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Dokumentenidentifikation DE102004021874B4 22.02.2007
Titel Michelson-Interferometer und Verfahren zum Durchführen einer Ausrichtungs-Selbstprüfung desselben
Anmelder Agilent Technologies, Inc. (n.d.Ges.d.Staates Delaware), Palo Alto, Calif., US
Erfinder Morris, Michael B. North, Tucson, Ariz., US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 04.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004021874
Offenlegungstag 21.04.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse G01J 9/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 9/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01B 11/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01M 11/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Ausrichtungs-Selbstprüfung eines Michelson-Interferometers und ein derartiges Interferometer.

In einem Michelson-Interferometer-System wird Licht von einem Faseroptikeingang kollimiert und zu dem Eingang des Interferometers gerichtet. Das Licht von einem Faseroptikeingang wird mit einem Strahlteiler in zwei Pfade aufgeteilt, um zwei Strahlen zu bilden. Beide Strahlen werden dann durch Spiegel reflektiert, die das Licht zurück in Richtung des Strahlteilers umleiten. Ein Teil des Lichts, das von den Spiegeln reflektiert wird, geht zurück in Richtung des Eingangs des Interferometers. Der andere Teil des Lichts fällt auf einen Photodetektor ein. Unter der Annahme, daß in dem Interferometer kein Verlust vorliegt, wird das gesamte Licht entweder auf den Photodetektor oder in Richtung des Eingangs des Interferometers gerichtet.

Ein Spiegel des Interferometers ist feststehend und einer ist bewegbar. Der bewegbare Spiegel variiert die Länge, um die sich der Strahl vor und nach einem Einfallen auf den bewegbaren Spiegel bewegt. Wenn der Spiegel bewegt wird, schwankt die Lichtmenge, die den Photodetektor erreicht, aufgrund konstruktiver und destruktiver Interferenz-Wirkungen zwischen den beiden Pfaden des Interferometers nach oben und unten. Durch die Analyse dieser Interferenzmuster kann die Lichtwellenlänge berechnet werden.

Die Lichtstrahlen können in bezug auf Licht analysiert werden, das interferiert, wenn sich die Pfadlänge in dem Interferometer verändert. Dies wird als die Streifenzählbeschreibung der Funktionsweise eines Wellenlängenmessers bezeichnet. Alternativ wird, wenn der bewegbare Spiegel mit einer konstanten Rate bewegt wird, die Frequenz des Lichts in dem Strahl Doppler-Frequenz-mäßig verschoben. Ein Doppler-Detektor mischt dann das Licht von dem bewegbaren Spiegel und dem feststehenden Spiegel. Eine resultierende Schwebungsfrequenz zwischen diesen beiden Signalen kann verwendet werden, um die unbekannte Frequenz des Eingangssignals zu berechnen. Siehe Dennis Derickson, Fiber Optic Test and Measurement (Faseroptiktest und -messung), Prentice Hall, Inc., 1998, Seiten 133–141.

Ein Wellenlängenmesser auf Michelson-Interferometer-Basis mißt die Wellenlänge eines unbekannten Signals durch ein Vergleichen eines Streifenmusters, das durch das unbekannte Signal erzeugt wird, mit dem eines (bekannten) Referenzsignals. Da ein Arm des Michelson-Interferometers verschoben wird (d. h. der Spiegel wird bewegt), schwankt das Interferenzmuster an dem Photodetektor zwischen einer hohen und einer niedrigen Strahlung. Ein Vergleichen der Anzahl von Streifen, die durch das unbekannte Signal erzeugt werden, mit der Anzahl, die durch das bekannte Signal erzeugt wird, führt zu einer sehr genauen Schätzung der unbekannten Wellenlänge. Die Genauigkeit der Messung kann durch ein elektronisches Multiplizieren der Frequenz der Streifen mit einer Phasenverriegelungsschleife weiter erhöht werden.

Leider kann die Meßgenauigkeit eines Michelson-Interferometers wesentlich reduziert werden, wenn das unbekannte Signal und das bekannte Signal nicht miteinander ausgerichtet sind. Die Ausrichtung des Interferometers kann sich aufgrund von Erschütterung, Schwingung und Belastung aufgrund von Wärmeausdehnung mit der Zeit verschlechtern.

Aus der WO 03/069286 A2 sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zum Messen von faseroptischen Aufnahmefehlern in Interferometersystemen bekannt, bei denen zur Bestimmung der Ungenauigkeit in der faseroptischen Aufnahme eine Testphase gemessen wird, während die Trennung wenigstens eines Eingangsstrahls gegenüber der Achse variiert wird, woraufhin die gemessene Testphase mit einer Referenzphase verglichen wird, um eine optische Wegdifferenz zu ermitteln, auf deren Grundlage ein nicht-zyklischer Fehlerterm für die faseroptische Aufnahme ermittelt wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Michelson-Interferometer und ein Verfahren zum Durchführen einer Ausricht-Selbstprüfung desselben zu schaffen, die eine verbesserte Ausrichtung des unbekannten Signals und eines bekannten Signals miteinander ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch ein Michelson-Interferometer nach Anspruch 6 gelöst.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Ausrichtungs-Selbstprüfung eines Wellenlängenmessers durchgeführt. Ein Referenzsignal wird in einem Referenzsignalpfad des Wellenlängenmessers plaziert. Das Referenzsignal wird ebenso in einem unbekannten Signalpfad des Wellenlängenmessers plaziert. Dann wird erfaßt, ob das Referenzsignal nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad die gleiche Periode aufweist wie nach einer Bewegung durch den Referenzsignalpfad.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Wellenlängenmessers auf Michelson-Interferometer-Basis;

2 das vereinfachte Blockdiagramm eines Wellenlängenmessers auf Michelson-Interferometer-Basis aus 1, der für eine Ausrichtungs-Selbstprüfung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist;

3 ein Diagramm, das zur Darstellung eines Beispiels einer Ausrichtungs-Selbstprüfung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und

4 ein weiteres Diagramm, das zur Darstellung eines Beispiels einer Ausrichtungs-Selbstprüfung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Wellenlängenmessers auf Michelson-Interferometer-Basis. Eine Signalquelle 11 ist die Quelle eines „unbekannten" Signals mit einer unbekannten Wellenlänge. Die Signalquelle 11 ist z. B. eine optische Faser, die ein Lichtsignal trägt. Eine Kollimierungslinse 17 kollimiert das Licht von der Signalquelle 11, um einen Strahl 26 zu erzeugen. Die Kollimierungslinse 17 ist z. B. eine Linse mit 7,5 Millimeter (mm) Brennweite.

Eine Referenzquelle 12 ist die Quelle eines Referenzsignals mit einer bekannten Wellenlänge. Eine Kollimierungslinse 18 kollimiert das Licht von der Referenzquelle 12. Die Kollimierungslinse 18 ist z. B. eine Linse mit 6,0 mm Brennweite. Ein resultierender Referenzstrahl 28 befindet sich in einer unterschiedlichen Ebene als der Strahl 26. Der Strahl 26 ist z. B. in einer höheren parallelen Ebene als der Referenzstrahl 28. Ein Umlenkspiegel 22 ist in der gleichen Ebene wie der Referenzstrahl 28 und reflektiert den Strahl 28, um parallel zu dem Strahl 26 entlang eines Strahlpfads 29 zu laufen. Der Strahl 26 befindet sich nicht in der gleichen Ebene wie der Umlenkspiegel 22 und bleibt so durch den Umlenkspiegel 22 unbeeinflußt (d. h. läuft hindurch).

Ein Strahlteiler 25 teilt den Strahl 26 und den Referenzstrahl 28 so, daß ein Teil jedes Strahls entlang eines Strahlpfads 30 läuft, durch einen Würfeleckenspiegel 21 reflektiert wird und entlang des Strahlpfads 30 zu dem Strahlteiler 25 zurückkehrt. Der verbleibende Teil jedes Strahls läuft entlang eines Strahlpfads 32, wird durch einen Würfeleckenspiegel 23 reflektiert und kehrt entlang des Strahlpfads 32 zu dem Strahlteiler 25 zurück. Die Strahlen wechseln an den Würfeleckenspiegeln die Ebenen.

Nach einem Zurückkehren zu dem Strahlteiler 25 bewegt sich ein Teil jedes Strahls entlang des Strahlpfads 29 zurück und ein Teil jedes Strahls wird auf den Strahlpfad 31 durch Abbildungslinsen 20 zu dem Detektor 13 gerichtet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Linsen 20 zwei Linsen, nämlich eine für jeden Strahl, und der Detektor 13 umfaßt zwei Detektoren, nämlich einen für jeden Strahl. Jede der Abbildungslinsen 20 ist z. B. eine Linse mit 25,4 mm Brennweite.

Ein Teil des Strahls in der unteren Ebene wird durch den Umlenkspiegel 22 in Richtung der Kollimierungslinse 18 reflektiert. Dieser Strahl in der unteren Ebene geht von der Signalquelle 11 aus. Ein Hochpaßfilter 15 verhindert, daß der reflektierte Strahl die Kollimierungslinse 18 erreicht.

Ein Teil des Strahls in der höheren parallelen Ebene läuft über den Umlenkspiegel 22 und weiter in Richtung der Kollimierungslinse 17. Dieser Strahl in der höheren parallelen Ebene ging von der Referenzquelle 12 aus. Ein Tiefpaßfilter 16 verhindert, daß dieser Strahl die Kollimierungslinse 17 erreicht.

Die durch den Detektor 13 erfaßten Lichtstrahlen können in bezug auf Licht analysiert werden, das interferiert, wenn die Pfadlänge in dem Interferometer sich verändert. Wenn der Würfeleckenspiegel 23 verschoben (bewegt) wird, wie durch einen Pfeil 24 angezeigt ist, schwanken die Interferenzmuster an dem Detektor 13 zwischen einer hohen und einer niedrigen Strahlung. Ein Analysator 14 vergleicht z. B. die Anzahl von Streifen, die durch das unbekannte Signal erzeugt werden, mit der Anzahl, die durch das Referenzsignal erzeugt wird, was zu einer sehr genauen Schätzung der Wellenlänge des unbekannten Signals führt. Ergebnisse können auf einer Anzeige 19 angezeigt oder zur weiteren Analyse und/oder Anzeige an ein Host-System gesendet werden.

Die Meßgenauigkeit eines Michelson-Interferometers kann wesentlich reduziert werden, wenn das unbekannte Signal und das Referenzsignal nicht präzise miteinander ausgerichtet sind. Die Ausrichtung von z. B. der Signalquelle 11 relativ zu der Kollimierungslinse 17, die in Kombination den Winkel des Strahlpfads 32 relativ zu der Achse einer Übertragung bestimmen, kann sich aufgrund von Erschütterung, Schwingung und Belastung aufgrund von Wärmeausdehnung mit der Zeit verschlechtern. Während der Wellenmesser genaue Messungen liefert, wenn der Referenz- und der unbekannte Strahl miteinander ausgerichtet sind und nicht mit einer Übertragungsachse innerhalb des Interferometers ausgerichtet sind, verschlechtert in diesem Fall sich die Leistung schneller, wenn sich die Ausrichtung aufgrund von Erschütterung, Schwingung, Wärmeausdehnung oder weiterer mechanischer oder umweltbedingter Einflüsse verändert.

2 zeigt den Wellenlängenmesser auf Michelson-Interferometer-Basis aus 1, der für eine Ausrichtungs-Selbstprüfung konfiguriert ist. Die Signalquelle 11 wurde durch die Referenzquelle 12 ersetzt. So wird die Referenzquelle auf beiden Signalpfaden verwendet. Zur Klarheit wird das Referenzsignal, das sich entlang des ursprünglichen Referenzsignalpfads ausbreitet, als Referenzsignal P1 bezeichnet. Das Referenzsignal, das sich entlang des Pfads ausbreitet, der ursprünglich für das unbekannte Signal verwendet wurde, wird als Referenzsignal P2 bezeichnet.

Das Referenzsignal P1 und das Referenzsignal P2 werden jeweils durch einen der Detektoren innerhalb des Detektors 13 erfaßt. Während einer Selbstausrichtung wird an dem Detektor 13 das Referenzsignal P2 einmal pro Zyklus des Referenzsignals P1 abgetastet. Der Analysator 14 bestimmt, daß der Strahlpfad 32 und der Würfeleckenspiegel 23 korrekt ausgerichtet sind, wenn die abgetasteten Amplitudenwerte des Referenzsignals P2 an dem Detektor 13 konstant sind. Die konstante abgetastete Amplitude zeigt an, daß das Referenzsignal P1 und das Referenzsignal P2 die gleiche Periode aufweisen.

Der Analysator 14 bestimmt, daß die Signalpfade des Referenzsignals P1 und des Referenzsignals P2 nicht korrekt in bezug aufeinander ausgerichtet sind, wenn die abgetasteten Amplitudenwerte (Alias-Signal) des Referenzsignals P2 eine Niederfrequenz-Sinuswelle sind. Die Erfassung einer derartigen Niederfrequenz-Sinuswelle zeigt an, daß das Referenzsignal P1 und das Referenzsignal P2 an dem Detektor 13 eine unterschiedliche Periode aufweisen. Dies ist durch 3 dargestellt.

In 3 stellt ein Signalverlauf 51 das Referenzsignal P1 dar, wie dies an dem Detektor 13 erfaßt wird. Ein Signalverlauf 52 stellt das Referenzsignal P2 dar, wie dies an dem Detektor 13 erfaßt. Vertikale Linien 54 zeigen Abtastzeiten des Referenzsignals P2. Ein Signalverlauf 53 ist der Signalverlauf des Alias-Signals, das aus einem einmaligen Abtasten der Amplitude des Referenzsignals P2 pro Zyklus des Referenzsignals P1 resultiert.

4 zeigt einen Pfad 41 senkrecht zu einer Ebene 46. Der Pfad 41 stellt den idealen Strahlpfad 32 dar. Ein Winkel 44 (&agr;) stellt den Winkel dar, um den ein Pfad 42 des Referenzsignals P1 von dem Pfad 41 variiert. Ein Winkel 45 (&bgr;) stellt den Winkel dar, um den ein Pfad 43 des Referenzsignals P2 von dem Pfad 41 variiert.

Wenn &lgr;R die Periode des Referenzsignals P1 darstellt, ist die Periode des Referenzsignals P2 gleich &lgr;R (cos(&agr;)/cos(&bgr;)). Die Raumfrequenz (&xgr;) zwischen dem Referenzsignal P1 und dem Referenzsignal P2 ist unten durch die Gleichung 1 gegeben:

Wenn der absolute Wert der Differenz zwischen dem Winkel 44 (&agr;) und dem Winkel 45 (&bgr;) klein ist, wird unter Umständen nur ein Bruchteil des Alias-Signals abgetastet, auch wenn eine große Anzahl von Abtastungen durchgeführt wird.

Lediglich beispielhaft werden für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für jede Ausrichtungs-Selbstprüfung 218 Abtastwerte von dem Referenzsignal P2 genommen. Ein Abtastwert wird pro Zyklus des Referenzsignals P1 genommen. Es wird angenommen, daß eine Anpassung mit Hilfe der Fehlerquadratmethode genau die Raumperiode (1/&xgr;) des Signalverlaufs 53 vorhersagen kann, wenn ein Zwanzigstel der Raumperiode (1/&xgr;) abgetastet wird. Unter der Annahme, daß 218 Abtastwerte des Referenzsignals P2 ein Zwanzigstel der Raumperiode (1/&xgr;) darstellen, können die Gleichungen 2 unten verwendet werden, um den potentiellen Meßfehler zu berechnen. Die Abtastwerte werden z. B. genommen, wenn der Würfeleckenspiegel durch seinen vollen Bewegungsbereich verschoben wird.

Die Gleichungen 2 zeigen an, daß für das gegebene Beispiel Fehler bis etwa 0,1907 Teile pro Million (PPM) erfaßbar sind. Wenn der Wert des Winkels 45 (&bgr;) gleich dem doppelten Wert des Winkels 44 (&agr;) ist, weiß man, daß der Winkel 44 (&agr;) innerhalb etwa 0,36 Milliradian liegt.

Wenn eine Ausrichtungs-Selbstprüfung anzeigt, daß der abgetastete Amplitudenwert des Referenzsignals P2 um mehr als eine vordefinierte Schwelle variiert, wird der Benutzer benachrichtigt, daß der Selbstausrichtungstest des Wellenlängenmessers fehlgeschlagen ist. Eine Fehler- oder eine Warnmeldung wird z. B. auf der Anzeige 19 plaziert oder an ein Host-System gesendet. Der Benutzer weiß dann, daß Ergebnisse für den Wellenlängenmesser inkorrekt sein könnten. Wenn die Ausrichtungs-Selbstprüfung anzeigt, daß der abgetastete Amplitudenwert des Referenzsignals P2 konstant ist, fährt ein Normalbetrieb des Wellenlängenmessers fort.

Bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung könnte der Wellenlängenmesser sich selbst einstellen, um Ausrichtungsfehler zu korrigieren. Eine Fehlausrichtung resultiert z. B. aus einem Ausrichtungsfehler einer Quelle relativ zu einer Kollimierungslinse. Eine seitliche Verschiebung der Quelle für einen Strahlpfad überträgt sich um eine Winkelabweichung des Strahlpfads. Während der Selbstausrichtung wird die Quelle korrekt relativ zu der Kollimierungslinse für den Strahlpfad ausgerichtet.


Anspruch[de]
Verfahren zum Durchführen einer Ausrichtungs-Selbstprüfung eines Michelson-Interferometers, mit folgenden Schritten:

(a) Plazieren eines Referenzsignals (12) in einem Referenzsignalpfad (28) des Michelson-Interferometers;

(b) Plazieren des Referenzsignals (12) in einem unbekannten Signalpfad (26) des Michelson-Interferometers; und

(c) Erfassen, ob das Referenzsignal (12) nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad (26) eine gleiche Periode wie nach einem Bewegen durch den Referenzsignalpfad (28) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem Schritt (c) folgenden Schritt umfaßt:

Abtasten von Werten des Referenzsignals (12) nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad (26) basierend auf einer Frequenz des Referenzsignals (12) nach einem Bewegen durch den Referenzsignalpfad (28), um zu bestimmen, ob die abgetasteten Werte bei einer konstanten Amplitude sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, das zusätzlich folgenden Schritt aufweist:

(d) Benachrichtigen eines Benutzers des Michelson-Interferometers, wenn das Referenzsignal (12) nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad (26) eine unterschiedliche Periode als nach einem Bewegen durch den Referenzsignalpfad (28) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das zusätzlich folgenden Schritt aufweist:

(d) Durchführen einer Neuausrichtung des Michelson-Interferometers, wenn das Referenzsignal (12) nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad (26) eine unterschiedliche Periode als nach einem Bewegen durch den Referenzsignalpfad (28) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das zusätzlich folgenden Schritt aufweist:

Verschieben eines Spiegels in sowohl dem unbekannten Signalpfad (26) als auch in dem Referenzsignalpfad (28), während erfaßt wird, ob das Referenzsignal (12) nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad (26) die gleiche Periode wie nach einem Bewegen durch den Referenzsignalpfad (28) aufweist.
Michelson-Interferometer mit folgenden Merkmalen:

einem Referenzsignalpfad (28);

einem unbekannten Signalpfad (26);

einem Detektor (13), der eine Signalaktivität auf dem Referenzsignalpfad (28) und eine Signalaktivität auf dem unbekannten Signalpfad (26) erfaßt; und

einem Analysator (14), der bestimmt, ob ein Referenzsignal (12) nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad (26) eine gleiche Periode wie nach einem Bewegen durch den Referenzsignalpfad (28) aufweist.
Michelson-Interferometer gemäß Anspruch 6, bei dem der Analysator (14) Werte des Referenzsignals (12), die durch den Detektor (13) abgetastet werden, nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad (26) basierend auf einer Frequenz des Referenzsignals (12) nach einem Bewegen durch den Referenzsignalpfad (28) prüft, um zu bestimmen, ob die abgetasteten Werte bei einer konstanten Amplitude sind. Michelson-Interferometer gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das Michelson-Interferometer einen Benutzer des Michelson-Interferometers benachrichtigt, wenn das Referenzsignal (12) nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad (26) eine unterschiedliche Periode als nach einem Bewegen durch den Referenzsignalpfad (28) aufweist. Michelson-Interferometer gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Michelson-Interferometer eine Neuausrichtung des Michelson-Interferometers durchführt, wenn das Referenzsignal (12) nach einem Bewegen durch den unbekannten Signalpfad (26) eine unterschiedliche Periode als nach einem Bewegen durch den Referenzsignalpfad (28) aufweist. Michelson-Interferometer gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem der Analysator (14) Werte des Referenzsignals (12), die durch den Detektor (13) abgetastet werden, prüft, um zu bestimmen, ob die abgetasteten Werte bei einer konstanten Amplitude sind. Michelson-Interferometer gemäß eiem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Michelson-Interferometer einen Spiegel umfaßt, der verschoben wird, während der Detektor (13) eine Signalaktivität auf dem Referenzsignalpfad (28) und eine Signalaktivität auf dem unbekannten Signalpfad (26) erfaßt.






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