuumröhre vereinen. Bei rauhen Umweltbedingungen bzw. Wellen¬ frontverzerrungen lassen sich diese Detektorsysteme nicht einsetzen, da der von der Wellenfrontaberration hervorgerufene, Signaluntergrund die Nachweisverstär¬ ker in Sättigung treibt.The signal from the photodetector must be electrically amplified for the evaluation. In addition, measurements should also be carried out very quickly, so that the mirror speed can be up to a few meters per second. Particularly in the case of a homodyne-operated interferometer, the generally difficult task is to amplify a small signal which is seated on a large background. This is particularly a problem if the surface is not completely stable over time and therefore cannot be easily subtracted electronically. Detection systems which have the required amplification at high bandwidth are highly sensitive, low-capacity detectors, e.g. B. avalanche diodes, combined with very low-noise electronic amplifier circuits, or secondary electron multipliers (photomultiplier), which the photo- Combine electrical detection and electrical amplification in a high-voltage vacuum tube. These detector systems cannot be used in harsh environmental conditions or wavefront distortions, since the signal background caused by the wavefront aberration drives the detection amplifier into saturation.
Nun ist bekannt, daß sich in manchen Fällen ein kon- stanter, d. h. nicht mit der optischen Weglängendif¬ ferenz im Meß- und Referenzzweig variierender Inter¬ ferenzsignal-Untergrund durch ein asymmetrisches Strahlteilerverhältnis ausschließen läßt, d. h. daß der asymmetrische Strahlteiler die Lichtintensität ungleich auf den Meßstrahl (z. B. 80 %) und auf den Referenzstrahl (z. B. 20 %) aufteilt. Dies gilt aber nicht für den Fall, daß der Kontrastverlust von Wel- lenfrontenverzerrungen hervorgerufen wird.It is now known that in some cases a constant, i.e. H. interference signal background which does not vary with the optical path length difference in the measuring and reference branch can be excluded by an asymmetrical beam splitter ratio, d. H. that the asymmetrical beam splitter distributes the light intensity unevenly between the measuring beam (e.g. 80%) and the reference beam (e.g. 20%). However, this does not apply in the event that the loss of contrast is caused by wave front distortions.
Im Fall von Wellenfrontverzerrungen wird beim Einsatz eines asymmetrischen Strahlteilers jedenfalls der mit dem optischen Wegunterschied zwischen Referenz- und Meßstrahl variierende Signalanteil relativ zum Unter¬ grund kleiner und das Verstärkerproblem nur noch grö- ßer. Ein asymmetrischer Strahlteuer ist daher keine Lösung für das Problem einer relativ zu großen Unter¬ grunds bzw. der Verstärkersättigung.In the case of wavefront distortions, when using an asymmetrical beam splitter, the signal component which varies with the optical path difference between the reference beam and the measuring beam becomes smaller relative to the background, and the amplifier problem only becomes greater. An asymmetrical beam control is therefore not a solution to the problem of a relatively large background or amplifier saturation.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes Interfe- rometer zu schaffen, mit dem auch unter rauhen Um¬ weltbedingungen schnell gemessen werden kann und das damit insbesondere für die industrielle Anwendung ge¬ eignet ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwi¬ schen Meßspiegel und Rekombinationseinrichtung eine Raumfiltereinrichtung angeordnet ist, durch die der vom Meßspiegel zurückkehrende Meßstrahl geführt ist.The object of the invention is to provide a compact interferometer with which measurements can be carried out quickly even under harsh environmental conditions and which is therefore particularly suitable for industrial use. This is achieved according to the invention in that a spatial filter device is arranged between the measuring mirror and the recombination device, through which the measuring beam returning from the measuring mirror is guided.
Es ist zwar bekannt, daß man durch die Einkopplung des Meßstrahles in einen Einmoden-Wellenleiter einen Raumfiltereffekt erzielt, durch den Wellenfrontver¬ zerrungen des von der Meßstrecke zurückkehrenden Meß- Strahles beseitigt bzw. stark verringert werden. Sol¬ che Wellenfrontverzerrungen führen nämlich in der Brennebene der Einkopplungslinse zu Intensitäten außerhalb der Achse (außerhalb des Durchmessers des beugungsbegrenzten Brennpunkts) , wo die Eintritts- stelle des Wellenleiters, beispielsweise einer Glas¬ faser, liegt und gelangen nicht in den Wellenleiter, werden also vom Raumfilter ausgeblendet. Nach dem Raumfilter, d.h. nach der Eintrittsfläche des Einmo- den-Wellenleiters, hat man also einen von Welien- frontverZerrungen "gereinigten" Meßstrahl mit nahezu idealer Wellenfront. Der Meßstrahl wird also schwä¬ cher, kann aber mit dem vollen Referenzstrahl perfekt interferieren. Es wird also nur der Meßstrahl beein¬ flußt.It is known that by coupling the measuring beam into a single-mode waveguide, a spatial filter effect is achieved by which wavefront distortions of the measuring beam returning from the measuring section are eliminated or greatly reduced. Such wavefront distortions lead in the focal plane of the coupling lens to intensities outside the axis (outside the diameter of the diffraction-limited focal point), where the entry point of the waveguide, for example a glass fiber, lies and does not get into the waveguide, so it is not Room filter hidden. After the room filter, i.e. after the entry surface of the single-mode waveguide, one has a measuring beam "cleaned" of welien-front distortions with an almost ideal wavefront. The measuring beam thus becomes weaker, but can interfere perfectly with the full reference beam. So only the measuring beam is influenced.
Allerdings wird bei alleiniger (ohne asymmetrischen Strahlteiler) Verwendung eines Raumfilters das Ver¬ hältnis vom gewünschten Signalanteil zum Untergrund im photoelektrischen Interferenzssignal immer noch dann maximal, wenn der im Raumfilter erzeugte Verlust an Meßstrahlleistung Null ist. Also kann der Raumfil¬ ter alleine das Problem eines zu großen Untergrundes bzw. der Verstärkersättigung nicht lösen. Erst die erfindungsgemäße Kombination von asymmetri¬ sche Strahlteiler und einer Raumfiltereinrichtung im Meβstrahl erlaubt die Elimination des Signalunter¬ grunds und damit ein hochverstärkbares Ausgangsignal für den Einsatz höchstempfindlicher schneller Nach¬ weis- und Verstärkersysteme.However, when using a spatial filter alone (without an asymmetrical beam splitter), the ratio of the desired signal component to the background in the photoelectric interference signal is still at a maximum when the loss of measuring beam power generated in the spatial filter is zero. So the spatial filter alone cannot solve the problem of a too large background or amplifier saturation. Only the combination according to the invention of asymmetrical beam splitter and a spatial filter device in the measuring beam allows the elimination of the signal background and thus a highly amplifiable output signal for the use of highly sensitive, fast detection and amplifier systems.
Es sei die elektrische Feldamplitude des Lichtes im Referenzstrahl e R und im Meßstrahl a (l-R) . Der im Raumfilter und auf der Meßstrecke erzeugte Verlust an Meßstrahlleistung sei (1-σ) , mit 0<σ<l.Let it be the electric field amplitude of the light in the reference beam e R and in the measuring beam a (l-R). The loss of measuring beam power generated in the spatial filter and on the measuring section is (1-σ), with 0 <σ <l.
Das photoelektrische Signal ist dann: I - <{ 'R«a-cββ<i£t) ♦ ^σ-^(l-R) -a»cos<j£,t*kL>>a> Zeitmittel - R*aa/2 * σ-(l-R) .aa/2 + «fσ-« (1-R> .aa-cos<kL) , wobei w die Kreisfrequenz, k die Wellenzahl und L der opti¬ sche Wegunterschied zwischen Referenz- und Meβstrahl sind. Die spitzen Klammern "<> Zeitmittel" deuten an, daß über eine Lichtperiode gemittelt wird, sodaß schnell um Null oszillierende Tenne herausfallen.The photoelectric signal is then: I - <{' R « ac ββ <i £ t) ♦ ^ σ - ^ (lR) -a» cos <j £, t * kL >> a > time average - R * a a / 2 * σ- (lR) .a a / 2 + «fσ-« (1-R> .a a -cos <kL), where w is the angular frequency, k is the wave number and L is the optical path difference between the reference and Are measuring beam. The angle brackets "<> time average" indicate that averaging takes place over a light period, so that the zero oscillating threshing floor quickly falls out.
Es reduziert sich zwar die absolute Größe des Inter¬ ferenzsignals, aber der konstante Untergrund kann durch geeignete Wahl des Teilungsverhältnisses am Strahlteiler auf Null gebracht werden. Die Bedingung für R ist:The absolute size of the interference signal is reduced, but the constant background can be brought to zero by a suitable choice of the division ratio on the beam splitter. The condition for R is:
R = σ/(l+σ)R = σ / (l + σ)
Die Verluste auf der Meßstrecke und im Raumfilter (1- σ) werden dadurch ausgeglichen, daß durch das asymme¬ trische Verhältnis am Strahlteiler entsprechend mehr Licht (1-R) auf die Meβstrecke geschickt wird:The losses on the measuring section and in the spatial filter (1- σ) are compensated for by the fact that more asymmetric light (1-R) is sent onto the measuring section due to the asymmetrical ratio at the beam splitter:
1-R •= l/{2-(l-σ)} Dadurch wird der konstante Signaluntergrund auf Null reduziert und die höchstempfindlichen Verstärker kön¬ nen eingesetzt werden.1-R • = l / {2- (l-σ)} As a result, the constant signal background is reduced to zero and the most sensitive amplifiers can be used.
Da das Verhältnis des "konstanten" Untergrunds zum mit der optischen Weglängendifferenz von Meß- und Re¬ ferenzstrahl variierenden Signalhub U/S bei der Wahl R=σ/σ+l ein Minimum hat, ändert sich das Verhältnis U/S bei kleinen Schwankungen von σ, also bei kleinen Schwankungen der Verluste auf der Meßstrecke und im Raumfilter, nicht.Since the ratio of the "constant" background to the signal swing U / S, which varies with the optical path length difference between the measuring and reference beams, has a minimum when R = σ / σ + l, the ratio U / S changes from small fluctuations σ, i.e. with small fluctuations in losses on the measuring section and in the spatial filter, not.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Interferometers ist vorgesehen, daß die Raumfiltereinrichtung am Ende des im gasförmigen Um¬ gebungsmedium verlaufenden Teiles der Meßstrecke an¬ geordnet ist. Damit lassen sich die hauptsächlich auf der freien, im Umgebungsmedium verlaufenden Meß- strecke entstehenden Wellenfrontverzerrungen voll¬ ständig eliminieren. Zwischen Raumfilter und Rekombi¬ nationseinrichtung besteht kaum mehr die Gefahr von neuerlicher Wellenfrontverzerrungen des "gereinigten" Meßstrahls. Wird der Raumfilter durch eine Einkoppel- linse und das Eintrittsende eines Einmoden-Wellenlei- ters gebildet, so kann der in der Wellenfront begra¬ digte Meßstrahl ohne weitere Störungen mit einer wohldefinierten Wellenfront bis zur Rekombinations¬ einrichtung geführt werden und dort perfekt mit dem Referenzstrahl interferieren. Als Rekombinationsein¬ richtung kann vorteilhaft ein Strahlteiler mit einem symmetrischen Teilungsverhältnis von 1:1 eingesetzt werden. Anders als bei vielen herkömmlichen Interfe- rometern, wo der Strahlteiler zur Aufteilung in Refe- renz- und Meßstrahl und die Rekombinationseinrichtung von ein und demselben Strahlteuer gebildet sind, sind der asymmetrische Strahlteiler zur Aufteilung in Meß- und Referenzstrahl und die Rekombinationsein¬ richtung gesonderte Elemente, welche aber durchaus auf ein und demselben Trägersubstrat (Wafer) ausge¬ bildet sein können. Das Teilungsverhältnis des asym¬ metrischen Strahlteilers ist vorzugsweise einstell¬ bar, um eine perfekte Anpassung an die jeweiligen Ge¬ gebenheiten zu ermöglichen.According to a preferred embodiment of the interferometer according to the invention it is provided that the spatial filter device is arranged at the end of the part of the measuring section running in the gaseous ambient medium. This completely eliminates the wavefront distortions that occur mainly on the free measuring section running in the surrounding medium. Between the spatial filter and the recombination device there is hardly any risk of renewed wavefront distortions of the "cleaned" measuring beam. If the spatial filter is formed by a coupling-in lens and the entry end of a single-mode waveguide, the measuring beam, which is justified in the wavefront, can be guided without further interference with a well-defined wavefront to the recombination device and there can interfere perfectly with the reference beam . A beam splitter with a symmetrical division ratio of 1: 1 can advantageously be used as the recombination device. Unlike many conventional interferometers, where the beam splitter for division into reference and measuring beams and the recombination device are formed by one and the same beam controller, the asymmetrical beam splitter for division into measuring and reference beams and the recombining device are separate elements, which may, however, be formed on one and the same carrier substrate (wafer). The division ratio of the asymmetrical beam splitter is preferably adjustable in order to allow a perfect adaptation to the respective circumstances.
Bei dieser Ausführungsform wird der Meßstrahl am Me߬ spiegel nicht in sich selbst zurückgeworfen, sondern mit Strahlversatz über eine gesonderte Einkoppellinse (bzw. eine aus mehreren zu einem Linsensystem zusa - mengefaßten Einkoppellinsenanordnung) in einen zwei¬ ten Einmoden-Wellenleiter eingekoppelt. Dieser kon¬ struktive Mehraufwand stellt sicher, daß kein stören¬ des Licht vom Interferometer in die Laserlichtquelle zurückgekoppelt wird und bringt damit vor allem bei Laserdioden, die ihre Emission bei zurückgekoppeltem Licht empfindlich ändern, entscheidende Vorteile. Der verwendete Retroreflektor (d. h. ein Reflektor, der in einem bestimmten Winkelbereich zumindest in einer bestimmten Einfallsebene liegende Strahlen unabhängig vom Einfallswinkel parallel ~u sich selbst mit Strahlversatz zurückwerfen uin) stellt bei der Justage gegenüber ebenen Spiegeln keinen Nachteil dar. Es hat sich gezeigt, daß die beim seitlichen Verschieben des Retroreflektors auftretende Strahl- versatzänderung bei geeigneter Wahl der Aus- und Ein¬ koppellinsen leicht zu beherrschen ist, daß also das Treffen des zweiten Einmoden-Wellenleiters bzw. der Einkoppellinse eine Einkopplung des von der Me߬ strecke zurückkehrenden Wellenleiters relativ unkri- tisch ist. Außerdem weist der Retroreflektor Vorzugs- weise einen Tripelspiegel oder Tripelprisma, die Ei¬ genschaft der Kippinvarianz (auch beim Verdrehen des Retroreflektors bleibt der reflektierte Strahl paral¬ lel zum einfallenden Strahl) auf, was vor allem bei längeren Meßstrecken gegenüber ebenen Spiegeln einen Vorteil bringt. Ein Tripelspiegel reflektiert in ei¬ nem bestimmten Raumwinkelbereich einfallende Licht¬ strahlen parallel zu sich selbst zurück.In this embodiment, the measuring beam at the measuring mirror is not thrown back into itself, but is coupled into a second single-mode waveguide with a beam offset by means of a separate coupling lens (or a coupling lens arrangement combined from several to form a lens system). This additional constructive effort ensures that no interfering light is fed back from the interferometer into the laser light source and thus brings decisive advantages, particularly in the case of laser diodes which sensitively change their emission when the light is fed back. The retroreflector used (ie a reflector which reflects rays lying in a certain angular range at least in a certain plane of incidence regardless of the angle of incidence parallel ~ u itself with beam offset uin) does not represent a disadvantage in comparison with plane mirrors. It has been shown that the beam offset change occurring when the retroreflector is laterally shifted can be easily mastered with a suitable choice of the coupling and decoupling lenses, that is to say that the meeting of the second single-mode waveguide or coupling lens is relatively uncritical when the waveguide returns from the measuring path - is table. In addition, the retroreflector has preferred have a triple mirror or triple prism, the property of the tilt invariance (even when the retroreflector is turned, the reflected beam remains parallel to the incident beam), which has an advantage over longer mirrors compared to flat mirrors. A triple mirror reflects incident light rays parallel to itself in a specific solid angle range.
Gegenüber herkömmlichen Interferometern ohne Verwen¬ dung von Lichtleitern reduziert sich der Justierauf¬ wand im Bereich des Meßstrahles erheblich. Das Inter¬ ferometer ist dann richtig justiert (eine relativ einfache VorJustierung der übrigen optischen Kompo- nenten vorausgesetzt) , wenn ausreichend Licht in die zweite Glasfaser gekoppelt wird. Wie bereits oben er¬ wähnt, ist dies vor allem durch die Eigenschaft des Retroreflektors, Strahlen immer parallel zurückzuwer¬ fen, und durch geeignete Linsendimensionierungen nicht besonders kritisch. Günstigerweise wird man das Interferometer so ausbilden, daß der Einmoden-Wellen¬ leiter, aus dem der Meßstrahl ausgekoppelt wird, und der zweite Einmoden-Wellenleiter in ihrem der Me߬ strecke zugewandten Endbereich parallel liegen. Um eine genaue relative Justierung der gesonderten Ein- und Auskoppellinsen- und Wellenleiter zu erzielen, kann bevorzugt vorgesehen sein, daß zumindest die der Meßstrecke zugewandten Endbereiche des Einmoden-Wel- lenleiters, aus dem der Meßstrahl ausgekoppelt wird, und des zweiten Einmoden-Wellenleiters auf einem ge¬ meinsamen Träger festgelegt sind, wobei die Ein- und Auskopplungslinsen an diesem Träger befestigt sind. Soll dennoch ein planer Meßspiegel verwendet werden, so kann ein optischer Vorsatz dafür sorgen, daß der zurückkommende Strahl in den zweiten Wellenleiter eingekoppelt wird. Wenn es sich um einen Einmoden- Wellenleiter handelt, ist die Wellenfront im Wellen¬ leiter nahezu ideal. Wellenfrontverzerrungen entlang der Meßstrecke verschlechtern lediglich die Einkoppe- lung in den Wellenleiter. Ein derartiger Wellenleiter kann günstigerweise als eine auf einen Wafer eindif¬ fundierte Wellenleiterbahn ausgebildet sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Einmoden-Wel¬ lenleiter des Interferometers, der Strahlteuer und die Rekombinationseinrichtung auf demselben Wafer in¬ tegriert sind, und der Referenzstrahl sowie das aus der Rekombinationseinrichtung stammende Interferenz- signal ebenfalls in einmodigen Wellenleiterbahnen ge¬ führt ist, die im selben Wafer eindiffundiert sind. Durch diese integrierte Bauweise ist ein Großteil der optischen Komponenten fix vorjustiert und man erhält eine ideale Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem von Wellenfrontverzerrungen "gereinigten" Meβstrahl. Durch die fast ausschließliche Verwendung von integrierten optischen Komponenten kann auch ein erheblicher Preisvorteil gegenüber bekannten Interfe- rometern erzielt werden. Die Verwendung von in einem Wafer eindiffundierten Wellenleiterbahnen für ein In¬ terferometer ist zwar an sich bereits bekannt. Beim bekannten integrierten Interferometer wird aber der aus der Wellenleiterbahn austretende Meβstrahl durch einen is» geringem Abstand von der Austrittsstelle an¬ geordneten ebenen Spiegel teilweise in denselben Wel¬ lenleiter zurückgeworfen, womit es zu unerwünschten Rückkopplungen in die Lichtquelle kommt.Compared to conventional interferometers without the use of light guides, the adjustment effort in the area of the measuring beam is considerably reduced. The interferometer is then correctly adjusted (assuming a relatively simple pre-adjustment of the other optical components) if sufficient light is coupled into the second glass fiber. As already mentioned above, this is not particularly critical due to the property of the retroreflector to always reflect rays back in parallel, and due to suitable lens dimensions. The interferometer will advantageously be designed such that the single-mode waveguide from which the measuring beam is coupled out and the second single-mode waveguide lie parallel in their end region facing the measuring section. In order to achieve a precise relative adjustment of the separate coupling-in and coupling-out lens and waveguide, it can preferably be provided that at least the end regions of the single-mode waveguide facing the measuring section, from which the measuring beam is coupled out, and of the second single-mode waveguide a common carrier are fixed, the coupling and decoupling lenses being attached to this carrier. If a flat measuring mirror is nevertheless to be used, an optical attachment can ensure that the returning beam enters the second waveguide is coupled. If it is a single-mode waveguide, the wavefront in the waveguide is almost ideal. Wavefront distortions along the measurement path only worsen the coupling into the waveguide. Such a waveguide can expediently be designed as a waveguide path which is diffused onto a wafer. It is particularly advantageous if the single-mode waveguide of the interferometer, the beam controller and the recombination device are integrated on the same wafer, and the reference beam and the interference signal originating from the recombination device are also guided in single-mode waveguide paths. which are diffused into the same wafer. This integrated design means that most of the optical components are pre-adjusted and you get ideal interference between the reference beam and the measurement beam "cleaned" of wavefront distortions. Due to the almost exclusive use of integrated optical components, a considerable price advantage can be achieved compared to known interferometers. The use of waveguide tracks diffused into a wafer for an interferometer is indeed known per se. In the known integrated interferometer, however, the measurement beam emerging from the waveguide path is partially thrown back into the same waveguide by a plane mirror arranged at a small distance from the exit point, which leads to undesired feedback into the light source.
Selbstverständlich ist es auch möglich, daβ der Strahlteiler und die Rekombinationseinrichtung geson¬ derte optische Elemente sind. Wie bei der oben be- schriebenen optisch integrierten Variante ist es auch hier im Hinblick auf eine einfache wohldefinierte Ju¬ stierung günstig, wenn das aus der Lichtquelle stam¬ mende Licht in der gesamten Interferometeranordnung bis auf die im Umgebungsmedium zwischen Aus- und Ein- koppellinse(nanordnung) über den Retroreflektor ver¬ laufende Meβstrecke und gegebenenfalls bis auf den Bereich hinter der Rekombinationseinrichtung in Ein- moden-Wellenleitern geführt ist, wobei der Strahltei¬ ler und die Rekombinationseinrichtung durch Wellen- leiterkoppler gebildet sind.Of course, it is also possible for the beam splitter and the recombination device to be separate optical elements. As with the optically integrated variant described above, it is also Here, in view of a simple, well-defined adjustment, it is advantageous if the light originating from the light source is present in the entire interferometer arrangement except for the measuring section running through the retroreflector in the surrounding medium between the coupling and decoupling lens (and optionally) is guided into the area behind the recombination device in single-mode waveguides, the beam splitter and the recombination device being formed by waveguide couplers.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung wer¬ den an Hand von Ausführungsbeispielen in der folgen¬ den Figurenbeschreibung näher erläutert.Further advantages and details of the invention are explained in more detail with reference to exemplary embodiments in the following description of the figures.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäβen In¬ terferometeranordnung.Figures 1 to 3 show schematic representations of exemplary embodiments of the interferometer arrangement according to the invention.
Die in Fig. 1 gezeigte Interferometeranordnung weist eine Laserlichtquelle 1 (vorzugsweise eine Laser¬ diode) auf, deren Licht in eine Einmoden-Wellenlei- terbahn 2 eingekoppelt wird, welche auf einem Wafer 3 aus Lithium-Niobat eindiffundiert ist. In einem Strahlteiler B mit asymmetrischem Teilungsverhältnis zugunsten einer höheren Meßstrahlleitung erfolgt die Aufteilung in den Meβstrahl, der zunächst in der Wel¬ lenleiterbahn 4 weitergeführt ist und in den Refe¬ renzstrahl, der im ebenfalls im Wafer 3 integrierten Referenzzweig 5 über einen Spiegel 6 zur Rekombina¬ tionseinrichtung A führt. Der Meβstrahl tritt aus dem Wellenleiter 4 aus und wird mit einer Auskoppellinse 7 kollimiert. Die Meβstrecke führt nun durch das gas¬ förmige Umgebungsmedium (meist Luft) und über einen Retroreflektor 8 (Tripelspiegel) , der beispielsweise an einem nicht dargestellen Werkzeugschlitten befe¬ stigt ist. Dieser Retroreflektor 8 schickt den Meβ¬ strahl parallel versetzt wieder zurück, wobei eine seitliche Verschiebung des Retroreflektors oder des- sen Verkippung die Richtung des zurückstrahlendenThe interferometer arrangement shown in FIG. 1 has a laser light source 1 (preferably a laser diode), the light of which is coupled into a single-mode waveguide track 2, which is diffused onto a wafer 3 made of lithium niobate. In a beam splitter B with an asymmetrical division ratio in favor of a higher measuring beam line, the division into the measuring beam takes place, which is initially continued in the waveguide path 4 and into the reference beam, which is also integrated in the reference branch 5 in the wafer 3 via a mirror 6 to the recombina ¬ tion device A leads. The measuring beam emerges from the waveguide 4 and is collimated with a decoupling lens 7. The measuring section now leads through the gaseous ambient medium (usually air) and via a retroreflector 8 (triple mirror), which, for example is attached to a tool slide (not shown). This retroreflector 8 sends the measurement beam back parallel offset, with a lateral displacement of the retroreflector or its tilting the direction of the retroreflective
Meβstrahles nicht verändert, sondern lediglich in ei¬ nem unkritischen Ausmaβ seinen Parallelversatz.Measurement beam does not change, but only its parallel offset to an uncritical extent.
Der vom Retroreflektor 8 zurückkehrende Meβstrahl wird durch eine gesonderte Einkoppellinse 9 in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter 11 eingekoppelt. Damit wird eine Rückkopplung von störendem Laserlicht in die Laserdiode 1 vermieden.The measuring beam returning from the retroreflector 8 is coupled into a second single-mode waveguide 11 by a separate coupling lens 9. This prevents feedback of disruptive laser light into the laser diode 1.
Die Raumfiltereinrichtung ist im wesentlichen durch die am Ende der freien Meßstrecke angeordnete Linse 9 und den Einmoden-Wellenleiter 11 gebildet, d. h. bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wirkt die in der Brennebene der Linse 9 um den Brennpunkt herum angeordnete Fläche 10 des in den Wafer 3 eindiffun¬ dierten Einmoden-Wellenleiters 9 als Raumfilter, wel¬ cher auβerhalb des Brennpunktbereiches liegende, von Wellenfrontverzerrungen hervorgerufene Intensitäten ausblendet. Da es sich um einen Einmoden-Wellenleiter handelt, ist die Wellenfront des über die Linse 9 in den Wellenleiter 11 eingekoppelten Meβstrahles nahezu ideal und kann daher perfekt mit dem Referenzstrahl interferieren. Wellenfrontverzerrungen entlang der Meßstrecke über den Retroreflektor 8 führen lediglich zu einer Verschlechterung des Einkoppeins. Zur Ju¬ stierung der erfindungsgemäβen Interferometeranord¬ nung braucht lediglich ausreichend viel Licht in die im Wafer 3 eindiffundierte Wellenleiterbahn 11 gelan¬ gen. Dies ist aber nicht kritisch, da die vom Retro- reflektor 8 ebenfalls parallel zurückkommenden Strah- len von der Linse 9 im selben Punkt in der Brennebene gesammelt werden und dann alle den Wellenleiter 11 treffen. Eine Einkoppelung in den zweiten Wellenlei¬ ter erfolgt beim gezeigten Ausführungsbeispiel typi- scherweise für jene Strahlen, die im Millimeterbe¬ reich um die Linsenachse auf die Einkoppellinse auf¬ treffen, was keine besonders kritische Anforderung darstellt.The spatial filter device is essentially formed by the lens 9 arranged at the end of the free measuring section and the single-mode waveguide 11, that is to say in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 the surface 10 arranged in the focal plane of the lens 9 acts around the focal point in FIG Wafer 3 diffused single-mode waveguide 9 as a spatial filter, which fades out intensities caused by wavefront distortions lying outside the focal point region. Since it is a single-mode waveguide, the wavefront of the measurement beam coupled into the waveguide 11 via the lens 9 is almost ideal and can therefore interfere perfectly with the reference beam. Wavefront distortions along the measurement path via the retroreflector 8 only lead to a deterioration in the coupling. To adjust the interferometer arrangement according to the invention, only a sufficient amount of light needs to get into the waveguide path 11 diffused into the wafer 3. However, this is not critical since the rays also coming back in parallel from the retro reflector 8 len are collected by the lens 9 at the same point in the focal plane and then all hit the waveguide 11. In the exemplary embodiment shown, coupling into the second waveguide is typically carried out for those beams which impinge on the coupling lens in the millimeter range around the lens axis, which is not a particularly critical requirement.
Der von-der Meβstrecke zurückkehrende Meβstrahl wird in der als Strahlteiler A mit symmetrischem Teilungs¬ verhältnis ausgebildeten Rekombinationseinrichtung mit dem im Referenzzweig 5 geführten Referenzstrahl zur Interferenz gebracht. Die Interferenzsignale wer- den dann von Detektoren 12a-d erfaβt und in einer nicht dargestellten elektronischen Auswertschaltung ausgewertet.The measuring beam returning from the measuring section is brought into interference in the recombination device designed as beam splitter A with a symmetrical division ratio with the reference beam guided in the reference branch 5. The interference signals are then detected by detectors 12a-d and evaluated in an electronic evaluation circuit, not shown.
Das Teilungsverhältnis R des asymmetrischen Strahl- teilers B ist nun so gewählt, daβ die Leistungsverlu¬ ste (1-σ) auf der Meβstrecke und im Raumfilter 9, 10, 11 ausgeglichen sind, indem entsprechend mehr Licht (1-R) auf die Meβstrecke geschickt wird. Typische Werte von R liegen zwischen 10 % und 30 %. Mit R = σ/(l+σ) läβt sich der konstante Signaluntergrund auf Null reduzieren und hochempfindliche, zum Nachweis weniger Photonen geeignete photoelektrische Detekto¬ ren können eingesetzt werden.Die typische Lichtlei¬ stung auf einem der Detektoren ist etwa 2 μW. Um auch bei hohen Verschiebungsgeschwindigkeiten (2-10 m/s) messen zu können, ist das Meßzeitintervall 10-50 ns. In dieser Zeit kommen nur 60 000 bis 300 000 Photonen am Detektor an. Bei diesen Zahlen erreicht man mit Photo-Dioden nur ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 1:1. Mit den rauscharmen und hochverstärkenden Photo- multipliern bekommt man ein signal-zu-Rausch-Verhält- nis von «100:1. Die Detektoren 12a-d sind lediglich schematisch dargestellt und können beispielsweise Se¬ kundärelektronenvervielfacher oder Avalanchedioden mit elektronischer Verstärkerschaltung sein.The division ratio R of the asymmetrical beam splitter B is now selected so that the power losses (1-σ) on the measurement section and in the spatial filter 9, 10, 11 are compensated by correspondingly more light (1-R) on the measurement section is sent. Typical values of R are between 10% and 30%. With R = σ / (l + σ) the constant signal background can be reduced to zero and highly sensitive photoelectric detectors suitable for the detection of fewer photons can be used. The typical light output on one of the detectors is approximately 2 μW. In order to be able to measure even at high displacement speeds (2-10 m / s), the measuring time interval is 10-50 ns. During this time, only 60,000 to 300,000 photons arrive at the detector. With these numbers, a photo-to-noise ratio of 1: 1 can only be achieved with photo diodes. With the low-noise and high-amplification photo multiply you get a signal-to-noise ratio of «100: 1. The detectors 12a-d are only shown schematically and can be, for example, secondary electron multipliers or avalanche diodes with an electronic amplifier circuit.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Einfrequenz-Interferometer, bei dem zwei ver¬ schiedene Polarisationsrichtungen des von der Licht- quelle 1 ausgesandten Lichtes benutzt werden, um eine Information über die Bewegungsrichtung des Retrore¬ flektors 8 zu erhalten. Dazu ist vor der Rekombina¬ tionseinrichtung ein polarisationsabhängiger Phasen- verzögerer 13 integriert, der beispielsweise einen relativen Phasenunterschied von 90* zwischen den bei¬ den Polarisationsrichtungen hervorruft. Die zwei kom¬ plementären Ausgänge der Rekombinationseinrichtung A sind über im Wafer 3 eindiffundierte Wellenleiterbah¬ nen 14 bzw. 15 mit Polarisationsstrahl eilem 16 bzw. 17 verbunden, deren Ausgänge zu den erwähnten Photo¬ detektoren 12a-d führen. Diese Photodetektoren 12a-d empfangen in ihrer Phasenlaage relativ zueinander verschobene Interferenzsignale, aus denen sich nicht nur der Verschiebeweg des Retroreflektors 8, sondern auch dessen Verschieberichtung eindeutig bestimmen läβt. Weiters lassen sich aus der Erfassung der In¬ tensitäten beider komplementärer Ausgänge 14 und 15 der Rekombinationseinrichtung A Einfluβfaktoren (thermische Drifts der Mechanik und Elektronik, In- tensitätsschwankungen der Lichtquelle, Intensitäts¬ schwankungen aufgrund geringer DeJustierungen) , die sonst bei homodynem Betrieb zu Meβfehlern führen kön¬ nen, eliminieren, sodaβ festgestellt werden kann, ob Intensitätsänderungen nur aufgrund der Änderung von Einfluβfaktoren oder tatsächlich von einer Bewegung des Retroreflektors stammen. Man verwertet also nach der Vereinigung von Meβ- und Referenzstrahl nicht nur einen Interferenzsignal-Strahl, sondern nutzt auch den zweiten Ausgang des Strahlteilers, der ein kom- plementäres Interferenzsignal liefert. Da nun alleThe exemplary embodiment shown is a single-frequency interferometer, in which two different polarization directions of the light emitted by the light source 1 are used in order to obtain information about the direction of movement of the retroreflector 8. For this purpose, a polarization-dependent phase retarder 13 is integrated in front of the recombination device, which causes, for example, a relative phase difference of 90 * between the two directions of polarization. The two complementary outputs of the recombination device A are connected by way of waveguide tracks 14 and 15 diffused into the wafer 3 with polarizing beams 16 and 17, the outputs of which lead to the photo detectors 12a-d mentioned. In their phase position, these photodetectors 12a-d receive interference signals which are shifted relative to one another, from which not only the displacement path of the retroreflector 8 but also its displacement direction can be clearly determined. Furthermore, from the detection of the intensities of both complementary outputs 14 and 15 of the recombination device A, influencing factors (thermal drifts of the mechanics and electronics, fluctuations in intensity of the light source, fluctuations in intensity due to slight misadjustments), which otherwise lead to measurement errors in homodyne operation can eliminate, so that it can be determined whether changes in intensity only due to the change of influencing factors or actually from a movement of the retroreflector. After combining the measurement and reference beam, one not only uses an interference signal beam, but also uses the second output of the beam splitter, which delivers a complementary interference signal. Now everyone
Einflüsse, die die Intensität störend verändern, auf beide Komplementär-Signale in gleicher Weise einwir¬ ken, während nur ein tatsächliches Verfahren des Schlittens zur Änderung des Interferenzbildes und da- mit zu relativen Intensitätsverschiebungen der beiden Komplementär-Signale führt, hat man bei dieser Vor¬ gangsweise auch beim homodynen Laserinterferometer die Möglichkeit wie beim weiter unten beschriebenen Zweifrequenz-Gerät (Heterodyn-Verfahren) , einen Stillstand des mechanischen Systems sicher zu erken¬ nen. Durch die Einkopplung des Meβstrahles in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter und dem damit verknüpf¬ ten Raumfiltereffekt sowie durch die idealen Wellen¬ fronten in den Ein oden-Wellenleitern ist gewährlei- stet, daβ man auch unter Industriebedingungen tat¬ sächlich wohldefinierte komplmentäre Interferenzsig¬ nale erhält, die dann von der Elektronik zuverlässig ausgewertet werden können.Influences which change the intensity in a disturbing manner act on both complementary signals in the same way, while only one actual method of the slide leads to a change in the interference pattern and thus to relative intensity shifts of the two complementary signals, is the object of this approach ¬ in the case of the homodyne laser interferometer, as in the case of the dual-frequency device (heterodyne method) described below, the possibility of reliably detecting a standstill of the mechanical system. The coupling of the measurement beam into a second single-mode waveguide and the associated spatial filter effect and the ideal wave fronts in the single-electrode waveguides ensure that complementary interference signals are actually well-defined even under industrial conditions which can then be reliably evaluated by the electronics.
Grundsätzlich läβt sich die erfindungsgemäβe Interfe¬ rometeranordnung auch heterodyn betreiben, wobei zwei frequenzmäßig leicht verschiedene Lichtfrequenzen verwendet werden. Das verwendete Lithium-Niobatmate- rial hat den Vorteil, daß auch akustooptische Modula- toren integriert werden können, wobei diese aufge¬ dampft werden, um eine um die akustische Frequenz verschobene Lichtfrequenz zu erhalten. Man müßte dann einen solchen akustooptischen Modulator kurz vor dem Austritt des Meβstrahles aus dem Wafer 3 einbauen, wobei es aus signaltechnischen Gründen unter Umstän- den empfehlenswert wäre, einen zweiten akustoopti- schen Modulator mit ein vom ersten Modulator ver¬ schiedenen Modulationsfrequenz in den Referenzstrahl einzubauen, um direkte Übersprecher in die Nachweis- elektronik zu vermeiden. Bei der heterodynen Variante des Interfero eters ist dann nur ein Detektor an¬ stelle der vier Photoelemente 12a-d nötig. Auch kön¬ nen der polarisationsabhängige Phasenverzögerer und die Polarisationsstrahlteiler 16 und 17 entfallen.In principle, the interferometer arrangement according to the invention can also be operated heterodyne, two light frequencies having slightly different frequencies being used. The lithium niobate material used has the advantage that acousto-optical modulators can also be integrated, these being vaporized in order to obtain a light frequency shifted by the acoustic frequency. Such an acousto-optic modulator would then have to be installed shortly before the measuring beam emerges from the wafer 3. it would be recommendable to install a second acousto-optic modulator with a modulation frequency different from the first modulator in the reference beam in order to avoid direct crosstalk into the detection electronics. In the heterodyne variant of the interferer, only one detector is then required instead of the four photo elements 12a-d. The polarization-dependent phase retarder and the polarization beam splitters 16 and 17 can also be omitted.
Durch die integrierte Bauweise, bei der das Licht im Wafer in Einmoden-Wellenleiterbahnen geführt ist, er¬ zielt man eine kompakte Bauweise und eine ausgezeich¬ nete Interferenz zwischen Referenzstrahl und Meβ- strahl, da beide in den Einmoden-Wellenleitern ideale Wellenfronten aufweisen. Außerdem ist damit ein Gro߬ teil der optischen Komponenten bereits vorjustierbar.The integrated design, in which the light in the wafer is guided in single-mode waveguide tracks, achieves a compact design and excellent interference between the reference beam and measuring beam, since both have ideal wavefronts in the single-mode waveguides. In addition, a large part of the optical components can already be pre-adjusted.
Durch die Maßnahme, daß die im Wafer verlaufende Re- ferenzstrecke 5 und die Summe der im Wafer verlaufen¬ den Teile 4 und 11 der Meβstrecke gleich lang sind, wird das Interferometer auch weitgehend unabhängig von der Temperatur des Wafers 3. Als Lichtquellen eignen sich insbesondere Laserdioden 1, da diese we- nig Platz einnehmen und kostengünstig sind.As a result of the measure that the reference path 5 running in the wafer and the sum of the parts 4 and 11 of the measuring path running in the wafer are of equal length, the interferometer is also largely independent of the temperature of the wafer 3. Particularly suitable as light sources Laser diodes 1 because they take up little space and are inexpensive.
Da das Meβergebnis eines Interferometers in Einheiten der auf der Meβstrecke vorhandenen Luftwellenlänge vorliegt, die ihrerseits von der Frequenz des Lichtes und der Brechzahl des Umgebungsmediums (meist Luft) abhängt, ist es günstig, diese Luftwellenlänge über eine eigene Einrichtung laufend zu bestimmen. Bei be¬ kannter Frequenz der Lichtquelle reicht eine Brech¬ zahlbestimmung aus, um die Luftwellenlänge zu kennen. Im einfachsten Fall kann die Brechzahlbestimmung nach der sogenannten Parametermethode durch Bestimmung der Lufttemperatur, der Luftfeuchte und des Luftdruckes ermittelt werden. Will man die Wellenlänge des Lichts in der Luft direkt bestimmen, so, bietet sich die Möglichkeit eines Vergleiches mit einer Maβverkörpe- rung (Etalon) an, in der dieselben Umweltbedingungen herrschen wie auf der Meβstrecke. In einem solchen Fall ist es nötig, aus der Lichtquelle stammendes Licht aus dem eigentlichen Interferometer abzuzwei- gen. Dies geschieht im einfachsten Fall über einen Strahlteuer C, der gleich nach der Lichtquelle im Strahlengang angeordnet ist.Since the measurement result of an interferometer is available in units of the air wavelength present on the measurement section, which in turn depends on the frequency of the light and the refractive index of the surrounding medium (mostly air), it is advantageous to continuously determine this air wavelength using your own device. If the frequency of the light source is known, a refractive index determination is sufficient to know the air wavelength. In the simplest case, the refractive index can be determined the so-called parameter method can be determined by determining the air temperature, the air humidity and the air pressure. If you want to determine the wavelength of light in the air directly, you can compare it with a measuring standard (etalon) in which the same environmental conditions prevail as on the measuring section. In such a case, it is necessary to divert light originating from the light source from the actual interferometer. In the simplest case, this is done using a beam controller C, which is arranged immediately after the light source in the beam path.
Durch die Maβnahme, daβ man den Meβstrahl vor der Meβstrecke im Umgebungsmedium in einem Einmoden-Wel¬ lenleiter führt und dann über eine Auskoppellinse auf die Meβstrecke führt, erreicht man eine hervorragende Konstanz und Reproduzierbarkeit der optischen Strahl¬ führung.The measure of leading the measurement beam in front of the measurement section in the surrounding medium in a single-mode waveguide and then guiding it via a decoupling lens to the measurement section achieves excellent constancy and reproducibility of the optical beam guidance.
Als Wafermaterialien eignen sich neben dem angespro¬ chenen Lithium-Niobat beispielsweise auch Glas und Galliumarsenid.In addition to the lithium niobate mentioned, glass and gallium arsenide, for example, are also suitable as wafer materials.
Neben der Möglichkeit, die Einmoden-Wellenleiter auf einem Wafer zu integrieren, besteht auch die Möglich¬ keit, Lichtleitfasern, insbesondere Glasfasern, zu verwenden, wie dies beim in Fig. 2 dargestellten Aus¬ führungsbeispiel der Fall ist. Das in Fig. 2 darge- stellte Interferometer dient zur Erfassung des Ver¬ schiebeweges eines beweglichen Bauteiles (nicht dar¬ gestellt) , auf dem der Tripelspiegel 8 günstigerweise direkt befestigt ist. Das aus einem Laser stammende Licht wird in die Glasfaser 2 eingekoppelt und ge- langt hierauf in den Koppler B, der eine asymmetri- sehe Aufteilung des Lichtes in die zum Meβzweig gehö¬ rige Glasfaser 4 und die zum Referenzzweig gehörige Glasfaser 5 vornimmmt. über eine Auskoppeilinse 7 ge¬ langt das Licht aus der Glasfaser 4 auf die eigentli- ehe im Umgebungsmedium (Luft) verlaufende Meβstrecke und wird mit Strahlversatz durch den Tripelspiegel 8 parallel zu sich selbst zurückgeworfen. Eine geson¬ derte Einkoppellinse 9 koppelt den zurückreflektier¬ ten Meβstrahl in einen zweiten Einmoden-Wellenleiter (Glasfaser 11) ein, wobei wiederum der Raumfilter¬ effekt zum Tragen kommt und Wellenfrontverzerrungen "begradigt" werden.In addition to the possibility of integrating the single-mode waveguides on a wafer, there is also the possibility of using optical fibers, in particular glass fibers, as is the case with the exemplary embodiment shown in FIG. 2. The interferometer shown in FIG. 2 is used to record the displacement of a movable component (not shown) on which the triple mirror 8 is favorably attached directly. The light originating from a laser is coupled into the glass fiber 2 and then reaches the coupler B, which has an asymmetrical see division of the light into the glass fiber 4 belonging to the measuring branch and the glass fiber 5 belonging to the reference branch. Via a decoupling lens 7, the light from the glass fiber 4 reaches the measurement section actually running in the ambient medium (air) and is reflected back parallel to itself with a beam offset by the triple mirror 8. A special coupling-in lens 9 couples the back-reflected measuring beam into a second single-mode waveguide (glass fiber 11), the spatial filter effect again being used and wavefront distortions being "straightened".
Günstigerweise liegen auch bei dem in Fig. 2 darge- stellten Ausführungsbeispiel die der Meβstrecke zuge¬ wandten Endbereiche der Glasfasern 4 und 11 parallel, womit ohne aufwendige Umlenkeinrichtungen bei einer Verschiebung des Tripelspiegels 8 immer eine gute Einkopplung des von der Meβstrecke zurückkehrenden Meβstrahles in die Glasfaser 11 gegeben ist. Um eine präzise, relative Ausrichtung der Enden der Glasfa¬ sern 4 und 11 zu erzielen, können diese auf einem ge¬ meinsamen Träger 18 befestigt sein, der günstiger¬ weise auch die Auskoppellinse 7 und die Einkoppel- linse 9 trägt, womit auch deren relative Justierung zu den Glasfasern 4 bzw. 11 sichergestellt ist.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the end regions of the glass fibers 4 and 11 facing the measuring section are advantageously parallel, which means that there is always a good coupling of the measuring beam returning from the measuring section into the glass fiber without complex deflection devices when the triple mirror 8 is displaced 11 is given. In order to achieve a precise, relative alignment of the ends of the glass fibers 4 and 11, these can be fastened on a common carrier 18, which advantageously also carries the decoupling lens 7 and the coupling lens 9, which also means their relative Adjustment to the glass fibers 4 and 11 is ensured.
Die Einkoppellinse 9 und die Auskoppellinse 7 sind günstigerweise gleich ausgebildet und weisen insbe- sondere dieselbe Brennweite auf. Als Ein- und Auskop¬ pellinsen eignen sich insbesondere Gradienten-Index- Linsen, die über ihre ebene Anschluβflache direkt am Träger 18 befestigbar sind. Das von der Meβstrecke in der Glasfaser 11 zurückge¬ führte Licht und das in der Glasfaser 5 des Referenz¬ zweiges geführte Licht werden im symmetrischen Kopp¬ ler A rekombiniert. Die vorzugsweise 90° betragende Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationen zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Meβschlittens kann in bekannter Weise über die Totalreflexion im Tripelprisma oder mit einer doppelbrechenden Viertel¬ wellenplatte (in Fig. 2 nicht gezeigt) im Meβstrahl erreicht werden. Die Interferenzsignale an den beiden Ausgängen vom Koppler A werden mit einem Polarisa¬ tionsstrahlteiler oder mit einem Strahlteiler und Po¬ larisator nach den senkrecht zueinander stehenden Po- larisationszuständen getrennt erfaβt (schematisch dargestellte Detektoren 12a, b, c, d) . Gemäβ dem Aus¬ führungsbeispiel in Fig. 2 erfolgt die polarisations- zustandabhängige Aufteilung über zwei Strahlteiler AI* und A2' und vier vor jedem Detektor 12a-d ange¬ ordneten Polarisationsfiltern 26a-d. Wenn anstelle der Strahlteiler AI1 und A2' Polarisationsstrahltei- ler verwendet werden, können die Polarisationsfilter 26a-d entfallen.The coupling lens 9 and the coupling lens 7 are advantageously of the same design and in particular have the same focal length. Gradient index lenses, which can be attached directly to the carrier 18 via their flat connection surface, are particularly suitable as the coupling-in and coupling-out lenses. The light returned from the measuring section in the glass fiber 11 and the light guided in the glass fiber 5 of the reference branch are recombined in the symmetrical coupler A. The preferably 90 ° phase shift between the two polarizations for detecting the direction of movement of the measuring carriage can be achieved in a known manner via total reflection in the triple prism or with a birefringent quarter wave plate (not shown in FIG. 2) in the measuring beam. The interference signals at the two outputs from coupler A are detected separately with a polarization beam splitter or with a beam splitter and polarizer according to the polarization states which are perpendicular to one another (schematically illustrated detectors 12a, b, c, d). According to the exemplary embodiment in FIG. 2, the polarization-state-dependent division is carried out over two beam splitters AI * and A2 'and four polarization filters 26a-d arranged in front of each detector 12a-d. If polarization beam splitters are used instead of the beam splitters AI 1 and A2 ', the polarization filters 26a-d can be omitted.
Die polarisationsabhängige Signalaufteilung kann al- ternativ auch so erfolgen, wie es in den Figuren 2a bzw. 2b dargestellt ist (bei den Varianten dieser Fi¬ guren ist die Anordnung vor der Rekombinationsein¬ richtung A gleich wie in Fig. 2) . Nach Figur 2a ist eine Linse 27 vorgesehen, die knapp vor den beiden Austrittsstellen der Rekombinationseinrichtung A an¬ geordnet ist. Die beiden von der Linse 27 abgebilde¬ ten Strahlen gelangen auf einen Polarisationsstrahl¬ teiler A3 und von dort zu den vier Detektoren 12a-d. Bei der Variante gemäβ Fig. 2b wird gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Variante auf die Strahlteiler AI* und A2' verzichtet und die divergenten Abstrahl¬ kegel 28, 29 aus den beiden Austrittsfasern der Re¬ kombinationseinrichtung A ausgenutzt, um eine räumli¬ che und letztlich über die Polarisationsfilter 26a-d die polarisationszustandabhangige Signalaufteilung zu erreichen. Die Detektoren 12a-d sind an eine elektro¬ nische Auswertschaltung 19 angeschlossen, welche bei¬ spielsweise die Lage des Meβspiegels 8 errechnet und anzeigt.The polarization-dependent signal division can alternatively also take place as shown in FIGS. 2a and 2b (in the variants of these figures, the arrangement in front of the recombination device A is the same as in FIG. 2). According to FIG. 2a, a lens 27 is provided, which is arranged just before the two exit points of the recombination device A. The two beams imaged by the lens 27 reach a polarization beam splitter A3 and from there to the four detectors 12a-d. In the variant according to FIG. 2b, compared to the variant shown in FIG. 2, the beam splitter is used AI * and A2 'are dispensed with and the divergent radiation cones 28, 29 from the two exit fibers of the recombining device A are used in order to achieve a spatial and ultimately the polarization state-dependent signal distribution via the polarization filters 26a-d. The detectors 12a-d are connected to an electronic evaluation circuit 19 which, for example, calculates and displays the position of the measuring mirror 8.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das aus der Lichtquelle 1 stammende Licht bis auf die im Umge¬ bungsmedium verlaufende Meβstrecke in Einmoden-Wel- lenleitern (Glasfasern) geführt, womit der Einfluβ von Störlicht weitgehend ausgeschaltet ist und bei der Rekombination im Koppler A in der Meβzweig-Glas- faser 11 und in der Referenzzweig-Glasfaser 5 wohlde¬ finierte Wellenfronten vorliegen, die ein hervorra¬ gendes Interferenzsignal garantieren. Durch den bei der Einkopplung des von der Meβstrecke zurückkehren¬ den Meβstrahles in die Glasfaser 11 auftretenden Raumfiltereffekt werden allenfalls vorhandene Wellen¬ frontverzerrungen eliminiert. Durch den asymmetri¬ schen Strahlteiler B können die höheren Verluste auf der Meβstrecke und im Raumfilter 9, 11 ausgeglichen werden.As can be seen from FIG. 2, the light originating from the light source 1 is guided in single-mode waveguides (glass fibers) up to the measuring section running in the ambient medium, which largely eliminates the influence of stray light and during recombination in the coupler A there are well-defined wavefronts in the measuring branch glass fiber 11 and in the reference branch glass fiber 5, which guarantee an excellent interference signal. The spatial filter effect which occurs when the measuring beam returning from the measuring section is coupled into the glass fiber 11 eliminates any wavefront distortions that may be present. The higher losses on the measurement section and in the spatial filter 9, 11 can be compensated for by the asymmetrical beam splitter B.
Bei vielen bekannten Interferometern wird der Strahl- teuer zur Aufteilung des Lichtes im Meβstrahl und Referenzstrahl gleichzeitig auch als Rekombinations¬ einrichtung verwendet, an der der Meβstrahl und der Referenzstrahl zur Interferenz gebracht werden. Gemäβ einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daβ der Strahlteiler (Koppler B) und die Rekombinationseinrichtung (Koppler A) gesonderte op- tische Bauelemente sind, um Rückwirkungen von Laser¬ licht auf die Lichtquelle sicher auszuschlieβen.In many known interferometers, the beam expensive for dividing the light in the measuring beam and reference beam is also used as a recombination device at which the measuring beam and the reference beam are brought into interference. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the beam splitter (coupler B) and the recombination device (coupler A) have separate op- Table components are to reliably exclude the effects of laser light on the light source.
Die Summe der Glaswege in der Glasfaser 4 und 11 und der Weg in der Glasfaser 5 sind vorzugsweise gleich lang, um bei allfälligen Temperaturschwankungen keine relativen Längenänderungen zwischen Referenz- und Meβzweig zu haben.The sum of the glass paths in the glass fibers 4 and 11 and the path in the glass fiber 5 are preferably of the same length in order not to have any relative changes in length between the reference and measuring branches in the event of temperature fluctuations.
Bei der Dimensionierung der Ein- bzw. Auskσppellinsen (insbesondere von deren Brennweite) sind mehrere Punkte zu beachten: Die erreichbare Genauigkeit in der WinkelJustierung der optischen Achsen der Ein- und Auskoppellinsen, der Durchmesser und damit die beugungsbegrenzte Divergenz des Lichtstrahles auf der Meβstrecke und die Winkelgenauigkeit des Retroreflek¬ tors. Es hat sich herausgestellt, daβ bei den typi¬ schen Kerndurchmessern eines Einmoden-Wellenleiters (z. B. monomode Glasfaser) im Mikrometerbereich und bei den typischen Öffnungswinkeln des Abstrahlkegels aus dem Wellenleiter Linsenbrennweiten im Bereich von 2 mm bis 20 mm, vorzugsweise zwischen 5 und 10 mm be¬ sonders günstig sind, wenn man Verschiebewege bis in den Meterbereich erfassen will.When dimensioning the coupling and uncoupling lenses (especially their focal length), there are several points to consider: the achievable accuracy in the angular adjustment of the optical axes of the coupling and decoupling lenses, the diameter and thus the diffraction-limited divergence of the light beam on the measurement section and the Angular accuracy of the retroreflector. It has been found that with the typical core diameters of a single-mode waveguide (e.g. monomode glass fiber) in the micrometer range and with the typical opening angles of the radiation cone from the waveguide, lens focal lengths in the range from 2 mm to 20 mm, preferably between 5 and 10 mm are particularly favorable if one wants to record displacement distances in the meter range.
Die Raumfiltereinrichtung 30 kann auch durch eine Linse-Lochblende-Linse-Kombination verwirklicht sein, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Eine solche Kombina¬ tion lieβe sich auch bei bestehenden Interferometern mit diskreten optischen Bauteilen nachrüsten. Der von der Meβstrecke zurückkehrende Meβstrahl 31 wird durch eine Sammellinse 32 auf die Öffnung der Lochblende 33 fokussiert und anschlieβend durch eine Kollimations- linse 34 kollimiert. Die Lochblende 33 blendet von Wellenfrontverzerrungen stammende höhere Raumfrequen- zen aus, da diese im Brennpunktsbereich der Linse 32, wo die Öffnung der Lochblende 33 angeordnet ist, ra¬ dial weiter auβerhalb liegen.The spatial filter device 30 can also be implemented by a lens-pinhole-lens combination, as shown in FIG. 3. Such a combination could also be retrofitted with existing interferometers with discrete optical components. The measurement beam 31 returning from the measurement section is focused by a converging lens 32 onto the opening of the perforated diaphragm 33 and then collimated by a collimation lens 34. The pinhole 33 dazzles higher spatial frequencies originating from wavefront distortions zen out, since these are located radially outside in the focal point region of the lens 32, where the opening of the pinhole 33 is arranged.
Der gereinigte Meβstrahl 31' und der ReferenzstrahlThe cleaned measuring beam 31 'and the reference beam
35 können an der als 1:1-Strahlteilerplatte A1 ausge¬ bildeten Rekombinationseinrichtung perfekt interfe¬ rieren. Das Interferenzsignal 36, welches durch ge¬ eignete Wahl des Teilungsverhältnisses des nicht dar- gestellten, asymmetrischen Strahlteilers zur Auftei¬ lung in Meβ- und Referenzstrahl keinen Signalunter¬ grund enthält, gelangt über eine Linse 37 auf einen hochempfindlichen Verstärker 38. 35 can interfere perfectly with the recombination device designed as a 1: 1 beam splitter plate A 1 . The interference signal 36, which contains no signal background due to a suitable choice of the division ratio of the asymmetrical beam splitter (not shown) for division into the measurement and reference beam, passes through a lens 37 to a highly sensitive amplifier 38.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : Patent claims:
1. Interferometer, insbesondere zur Entfemungs- bzw. Verschiebewegbestimmung eines beweglichen Bautei- les, mit einer Laserlichtquelle, mit einem asymme¬ trischen Strahlteiler zur intensitätsmäβig unglei¬ chen Aufteilung des von der Laserlichtquelle emit¬ tierten Lichtes in einen Referenzstrahl und einen Meβstrahl, der über eine zumindest teilweise in einem gasförmigen Umgebungsmedium verlaufende und über einen beweglichen Meβspiegel führende Meβ¬ strecke geführt ist, mit einer Rekombinationsein¬ richtung, an der der über eine Referenzstrecke ge¬ führte Referenzstrahl und der vom Meβspiegel zu- rückkehrende Meβstrahl interferieren, und mit ei¬ ner Detektoreinrichtung zur Analyse zumindest ei¬ nes aus der Rekombinationseinrichtung austreten¬ den, optischen InterferenzSignals, dadurch gekenn¬ zeichnet, daβ zwischen Meβspiegel (8) und Rekombi- nationseinrichtung (A) eine Raumfiltereinrichtung (9, 10, 11; 30) angeordnet ist, durch die der vom Meβspiegel (8) zurückkehrende Meβstrahl geführt ist.1. Interferometer, in particular for determining the distance or displacement path of a movable component, with a laser light source, with an asymmetrical beam splitter for the intensity-wise non-uniform division of the light emitted by the laser light source into a reference beam and a measuring beam, the a measuring path running at least partially in a gaseous ambient medium and passing over a movable measuring mirror is guided, with a recombination device, on which the reference beam guided over a reference path and the measuring beam returning from the measuring mirror interfere, and with ei¬ ner detector device for analyzing at least one optical interference signal emerging from the recombination device, characterized in that a spatial filter device (9, 10, 11; 30) is arranged between the measuring mirror (8) and the recombination device (A), through which the from the measuring mirror (8) to returning measuring beam is guided.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daβ die Raumfiltereinrichtung (9, 10, 11; 30) am Ende des im gasförmigen Umgebungsmedium verlaufenden Teiles der Meβstrecke angeordnet ist.2. Interferometer according to claim 1, characterized in that the spatial filter device (9, 10, 11; 30) is arranged at the end of the part of the measuring section running in the gaseous ambient medium.
3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daβ die Raumfiltereinrichtung (30) eine mit Abstand hinter einer Linse (32) angeord¬ nete Lochblende (33) aufweist, durch die der Meβ¬ strahl (31) geführt ist und hinter welcher vor- zugsweise eine weitere Linse (34) mit Abstand an¬ geordnet ist. 3. Interferometer according to claim 1 or 2, characterized in that the spatial filter device (30) has a perforated diaphragm (33) arranged at a distance behind a lens (32), through which the measuring beam (31) is guided and behind which a further lens (34) is preferably arranged at a distance.
4. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Raumfiltereinriσhtung einen Wellenleiter (11) und eine Einkoppellinse (9) zur Einkopplung des vom Meβspiegel (8) zurückkehrenden Meβstrahles in den Wellenleiter (11) aufweist.4. Interferometer according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the spatial filter device has a waveguide (11) and a coupling lens (9) for coupling the measuring beam returning from the measuring mirror (8) into the waveguide (11).
5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daβ der Wellenleiter (11) ein Einmoden- Wellenleiter ist.5. Interferometer according to claim 4, characterized in that the waveguide (11) is a single-mode waveguide.
6. Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daβ der Einmoden-Wellenleiter (11) eine onomode Glasfaser ist.6. Interferometer according to claim 5, characterized in that the single-mode waveguide (11) is an onomode glass fiber.
7. Interferometer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, daβ der Wellenleiter (11) als in ei¬ nem Wafer eindiffundierte Wellenleiterbahn ausge¬ bildet ist.7. Interferometer according to claim 4 or 5, characterized in that the waveguide (11) is formed as a waveguide path diffused into a wafer.
8. Interferometer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daβ der Meβstrahl nach dem asymmetrischen Strahlteiler (B) zunächst in einem Einmoden-Wellenleiter (4) geführt ist und von die¬ sem über eine kollimierende Auskoppellinse (7) auf den im gasförmigen Umgebungsmedium verlaufenden Teil der Meβstrecke gelangt, und daß ein zweiter Ein oden-Wellenleiter (11) und eine gesonderte Einkoppellinse (9) vorgesehen ist, welche den durch den als Retroreflektor (8) ausgebildeten Meβspiegel (8) mit Strahlversatz zurückreflektier¬ ten Meßstrahl in den zweiten Einmoden-Wellenleiter (11) einkoppelt.8. Interferometer according to one of claims 4 to 7, characterized in that the measuring beam after the asymmetrical beam splitter (B) is initially guided in a single-mode waveguide (4) and from this one via a collimating coupling-out lens (7) to the im Gaseous part of the measuring section running in the gaseous medium passes, and that a second one-electrode waveguide (11) and a separate coupling lens (9) are provided, which reflect the measuring beam (8) which is reflected by the beam mirror as a retroreflector (8) couples the second single-mode waveguide (11).
9. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Laser¬ lichtquelle (1) stammende Licht im gesamten Inter¬ ferometer bis auf den zwischen Aus- und Einkoppel- linse über den Meβspiegel verlaufenden Teil der Meβstrecke und gegebenenfalls auf den Bereich hin¬ ter der Rekombinationseinrichtung (A) in Einmoden- Wellenleitern geführt ist, wobei der Strahlteiler (B) und die Rekombinationseinrichtung (A) durch Wellenleiterkoppler gebildet sind.9. Interferometer according to one of claims 1 to 8, characterized in that the light coming from the laser light source (1) in the entire interferometer except for the coupling and decoupling The lens is guided over the part of the measuring section that extends over the measuring mirror and optionally onto the area behind the recombination device (A) in single-mode waveguides, the beam splitter (B) and the recombination device (A) being formed by waveguide couplers.
10. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daβ der Strahlteuer (B) und die Rekombinationseinrichtung (A) gesonderte optische Elemente sind.10. Interferometer according to one of claims 1 to 9, characterized in that the beam controller (B) and the recombination device (A) are separate optical elements.
11. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daβ die Summe der zwischen Strahlteiler (B) und Rekombinationseinrichtung (A) in einem Wellenleiter (4, 11) verlaufenden Strek- ken des Meβstrahles und die in einem Wellenleiter (5) verlaufende Referenzstrecke gleich lang sind.11. Interferometer according to one of claims 1 to 10, characterized in that the sum of the distances between the beam splitter (B) and the recombination device (A) in a waveguide (4, 11) extending the measurement beam and in a waveguide (5) running reference distance are of equal length.
12. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daβ ein Wellenleiter (2) , vorzugsweise eine Glasfaser oder eine in ein Trä¬ gersubstrat eindiffundierte Wellenleiterbahn, zur Zufuhr von Licht zum Strahlteiler (B) vorgesehen ist und der asymmetrische Strahlteiler (B) als Fa- serkoppler bzw. Wellenleiterkoppler ausgebildet ist.12. Interferometer according to one of claims 1 to 11, characterized in that a waveguide (2), preferably an optical fiber or a waveguide path diffused into a carrier substrate, is provided for supplying light to the beam splitter (B) and the asymmetrical beam splitter ( B) is designed as a fiber coupler or waveguide coupler.
13. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daβ das Teilungsverhältnis des asymmetrischen Strahlteilers (B) so gewählt ist, daβ sich der konstante Signaluntergrund der von der Detektoreinrichtung (12a-d, 19; 38) erfaβ- ten Interferenzsignalintensität auf Null redu- ziert. 13. Interferometer according to one of claims 1 to 12, characterized in that the division ratio of the asymmetrical beam splitter (B) is chosen so that the constant signal background of the interference signal intensity detected by the detector device (12a-d, 19; 38) Reduced to zero.
14. Interferometer nach Anspruch 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, daβ das Teilungverhältnis des asymmetri¬ schen Strahlteilers (B) im wesentlichen gleich R=σ/σ+l ist, wobei σ jener auf die Meβstrahllei- stung direkt nach dem asymmetrischen Strahlteiler (B) bezogene Anteil der Meßstrahlleistung ist, der nach der Raumfiltereinrichtung (9, 10, 11; 30) noch vorhanden ist, und wobei die elektrische Feldamplitude des Lichtes nach dem asymmetrischen Strahlteiler (B) im Referenzstrahl a75 und im Meβ¬ strahl a_/(l-R) beträgt, wobei a eine positive Zahl ist.14. Interferometer according to claim 13, characterized in that the division ratio of the asymmetrical beam splitter (B) is essentially equal to R = σ / σ + l, with σ being based on the measuring beam power directly after the asymmetrical beam splitter (B ) related portion of the measuring beam power that is still present after the spatial filter device (9, 10, 11; 30), and the electrical field amplitude of the light after the asymmetrical beam splitter (B) in the reference beam a75 and in the measuring beam a _ / (lR ), where a is a positive number.
15. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilungsverhältnis des asymmetrischen Strahlteilers (B) verstellbar ist.15. Interferometer according to one of claims 1 to 14, characterized in that the division ratio of the asymmetrical beam splitter (B) is adjustable.
16. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daβ das Teilungsverhältnis des als Rekombinationseinrichtung eingesetzten Strahlteilers (A) in etwa 1:1 ist.16. Interferometer according to one of claims 1 to 15, characterized in that the division ratio of the beam splitter (A) used as a recombination device is approximately 1: 1.
17. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daβ die photoelektrische17. Interferometer according to one of claims 1 to 16, characterized in that the photoelectric
Detektoreinrichtung eine hochempfindliche, zum Nachweis weniger Photonen geeignete Photodetektor- Verstärker-Kombination umfaβt.Detector device comprises a highly sensitive combination of photodetectors and amplifiers suitable for the detection of fewer photons.
18. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daβ die photoelektrische Detektoreinrich^t _g wenigstens einen kapazitätsar¬ men Photodetekt s vorzugsweise eine Avalanche- diode, kombiniert mit einer elektronischen Ver- Stärkerschaltung aufweist. 18. Interferometer according to one of claims 1 to 17, characterized in that the photoelectric detector device has at least one low-capacitance photodetector, preferably an avalanche diode, combined with an electronic amplifier circuit.
19. Interferometer nach einem der Ansprüche l bis 17, dadurch gekennzeichnet, daβ die photoelektrische Detektoreinrichtung wenigstens einen Sekundärelek¬ tronenvervielfacher (Photomultiplier) aufweist.19. Interferometer according to one of claims 1 to 17, characterized in that the photoelectric detector device has at least one secondary electron multiplier (photomultiplier).
20. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daβ es nur mit einer aus der Laserlichtquelle emittierten Lichtfrequenz ar¬ beitet (Homodyn-Betrieb) und daβ wenigstens zwei Photodetektoren (12a, 12c bzw. 12b, 12d) vorgese¬ hen sind, die die Signalintensitäten zweier pha¬ senverschobener InterferenzSignale aus der Rekom¬ binationseinrichtung (A) erfassen.20. Interferometer according to one of claims 1 to 19, characterized in that it only works with a light frequency emitted from the laser light source (homodyne operation) and that at least two photodetectors (12a, 12c or 12b, 12d) are provided are which detect the signal intensities of two phase-shifted interference signals from the recombination device (A).
21. Interferometer nach Anspruch 20, dadurch gekenn¬ zeichnet, daβ Licht mit zwei, vorzugsweise aufein¬ ander senkrechten Polarisationsanteilen verwendet wird, daβ in Meβ- und/oder Referenzzweig eine Ein¬ richtung (13) vorgesehen ist, die vor der Rekombi- nation von Meβ- und Referenzstrahl eine relative21. Interferometer according to claim 20, characterized in that light with two, preferably mutually perpendicular polarization components is used, that a device (13) is provided in the measuring and / or reference branch, which before recombination a relative of the measurement and reference beam
Phasenverschiebung, vorzugsweise 90", zwischen den beiden Polarisationsanteilen hervorruft, und daβ in zumindest einem Ausgangszweig (14 bzw. 15) der Rekombinationseinrichtung (A) eine Polarisations- teilereinrichtung (16 bzw. 17) angeordnet ist, de¬ ren Teilstrahl-Intensitäten über Photodetektoren (12a, 12b bzw. 12c, 12d) erfaβbar sind. Phase shift, preferably 90 ", between the two polarization components, and that in at least one output branch (14 or 15) of the recombination device (A) a polarization splitter device (16 or 17) is arranged, its partial beam intensities via photodetectors (12a, 12b or 12c, 12d) are detectable.
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