AT396527B - Verfahren zur messung von winkeln zwischen elektromagnetischen wellen - Google Patents

Description

AT 396 527 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Winkeln zwischen zwei elektromagnetischen Wellen, welche rieh in ihrer Wellenlänge oder Polarisationsrichtung unterscheiden, wobei die einfallenden Wellenfronten von einem Objektiv in dessen Bildebene abgebildet weiden, dort von einem Lichtzerhacker (Chopper) moduliert weiden, die so modulierte Strahlung durch einen selektiven Strahlteiler in zwei Anteile aufgeteilt wird, sodaß S jeder der beiden Anteile eindeutig einer der beiden entfallenden Wellenfronten zugeordnet werden kann, diese beiden Anteile durch je ein strahlungsempfindliches elektronisches Bauelement in elektrische Signale umgewandelt weiden.

Die einzige Patentschrift, in der eine ähnliche Anordnung gezeigt ist, konnte in DE 34 12 076 Al gefunden werden. Sie dient zur zweidimensionalen Vermessung eines Lichtpunktes, wobei das einfallende Licht der 10 Lichtquelle mit einer Abbildungsoptik auf einen Strahlteiler geworfen wird, wonach zwei mit ihrer Achse zueinander windschief montierte Zylinderlinsen die getrennten Lichtanteile auf zwei in unterschiedlichen Ebenen montierten Photodiodenzeilen fokussieren. Die Zylinderachsen legen dabei die Koordinatenachsen fest Schrat wegen der verwendeten Photodiodenzeilen, deren einzelne Elemente einen Mittenabstand von mehreren Mikrometern haben, ist diese Anordnung zur Messung kleinster Winkel nicht geeignet. 15 Eine andere ähnliche Vorrichtung ist im Buch von F. K. Brunner "Geodetic Refraction - Effects of Electromagnetic Wave Propagation Through the Atmosphere", Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokio 1984, auf Seite 22 beschrieben. Die einfallenden Lichtstrahlen werden dabei nach einer Abbildungsoptik zunächst in zwei Anteile aufgetrennt, wobei ein Teil nochmals in zwei Teilstrahlen aufgespaltet wird. Die beiden Teilstrahlen des einen Strahles durchlaufen je ein Farbfilter und werden danach von Photodioden detektierL Dieses 20 Strahlenpaar dient zur Messung der Helligkeitsschwankungen der verschiedenfarbigen Lichtstrahlen und zur nachträglichen Kompensation derselben. Der andere Strahl passiert einen optischen Kompensator und durchläuft danach ein von einem Motor angetriebenes rotierendes Spiralgitter, welches das Licht zerhackt. Das zerhackte Licht wird wiederum durch einen farbselektiven Strahlteiler getrennt und von zwei Photodioden empfangen. Der zu messende Winkel zeigt sich in einer Phasenverschiebung der Diodensignale. Diese Phasenverschiebung wird 25 durch Verdrehen eines optischen Kompensators (planparallele Komglasplatte) zu Null gemacht. An einer Feinmeßeinrichtung kann man dann einen mittleren Einfallswinkel ablesen. Diese Anordnung hat den gravierenden Nachteil, daß der zeitliche Verlauf der Winkeländerungen nicht erfaßt werden kann. Durch das händische Verdidien der Komglasplatte wird eine Mittelung vom Meßtechniker selbst vorgenommen, die dadurch subjektiv und von der psychischen Verfassung des Technikers beeinflußt ist. Auch ist der eigentliche Zeitraum, 30 für den der zuerst eingestellte und dann abgelesene Mittelwert eigentlich gilt, nicht feststellbar, was auch bei sehr tieffrequenten Winkeländerungen störend sein kann. Zudem ist die Messung extrem empfindlich auf Vibrationen, die unvermeidlich beispielsweise vom Zerhackermotor direkt im Meßgerät erzeugt werden, da sich diese über das Gehäuse des Gerätes auf die Komglasplatte übertragen und dadurch eine nichtvrahandene Phasenverschiebung vortäuschen. Solche systematischen Fehlerquellen können auch den Mittelwert verfälschen. Weitere Fehlerquellen 35 stellen die mechanische Vorrichtung zur Verdrehung der Komglasplatte und die Feinmeßeinrichtung dar. Lagerspiele der Kippvorrichtung oder ein Totgang in der Feinmeßeinrichtung beeinträchtigen direkt das Meßergebnis. Die Meßanordnung verwendet eine unnötig große Anzahl von optischen Elementen (3 Strahlteiler, 4 optische Lichtfilter, 1 Kompensator, 3 Umlenkspiegel) und benötigt dadurch höhere Lichtleistungen. Ungeklärt ist auch die Kalibrierung des Aufbaues (nichtlineare Skala an der Ableseeinheit!). 40 Die im folgenden beschriebene Erfindung der eingangs genannten Art weist die genannten Nachteile nicht auf. Besondere Vorteile liegen in der hohen Meßgeschwindigkeit und in der Automatisierbarkeit der Messung; es werden weniger optische und mechanische Elemente verwendet, wodurch das Gerät billig herstellbar, kompakt und robust ist

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Art der Modulation durch den Zerhacker, das heißt die 45 Geschwindigkeit (v) von dessen lichtabdeckenden Elementen am Ort der Modulation - beispielsweise optisch, induktiv, kapazitiv oder mechanisch - erfaßt wird, simultan dazu die zeitliche Verschiebung (At) der von den strahlungsempfindlichen Bauelementen stammenden elektrischen Signale durch eine Zeitschaltung granessen wird und daß aus der Geschwindigkeit (v), der zeitlichen Verschiebung (At) und der Bildweite des Objektivs der Einfallswinkel ermittelt wird. 50 Eine besonders genaue Ausführungsform wird dadurch erreicht, daß zur Kompensation von beispielsweise durch Alterung, Temperaturänderungen und Nullpunktsverschiebungen in der Auswerteelektronik hervorgerufenen Meßfehlern eine Referenzmessung so vragenommen wird, daß Licht einer weißen oder unpolarisierten Lichtquelle in der Bildebene fokussiert und moduliert wird, und daß eine eventuell von der Auswerteelektronik ausgegebene Zeitverschiebung der von den strahlungsempfindlichen Bauelementen abgenommenen Signale in dieser zu Null 55 korrigiert wird.

Das Meßverfahren, von dem eine Realisierungsmöglichtkeit in Abbildung 1 gezeigt ist, arbeitet nach folgendem Prinzip: Die beiden Lichtstrahlen (LI, L2), die den zu messenden Winkel (ß) miteinander einschließen, werden in der Bildebene einer optischen Linse (Kl) oder eines optischen Spiegels fokussiert, wodurch dort zwei, dem Winkel (ß) entsprechend versetzte Bilder der Lichtquellen entstehen (siehe (Ax) in 60 Abbildung 1). Die Bildgröße der Lichtquellen hängt vom Öffnungsverhältnis der Linse (bzw. des Spiegels) und von der Art und Größe der Lichtquellen ab. In der Bildebene (BE) der Linse befindet sich ein Lichtzerhacker (ZH), der die fokussierten Bilder der Lichtquellen für die nachfolgenden Funktionsblöcke abwechselnd abdeckt -2-

AT 396 527 B und wieder freigibt. Die Bewegung des Lichtzerhackers, wie also der lichtundurchlässige Teil dieser Anordnung über die Bildebene bewegt wird und so die Bilder der Lichtquellen verdeckt, muß genau durch geeignete Messungen erfaßt werden (Meßeinrichtung (M) in Abbildung 1). Je nachdem, wie sich die einfallenden Lichtstrahlen, die den Meßwinkel miteinander einschließen, voneinander unterscheiden, ob in der Farbe oder Polarisationsrichtung, unterscheidet sich auch deren weitere Verarbeitung. Für verschiedenfarbige Lichtstrahlen folgt ein farbselektiver Strahlteiler (S), der das durch den Lichtzerhacker modulierte Mischlicht der beiden Lichtquellen entsprechend ihren Farben in zwei Anteile (Al, A2) aufteilt. Dieser farbselektive Strahlteiler kann, wie in Abbildung 1 angedeutet, aus einem halbdurchlässigen Spiegel (Sp) mit nachfolgenden optischen Filtern (Fl, F2) hergestellt werden. Günstiger ist jedoch, einen halbdurchlässigen Spiegel mit farbabhängigen Reflexions- und Durchlaßeigenschaften einzusetzen, wodurch eine höhere Lichtempfindlichkeit erzielt wird, ln diesem Fall können die optischen Filter entfallen. Danach werden die hindurchgelassenen Lichtanteile durch Sammellinsen (K2, K3) auf je ein lichtempfindliches elektronisches Bauelement (Dl, D2) geworfen, welches ein zur auftreffenden Lichtstärke proportionales elektrisches Signal ausgibt. Wenn beispielsweise der Winkel zwischen einem roten und einem blauen Lichtstrahl gemessen werden soll, wird durch den farbselektiven Strahlteiler der rote Lichtanteil auf den einen Lichtdetektor und der blaue Anteil auf den anderen Detektor gelenkt. Die Montage der beiden elektronischen Bauelemente ist unkritisch, weil die Modulation des Lichtes vom Zerhacker in der Bildebene passiert, und die lichtempfindliche Fläche der Bauelemente groß genug gewählt wird, daß die Linsen (K2) und (K3) die gesamte Bildebene auf diese abbilden.

Dadurch, daß die Bilder der einfallenden Lichtstrahlen in der Bildebene räumlich versetzt sind ((Δχ) in Abbildung 1), und daß der Lichtzerhacker (ZH) mit endlicher Geschwindigkeit die Bildebene überstreicht, sind die elektrischen Signale der beiden Lichtdetektoren zeitlich verschoben. Einer der beiden Lichtpunkte wird ja vom Lichtzerhacker früher äbgedeckt, beziehungsweise freigegeben, als der andere. Mit einer geeignet«! elektronisch«! Schaltung läßt sich diese Verschiebung (At) bestimmen, wodurch man bei bekannter Geschwindigkeit (v) des Lichtzerhackerelements den Abstand zwischen den Bildern der Lichtquellen in der Bildebene b«echnen kann: Δχ = v. At

Der Winkel (ß) zwischen den einfallenden Lichtstrahlen läßt sich mit Hilfe der eingestellten Bildweite ((b) in Abbildung 1) daraus ermittlen: Δχ tanß = b

Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß nicht notwendigerweise zwei Lichtquellen verwendet werden müssen. Dies ist speziell für Refraktionsmessungen interessant, wo die Lichtquelle für terrestrische Messungen eine einfache Halogenlampe sein kann oder ein ausreichend heller Stern für astronomische Messungen. Das annähernd weiße Licht der Lichtquelle wird nämlich durch Luftdichteschwankungen der Atmosphäre in seine spektralen Anteile zerlegL Verschiedene Farben ein und derselben Lichtquelle treffen also unter unterschiedlichen Winkeln beim Beobachter ein. Solch kleine Winkel können mit dieser Meßanordnung «faßt werden.

Wenn sich die Lichtstrahlen durch ihre Polarisationsrichtungen unterscheiden, sind die optischen Lichtfilier (Fl, F2) durch Polarisationsfilter zu ersetzen.

Eine hohe Arbeitsfrequenz des in der Bildebene angeordneten Lichtzerhackers ermöglicht mehrere hunderttausend Messungen in sehr kurzer Zeit (einige Sekunden), die vom einen Mikrocomputer abgespeichert und statistisch weiterverarbeit« werden können. Dadurch wird der Mittelwert der Einzelmessungen unabhängig von Vibrationen, Szintillationen der Luft und anderen stochastischen Störungen. Andererseits kann gerade durch diese hohe Meßgeschwindigkeit auch der zeitliche Verlauf von Vibration«! oder Luftszintillationen aufgezeichnet werden. Durch die außerordentlich hohe Empfindlichkeit läßt sich dieses Meßprinzip auch für Messungen von minimalen Durchbiegungen von Trägem oder von kleinsten Neigungswinkeln verwenden. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellt die Prüfung von optischen Gläsern dar. Diese könnten auf ihre Geometrie oder Homogenität untersucht werden.

Beschreibung des Lichtzerhackers

Der Lichtzerhacker kann beispielsweise als rotierende Glasscheibe mit aufgedampften Schwärzung«! realisiert werden. Abbildung 2 zeigt, wie solch ein Zerhacker aufgebaut werden könnte. (Kl) stellt die optische Linse dar, die das einfallende Licht auf die rotierende Glasscheibe (302) fokussiert Die lichtundurchlässigen Bereiche der Platte (303) decken die Bildebene periodisch ab.

Eine etwas aufwendigere Möglichkeit ist in Abbildung 3 skizziert Eine Sammellinse (Kl) bildet die Bilder der Lichtquelle(n) auf einem rotierenden Glaszylinder (401) ab. Auf dem Zylinder befindet sich ein lichtundurchlässiges Strichmuster (402), welches das in das Innere fallende Licht zerhackt. Dort sitzen der farbselektive Strahlteiler, die Dioden und die Auswerteelektronik; diese in (403) zusammengefaßten Einheiten sind fix moniert und rotieren nicht mit Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ein horizontaler Versatz der Bildpunkte die Messung nicht beeinflußt, weil die Strichmuster auf dem Glaszylinder an jeder Stelle die selbe -3-

AT 396 527 B

Umfangsgeschwindikeit besitzen. (Will man den horizontalen Einfallswinkel zusätzlich messen, müßte eine identische Anordnung um 90° verdreht mit geeigneten optischen Pfaden samt photoelektrischen Bauelementen und Auswerteschaltung in das bestehende System mitintegriert werden.) Zum Unterschied dazu haben die Schwärzungen auf einer rotierenden Scheibe, wie im vorigen Beispiel, je nach Abstand zur Drehachse S unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten. Dadurch kann es bei großen horizontalen Verschiebungen zu Fehlem kommen.

Als weitere Möglichtkeit soll ein mechanischer Schwinger genannt werden, auf dem ein dünnes Glasplättchen befestigt ist. Das Glasplättchen hat wiederum einen lichtundurchlässigen Bereich, der das einfallende Licht periodisch unterbricht. In diesem Zusammenhang läßt sich Piezokeiamik, die in Resonanzfrequenz betrieben 10 wird, gut einsetzen. Abbildung 4 zeigt eine mögliche Anordnung. Die Linse (Kl) fokussiert das Licht auf das Glasplättchen (501) mit der Schwärzung (502). Das Glasplättchen ist auf zwei piezokeramischen Biegeschwingem (503) befestigt, welche selbst wiederum auf einen Trägerwürfel (504) aufgeklebt sind. Der Trägerwürfel ist durchbohrt, damit der Strahlengang zu den nachfolgenden Lichtempfängem nicht unterbrochen ist. Bei Ansteuerung in Resonanzfrequenz führt das Glasplättchen in der in Abbildung 4 angedeuteten Richtung 15 eine Schwingung aus, deren Amplitude je nach Länge der Biegeschwinger etwa 200 pm groß ist.

Die Bewegung der lichtundurchlässigen Teile des Zerhackers kann beispielsweise über optische Verfahren abgetastet werden. Gut geeignet ist dafür der Laserkopf eines CD-Plattenspielers. Auch kann es sinnvoll sein, die Exzentrizität, die durch unvermeidbares Spiel der Lager entsteht, am rotierenden Teil mitzumessen und die Meßergebnisse mittels Mikrorechner nachträglich in Rechnung zu stellen. 20 Auch könnte der bekannte Effekt, daß sich die optischen Eigenschaften eines Piezokristalls unter Einwirkung elektrischer Feldstärke verändern, für den Aufbau eines Lichtzerhackers ausgenützt werden. Die Art der Abdunklung der Bildebene könnte empirisch oder durch mathematische Modelle erfaßt werden und durch Referenzmessungen kontrolliert werden. Der Vorteil eines solchen Zerhackers liegt darin, daß die gesamte Meßanordnung keine mechanischen Elemente, die immer Anlaß zu Ungenauigkeiten sind, mehr enthält 25

Beschreibung der Auswerteelektronik

Die Auswerteelektronik muß folgende Anforderungen erfüllen: - Vorbeiziehende Luftschlieren verursachen nicht nur eine spektrale Zerlegung des Lichtes, sondern auch eine Intensitätsabschwächung. Diese Amplitudenfluktuationen dürfen die eigentliche Winkelmessung nicht 30 beeinflussen • Die Beugung des Lichtes an der Objektivberandung bewirkt, daß selbst bei punktförmigen Lichtquellen die Bilder derselben in der Bildebene relativ große Flecken sind (typisch 30 pm 0), deren Zentren nur ganz wenig (typisch 100 nm bis 1 pm) verschoben sind. Die Auswerteelektronik muß die Zentren der in der Bildebene abgebildeten Lichtquellen vermessen und unabhängig von deren Größe sein. 35 - Unvermeidliche Alterungen, Temperaturdriften und Nullpunktsfehler der Auswerteelektronik sollen durch eine geeignete Referenzmessung kompensiert werden. Abbildung 5 zeigt, wie eine Referenzmessung für ein Meßsystem nach Abbildung 1 vorgenommen werden könnte. Ein um die Achse (A) klappbarer Spiegel (SP2) wirft das Licht einer weißen (bzw. unpolarisierten) Referenzlichtquelle (LQ3) auf den Lkhtzerhacker (ZH). Das auf den Lichtzerhacker fokussierte Bild der Referenzlichtquelle (LQ3) vereinigt 40 Licht aller Farben (bzw. Licht aller Polarisationsrichtungen) in einem Punkt, wodurch die nachfolgende

Meßschaltung den Winkel 0° delektieren müßte. Wird dennoch eine zeitliche Verschiebung der Ausgangssignale der Lichtempfänger gemessen, wird dies als Fehler erkannt. Dieser sich»1 sehr langsam veränderliche Offsetfehler kommt durch die elektronische Auswertung oder andere Ursachen zustande. Nach Zurückklappen des Spiegels (SP2) und Abschalten der Referenzlichtquelle (LQ3), werden die nächsten 45 Meßwerte aufgenommen, die um den zuvor gemessenen Offsetfehler rechnerisch korrigiert werden. Diese

Korrekturmessung kann vor jeder Messung, oder auch im Verlauf eines länger dauernden Meßzyklus wiederholt werden. - Eine übergeordnete Einheit soll den gesamten Meßablauf steuern, die Regelung des Lichtzerhackers (ZH) und die Referenzmessung übernehmen. Die Meßwerte sollen abgespeichert und eventuell auf einem 50 Sichtgerät graphisch ausgegeben werden. Gleichzeitig können charakteristische statistische Wate berechnet werden.

Diese beiden ersten Aufgaben können schaltungsmäßig beispielsweise folgendermaßen bewerkstelligt werden (siehe Abbildung 6): aus den elektrischen Signalen der Lichtempfänger wird jeweils das Maximum und das 55 Minimum herausgetastet, und aus diesen Werten der arithmetische Mittelwert gebildet 1 (Minimum + Maximum). — 2

Das ursprüngliche Signal wird mittels eines Komparators mit diesem Mittelwert verglichen. Am Ausgang des Komparators ergibt sich ein Rechtecksignal, das in jenen Zeitpunkten steigende (fallende) Flanken auf weist, -4- 60

Claims (3)

1. AT 396 527 B in denen der licbtundurcblässige Teil des in der Bildebene angeordneten Choppers (ZH) gerade die Mitte des abgebildeten Beugungsscheibchens wieder freigibt (bzw. überdeckt). Die so erzeugten Rechtecksignale besitzen eine zeitliche Verschiebung (At), die in der nachfolgenden Schaltungseinheit gemessen und einem Mikroprozessor übergeben wird. Die Meßeinrichtung (M) übermittelt dem Mikroprozessor den Bewegungsablauf des lichtundurchlässigen Zerhackerelements (ZH), welcher daraus die Geschwindigkeit zum Auftrittszeitpunkt da* Rechteckssignalflanken errechnet und mit Hilfe der gemessenen Zeit (At) den gesuchten Winkel (ß) bestimmt Weiters kann der Mikroprozessor aufgrund der Kenntnis dieses Bewegungsablaufes die Ansteuerung der mittelwertbildenden Schaltung bewerkstelligen. Wenn nämlich der Chopper die Bildebene (eigentlich die "Sichtebene" der Photodetektoren) vollständig abdeckt, muß bei beiden Photodetektoren das Minimum auftreten. Umgekehrt, wenn also der Chopper die Bildebene komplett freigibt, tritt das Maximum auf. Durch die hohe Arbeitsfrequenz der Choppers (ZH) und die non-line"-Bestimmung des arithmetischen Mittelwerts aus dem zuletzt aufgetreten«! Minimum und Maximum ist die Messung unabhängig von Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle(n). PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Messung von Winkeln zwischen zwei elektromagnetischen Wellen, welche sich in ihrer Wellenlänge oder Polarisationsrichtung unterscheiden, wobei die einfallenden Wellenfronten von einem Objektiv in dessen Bildebene abgebildet werden, dort von einem Lichtzerhack«’ (Chopper) moduliert werden, die so modulierte Strahlung durch einen selektiven Strahlteiler in zwei Anteile aufgeteilt wird, sodaß jeder der beiden Anteile eindeutig einer der beiden einfallenden Wellenfionten zugeordnet werden kann, diese beiden Anteile durch je ein strahlungsempfmdliches elektronisches Bauelement in elektrische Signale umgewandelt worden, gekennzeichnet dadurch, daß a) die Art der Modulation durch den Zerhacker (ZH), das heißt die Geschwindigkeit (v) von dessen licht-abdeckenden Elementen am Ort der Modulation - beispielsweise optisch, induktiv, kapazitiv oder mechanisch - erfaßt wird, b) simultan dazu die zeitliche Verschiebung (At) der von den strahlungsempfindlichen Bauelementen (Dl, D2) stammenden elektrischen Signale durch eine Zeitschaltung gemessen wird und daß c) aus der Geschwindigkeit (v), der zeitlichen Verschiebung (At) und der Bildweite (b) des Objektivs (Kl) der Einfallswinkel (ß) ermittelt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von beispielsweise durch Alterung, Temperaturänderungen und Nullpunktsverschiebungen in der Auswerteelektronik hervorgerufene Meßfehler eine Referenzmessung so vorgenommen wird, daß Licht einer weißen oder unpolarisierten Lichtquelle in der Bildebene (BE) fokussiert und moduliert wird, und daß eine eventuell von der Auswerteelektronik ausgegebene Zeitverschiebung der von den strahlungsempfindlichen Bauelementen (Dl, D2) abgenommenen Signale in dies« zu Null korrigiert wird. Hiezu
3. 3 Blatt Zeichnungen -5-