DE2612012C3 - Elektronische Steuer- und Regelvorrichtung für den Abstand bzw. die Parallelität zweier Reflektoren eines optischen Gerätes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuer- und Regelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Zeitschrift »Optics Communications«, Band 2, Nr. 2, Juli 1970, Seiten 73 bis 76 ist ein Fabry-P6rot-Interferome\er zur Untersuchung der Brillouin-Streuung bekannt, bei dem der Abstand der beiden Spiegel durch Verschieben des einen Spiegels mittels einer piezoelektrischen Spiegelhalterung periodisch elektronisch verstellt wird, um den interessierenden Spektralbereich abzutasten, und bei dem ferner die Parallelität der beiden Spiegel mittels einer auf die Halterung des anderen Spiegels wirkenden Regelschaltung aufrechterhalten wird. Die Regelschaltung enthält zwei Teile, von denen der eine auf eine erste piezoelektrische Verstellvorrichtung wirkt und die Verkippung des betreffenden Spiegels um eine x-Achse regelt, während der andere auf eine zweite piezoelektrische Verstellvorrichtung wirkt und die Verkippung des betreffenden Spiegels um eine zur *-Achse senkrechte y-Achse regelt Das Regelsignal wird von der aus dem Interferometer austretenden Meßstrahlung abgeleitet und dadurch erzeugt, daß der zur Regelung der Parallelität dienende Spiegel während alternierender Abtastperioden einmal um die eine und das andere Mal um die andere Kippachse geringfügig hin- und hergekippt wird und durch Vergleich der sich für die beiden Verkippstellungen ergebenden Intensitäten einer Rayleigh-Linie jeweils ein Verstellsignal solchen

is Vorzeichens erzeugt wird, daß die Verkippung in Richtung einer Vergrößerung der Intensität erfolgt

Bei einer Steuer- und Regelvorrichtung der obengenannten Art müssen beide Spiegel durch piezoelektrische Verstellelemente oder wirkungsgleiche Vorrich- tung verstellbar sein, sie eignet sich daher nicht für den

Anschluß an käufliche, piezoelektrische durchstimmba-

re Interferometer, bei denen nur der eine Spiegel mit

Piezoelerrienten versehen und nur axial verstellbar ist Bei einer anderen bekannten Steuer- und Regelvor-

richtung zur Abstands- und Parallelitätsregelung von Interferomterspiegeln braucht zwar nur der eine der beiden Spiegel durch drei Piezoelemente verstellbar gelagert sein. Diese bekannte Vorrichtung arbeitet mit einer Abtastung verschiedener Punkte der Rayleigh-Li nie und erlaubt nur dann eine Regelung der Spiegel-Par allelität, wenn gleichzeitig die axiale Drift des Interferometers bezüglich der Lichtquellenwellenlänge mit geregelt wird, was zu einer beträchtlichen Einengung des Regelbereiches der Parallelitätsregelung bzw. der Zeitdauer einer Messung führt Verschiebungen der lnterferometertransmissionsfrequenz bezüglich der Grundfrequenz der von einem Laser stammenden einfallenden Strahlung, z. B. infolge von Temperatur- und Luftdurckschwankungen, erfordern nämlich zur Kompensation weitaus größere Verstellungen als sie zur Regelung der Spiegelparallelität erforderlich sind, da die Spiegelparallelität nur durch die differentielle Veränderung der drei Spiegelauflagepunkte, z. B. infolge unterschiedlicher thermischer Expansion, beein flußtwird.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Steuer- und Regelvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß sie für Interferometer verwendet werden kann, bei denen nur einer der beiden Spiegel gesteuert verstellbar ist

Diese Aufgabge wird durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die elektronische Steuer- und Regelvorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es sowohl die Parallelität als auch den Abstand des Interferometerspiegel durch Verstellung nur eines der beiden Spiegel zu regeln bzw. zu steuern.

Bezüglich der als zweites erwähnten bekannten Steuer- und Regelvorrichtung hat die Erfindung den Vorteil, daß sie einfacher ist und den dieser bekannten Vorrichtung eigenen Beschränkungen des Regelbereiches nicht unterliegt

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher

erläutert; es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer elektronischen Steuer- und Regelvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig.2 eine graphische Darstellung ies zeitlichen Verlaufes von Signalen, die beim Betrieb der Vorrichtung gemäß F i g. 1 auftreten, und

F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des für die eine Kippvorrichtung vorgesehenen Teiles der Parallelitätsregelschaltung.

Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 enthält einen Eingangsverstärker 10, dem ein Signal vom Ausgang eines nicht dargestellten Photomultipliers (SEV) zugeführt ist, der auf die aus dem Interferometer austretende Meßstrahlung anspricht

Das Ausgangssignal des Eingangsverstärkers 10 wird den Signaleingängen zweier Torschaltungen 12, 14 zugeführt, deren Steuereingänge 12a bzw. 14a durch eine Steuerlogik oder Programmeinheit gesteuert werden. Die Signaleingänge derTorschaliangen 12 und 14 sind mit jeweils einem Spitzenspannungsspeicher 18 bzw. 20 verbunden, an die wiederum die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers 22 angeschlossen sind. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist an die Signaleingänge zweier weiterer Torschaltungen 24, 26 angeschlossen, deren Steuereingänge wieder durch die Programmeinheit 16 gesteuert werden und deren Ausgänge jeweils mit einem Integrator 28 bzw. 30 verbunden sind. Der Ausgang des Integrators 28 ist mi; einem von drei Eingängen eines Kippspannungssummierers 32 verbunden, dessen zweiten Eingang eine periodische Verstellspannung fx-Störwertspannung) und dessen drittem Eingang eine xo-Vorspannung, die die N.illage der Kippung um die x-Achse bestimmt, zugeführt sind.

Der Ausgang des Integrators 30 ist in entsprechender Weise einem von drei Eingängen eines y-Kippspannungssummierers 34 zugeführt, dessen zweitem Eingang eine periodische Verstellspannung (y-Störwertspannung) und dessen drittem Eingang eine yo-Vorspannung zugeführt sind.

Die Programmeinheit 16 liefert außer den x- und y-Verstell- oder Störwertspannungen und den Schaltspannungen für die Torschaltungen auch eine Synchronisationsspannung für einen Sägezahngenerator 36, der eine im wesentlichen sägezahnförmige Spannung liefert, welche die Verstellung eines von zwei Reflektoren eines optischen Gerätes, z. B. des einen Spiegels eines Fabry-Perot-Inlerferometers steuert Die Sägezahnspannung wird in einem Verstärker 38 nochmals verstärkt.

Der verstell- und regelbare Reflektor oder Spiegel ist, wie in F i g. 1 rechts schematisch dargestellt ist, durch drei Piezoelemente A, B und C verstellbar, die drei Punkte des Spiegels in Richtung einer optischen Achse O (die senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 1 verläuft) zu verschieben gestatten. Die drei Piezoelemente sind an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet Die Kippachse χ soll definitionsgemäß die beispielsweise durch das Piezoelement C gehende Winkelhalbierende des Dreiecks sein, während die y-Achse senkrecht zur x-Achse durch den Schnittpunkt der drei Winkelhalbierenden verlaufen soll, durch den auch die optische Achse Ogeht.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt sowohl die axiale Verschiebung des durch die Piezoelemente A, B und C gelagerten Reflektors als auch die Kippung dieses Reflektors um die x- sowie die y-Achse mittels einer auf die drei Piezoelemente A, Bund Cwirkenden Matrixschaltung, der als Eingangssignale die Ausgangssignale der Kippspannungssummierer 32 und 34 und des Verstärkers 38 zugeführt sind. Die Matrixschaltung enthält zwei

durch das Ausgangssignai des x-Kippspannungssummierers 32 gespeiste Verstärker 40 und 42, die die ihnen zugeführte Ausgangsspannung mit dem Faktor +'/2 bzw. — 1J2 multiplizieren. Weiterhin enthält die Matrixschaltung zwei Verstärker 44,46, denen die Ausgangsspannung des j«-Kippspannungssummierers 34 zugeführt ist und die diese Spannung mit dem Faktor +'/3 bzw. — ^multiplizieren.

Die Matrixschaltung enthält ferner zwei addierende Spannungsverstärker 48 und 50 mit je drei Eingängen

und einen addierenden Spannungsverstärker 52 mit zwei Eingängen.

Je ein Eingang der Verstärker 48, 50 und 52 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 38 für das die axiale Verschiebung des Reflektors bewirkende Sägezahnsigna! verbunden. Die anderen beiden Eingänge des Spannungsverstärkers 48 sind mit dem Verstärker 40 bzw. 44 verbunden. Die anderen beiden Eingänge des Spannungsverstärkers 50 sind mit den Ausgängen des Verstärkers 42 und 44 verbunden, während der zweite Eingang des Verstärkers 52 mit dem Ausgang des Verstärkers 46 verbunden ist Es dürfte unmittelbar einleuchtend sein, daß eine Spannung vom Ausgang des x-Kippspannungssummierers eine Verkippung des Spiegels um die x-Achse bewirkt, da die Piezoelemente A und B gegenläufig gesteuert werden, während das Piezoelement C unbeeinflußt bleibt und als ruhender Lagerpunkt für die Verkippung um die x-Achse wirkt Die Spannung vom Ausgang des y-Kippspannungssummierers 34 bewirkt eine gleichsinnige Verstellung der Piezoelemente A und B um einen bestimmten Betrag sowie eine gegensinnige Verstellung des Piezoelementes Cum das Doppelte dieses Betrages, da der Abstand des Piezoelementes C von der y-Achse doppelt so groß ist wie der der Piezoelemente A und B. Die Sägezahnspannung vom Verstärker 38 wirkt auf alle drei Piezoelemente gleichsinnig, so daß der Spiegel in Richtung der optischen Achse unter Erhaltung seiner Parallelität verschoben wird.

Die beschriebene Anordnung arbeitet folgendermaßen: Die in Fig.2a dargestellte Sägezahnspannung bestimmt die axiale Verschiebung des Reflektors und damit die Abtastperiode. Für einen Regelzyklus werden vier Abtastperioden benötigt. Während der ersten Periode liefert die Programmeinheit 16 an den x-Kippspannungssummierer 32 eine Verstell- oder x-Störwertspannung eines vorgegebenen Wertes an einer ersten, z. B. positiven Polarität und während der zweiten Sägezahnperiods eine Verstellspannung des vorgegebenen Wertes und entgegengesetzten Vorzeichens. Während der dritten und vierten Sägezahnperiode, also während der zweiten Hälfte des Regelzyklus, ist die x-Störwertspannung gleich Null.

In Fig.2d ist die Impulsfolge dargestellt, die am Eingang des Eingangsverstärkers 10 auftritt Die Impulse haben die größte Amplitude, wenn die Reflektoren des Interferometers genau parallel sind. Die Abhängigkeit der Amplitude der Eingangsimpulse de* Eingangsverstärkers t0 von der Verkippung des Reflektors und die x-Achse ist durch die Kurve 54 in

t>5 F i g. 3 dargestellt Hat der Spiegel z. B. eine von der genau prallelen Lage χι, abweichende Winkellage x₂, so ergibt sich eine Amplitude entsprechend V₂, die kleiner ist als die maximal mögliche Amplitude Vi. Verkippung des

Spiegels durch die jr-Störwertspannung liefert dann z. B. Impuisamplituden V₃ bzw. Vi. Die Tore 12 und 14 werden abwechselnd aufgetastet, so daß die Spitzenspannungsspeicher 18 und 20 die !mpulsamplituden V₃ bzw. Va speichern. Der Differenzverstärker 22 bildet die Differenz dieser beiden Amplitudenwerte, die durch das während der Sägezahnperioden 1 und 2 (sowie 5 und 6 usw.) aufgetastete Tor 24 dem Integrator 28 zugeführt werden. Die in den Spitzenspannungsspeichern 18 und 20 gespeicherten Signale und die Auftastsignale für die Torschaltung sind in F i g. 2 f, e bzw. g dargestellt

Die vom Integrator 28 erzeugte Korrekturspannung zeigt F i g. 2 i. Wenn die Winkellage des Spiegels der optimalen Lage x\ entspricht, sind die in den Spitzenspannungsspeichern 18 und 20 gespeicherten Signale gleich groß, und es tritt keine weitere Verkippung des Spiegels um die x-Achse auf.

Die Regelung der Spiegellage bezüglich der y-Achse erfolgt in genau der gleichen Weise während der Sägezahnperioden 3 und 4 (sowie 7, 8 usw.). Die y-Verstell- oder Störwertspannung ist in F i g. 2 c dargestellt; F i g. 2 h zeigt die Auf tastimpulse für das Tor 26 und F i g. 2 k die Ausgangsspannung des Integrators 30.

Die beschriebene Ausführungsform läßt sich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. So kann man z. B. statt einzelner Piezoelemente A, B und C jeweils zwei hintereinandergeschaltete Piezoelemente verwenden und dem einen Element jedes Paares die Spannung zur Verstellung des Spiegelabstandes vom Verstärker 38 zuführen, während den anderen Piezoelementen der Paare die Spannungen von den Ausgängen dci Verstärker 40 bis 46 in der in F i g. 1 dargestellten Weise zugeführt werden. Die Spannungsverstärker 48 bis 52 enthalten vorzugsweise Stellglieder zur Verstellung ihres Verstärkungsgrades, damit eine eventuell verschiedene Empfindlichkeit der Piezoelemente kompensiert werden kann. Man kann auch für die Punkte entsprechend den Piezoelementen A und B drei hintereinandergeschaltete Piezoelemente verwenden und jedes der drei hintereinandergeschalteten Piezoelemente nur jeweils mit dem Ausgang eines einzigen Verstärkers koppein.

Die Piezoelemente oder Piezoelementgruppen brauchen selbstverständlich auch nicht an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sein, man kann vielmehr auch andere Anordnungen wählen, wenn dies zweckmäßig oder erwünscht sein sollte. In diesem Fall ergeben sich dann andere Werte für die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 40 bis 46, die sich aus den jeweiligen geometrischen Verhältnissen leicht errechnen oder graphisch bestimmen lassen.

Die Erfindung wurde oben in Anwendung auf ein Fabry-Perot-Interferometer erläutert Sie läßt sich selbstverständlich in entsprechender Weise auch auf andere Interferometer und andere optische Geräte anwenden, bei denen die Winkellage eines optischen Elementes bezüglich einer Achse und der Ort des Elementes auf dieser Achse regel- bzw. verstellbar sein sollen, z. B. beim optischen Resonator eines durchstimmbaren Lasers u. a, m.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektronische Steuer- und Regelvorrichtung für den Abstand und die Parallelität zweier Reflektoren eines optischen Gerätes, mit einer auf eine elektrisch steuerbare Reflektorhalterung wirkende Steuerschaltung zur Änderung des Abstandes der Reflektoren längs einer optischen Achse, und einer auf eine elektrisch steuerbare Reflektorhaltening wirkenden Kippregelschaltung zur Aufrechterhaltung der Parallelität der Reflektoren durch Kippen des betreffenden Reflektors um zwei aufeinander und auf der optischen Achse wenigstens annähernd senkrecht stehende Kippachsen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Abstandsänderung dienende Steuerschaltung (36, 38) und die die Parallelität der Reflektoren aufrechterhaltende Regelschaltung (13 bis 34) auf die Halterung ein und desselben Reflektors wirken, der durch drei elektrisch steuerbare, im Dreieck angeordnete Halterungselemente (A, B, C) gehaltert ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Regelschaltung für jede Kippachse ein eigenes Stellsignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale über eine Matrizierungsschaltung (40 bis 52) auf die Halterungselemente (A, B, C) wirken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die elektrisch verstellbaren Halterungselemente an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrizierungsschaltung einen ersten Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor + '/2, einen zweiten Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor -¹Z₂, einen dritten Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor +V3 und einen vierten Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor -²Ii enthält, daß das Stellglied für eine Kippachse (x) den Eingängen des ersten und zweiten Verstärkers zugeführt ist; daß das Stellsignal für die andere Kippachse (y)den Eingängen des dritten und vierten Verstärkers zugeführt ist; daß die Ausgangssignale des ersten und dritten Verstärkers ein erstes Halterungselement (A) steuert; daß die Ausgangssignale des zweiten und dritten Verstärkers ein zweites Halterungselement (B) steuert und daß das Ausgangssignal des vierten Verstärkers ein drittes Halterungselement (Q steuert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungselemente über addierende Verstärker (48,50,52) gesteuert sind.