Vorrichtung zum Bestimmen der relativen Verschiebung eines Gegenstandes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der relativen Verschiebung eines Gegenstandes, in welcher ein Raster verwendet wird, das zusammen mit dem Gegenstand verschoben wird, von welchem Raster die Linien praktisch senkrecht zur Verschiebungsrichtng stehen, wobei eine Lichtquelle vorhanden ist, deren Licht das Raster und ein zugehöriges optisches System einmal oder mehrere Male durchläuft und auf zwei photoelektrische Ele- mente auffällt, in jedem von denen bei der Verschiebung des Rasters ein Signal erzeugt wird, die eine periodische Funktion der Verschiebung sind und gegenseitig einen Phasenunterschied aufweisen, der von einem ganzen Vielfachen von 180 verschieden ist,
wobei die Grösse und die Richtung der Verschiebung durch Aufzeichnung der Periodizität dieser Signale in einer Zählvorriehtung gemessen werden.
In bekannten Vorrichtungen dieser Art besteht der auf die photoelektrischen Elemente auffallende Lichtstrom aus einem mehr oder weniger konstanten Teil, dem Untergrund, dem ein im wesentlichen sinusförmiger von der Rasterlage abhängiger Teil überlagert ist und wobei der Photostrom eine entsprechende Form hat. Die Periodizität der Signale wird dann durch Heranziehung der Nulldurchgänge des sinusförmig veränderlichen Teiles des Photostromes aufgezeichnet. Dies. wird jedoch dadurch erschwert, dass der Untergrund des Lichtstromes unerwünschte Anderungen aufweisen kann und ausserdem bei den üblichen halbleitenden photoempfindlichen Elementen der Untergrund noch zusätzlich durch den sogenannten Dunkelstrom des Elementes verstärkt wird. der stark von der Temperatur abhängig ist.
Mese unerwünschten Anderungen können vergleichbar mit oder sogar grösser werden als der bzw. die Amplitude des sinusförmig veränderlichen Teiles, wodurch die Bestimmung von Nulldurchgängen ungewiss oder sogar unmöglich wird.
Dieser störende Gleichstromteil darf nicht von Filtern entfernt werden, weil die Frequenz des Wechselstromteiles bei geringen Verschiebungsgeschwindigkeiten sich Null nähern kann.
In der britischen Patentschrift Nr. 928 564 des Anmelders ist beschrieben, wie durch eine Vibrationsbewegung eines der Elemente des dem Raster zugehörigen optischen Systems ein sinusförmig mit der Zeit phasenmoduliertes Signal'erhalten wird, das in Kombination mit einem von der Vibration abge leiteten, sinusförmig mit der Zeit verlaufenden Signal alle Informationen aufweist, um die Richtung und die Grösse der Verschiebung zu bestimmen, wobei der Gleichstromteil des photoelektrischen Signals unschädlich ist.
Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist, daB es schwierig isb, bei hohen Verschiebungsgeschwindig- keiten zu messen. Die höchstzulässige Verschiebungsgeschwindigkeit wird nämlich durch eine Anzahl von Umständen begrenzt.
An erster Stelle beträgt die maximale Anzahl der Verschiebungsperioden, die pro Sekunde zurückgelegt werden darf, die Hälfte der Modulationsfrequenz.
Das Verwirklichen einer genügend hohen Modulationsfrequenz kann mechanische Nachteile liefern.
Weiter wird die maximale Verschiebungsgeschwin- digkeit durch die maximale Frequenz (Grenzfre- quenz) bestimmt, auf die das photoelektrische Element noch reagiert, und zwar ist das theoretische Maximum der Anzahl der Verschiebungsperioden pro Sekunde nur das Fünftel dieser Grenzfrequenz, da in dem phasenmodulierten Signal bei maximaler Verschiebungsgeschwindigkeit eine Frequenz des 2, 5fachen der Modulationsfrequenz auftritt, die also durch das photoelektrische Element verwirkt wer den können muss, weil weiter die Anzahl der Verschie bungsperioden pro Sekunde maximal die Hälfte der Modulationsfrequenz ist.
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der der Untergrund auf die beschriebene Weise unschädlich gemacht worden ist und doch leicht gemessen werden kann, auch wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit verhältnismässig gross ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung isb gekenn- zeichnet durch Mittel zur Modulation der Phase der beiden Signale auf gleiche Weise durch eine Vibration eines gleichen Teiles des optischen Systems und Mittel zum Ableiten unmodulierter Signale aus den modulierten Signale.
An erster Stelle besteht hier die Möglichkeit, der Modulatiönsfrequenz einen höheren Wert zu geben, als früher der Fall war. Weiter besteht die Möglich keit, die Grenzfrequenz der verwendeten photoempfindlichen Elemente besser auszunutzen unter Beibehaltung der Möglichkeit des Vorteiles, dass im Verstärker eine Wechselspannungskopplung bei niedrigen Geschwindigkeiten oder Stillstand des Rasters bestehen bleibt.
In den beiliegenden Zeichnungen ist ein Ausfiih- rungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt eine Quarzplatte vor dem Raster.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Quarzplatte gemäss Fig. 2.
Fig. 4, 5, 6 zeigen Einrichtungen zum Umwandeln der Signale.
Eine Vorrichtung, mit der zwei gegenseitig 90 in der Phase verschiedene photoelektrische Signale der Form :
A = sin ( (,) x + b sin ss t) + const.
B = cos (co x + b sin Q t) + const. abgeleitet werden können, ist in Fig. l dargestellt. Die Bewegungsrichtung des Rasters liegt hierbei in der Zeichenebene und ist mit x bezeichnet.
Das Licht einer Lichtquelle B wird durch eine Linse L1 kollimiert und fällt über einen ebenen Spiegel Ss auf einen Teilspiegel 52 auf. Das zurückgewor- fene Bündel fällt über Linsen L9 und L3 auf das Raster R auf, das einen Teil des Körpers bildet, dessen Verschiebung gegenüber dem optischen System gemessen wird, von dem angenommen wird, dass es ortsfest angeordnet ist.
Durch das Raster R wird das Licht in kohärente Teilbündeln gespalten, die durch die Quarzplatte K fallen, die nachstehend noch weiter beschrieben werden wird. lober die Linse L4 4 fallen die Bündel dann auf den Hohlspiegel S3 auf, der in der Brennfläche von L4 steht und um eine Achse parallel zu den Rasterlinien in Vibration versetzt wird. Dies erfolgt hier dadurch, dass der Spiegel S an dem Ende eines Stabes aus magnetostriktivem Material befestigt ist, der nah an dem Ende, an dem der Spiegel angeordnet ist, mit einem unsymmetri- schen Einschnitt versehen ist.
Die Stabenden tragen Spulen, in denen auf bekannte Weise durch einen Verstärker mit Rückkopplung elektrische Schwingungen mit einer Frequenz gleich der Eigenfrequenz des Stabes erzeugt werden. Die Kreisfrequenz der Schwingung wird mit ss bezeichnet. In der Fig. 1 der Zeichnung ist der Gang der Strahlen angegeben, die die Biegungsmaxima der Ordnung 0,-1 und +1 veranlassen. Auf dem Spiegel Sz,, sind diese mit Mo, M 1 und M 1 bezeichnet. Der Spiegel Sa ist an der Stelle von Mo durch eine schwarze Bedeckung nichtreflektierend gemacht, und die Abmessungen des Spiegels sind derart klein gewählt, dass Maxima höherer Ordnung nicht aufgefangen werden.
Auf diese Weise werden nur die Bündel von der Ord nung-1 und + 1 zur ckgeworfen und diese fallen über die Linse L4 und die Quarzplatte K auf das Raster R zurück. Von den durch das Raster R gebildeten, rückwärts austretenden, kohärenten Bündeln S werden weiter nur zwei verwendet, nämlich erstens das durch das Raster R aus dem von M 1 herrühren- den Licht gebildete Bündel der Ordnung +1, und zweitens das durch das Raster aus dem von M+ + 1 herrührenden Licht gebildete Bündel der Ordnung -1. Diese in Richtung zusammenfallenden, kohärenten Bündel fallen über die Linsen L und L-7 und den Spiegel Se auf das Teilprisma P auf, das aus zwei Teilen Pi und P2 besteht,
die nach der Diagonalebene W, die senkrecht zur Zeichenebene steht, gekittet sind. Die Kittfläche von Pi ist mit einer Verspiegelung aus im Vakuum aufgedampften dünnen Schichten von abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex versehen. Es wird einleuchten, dass, wenn der Einfallwinkel y derart gewählt wird, dass auf der Begrenzung zwischen den Schichten hohen und niedrigen Brechungsindex das Licht etwa unter dem Brewsterwinkel einfällt und, wenn ausserdem die Stärke der Schichten geeignet gewählt wird, es erreicht werden kann, dass durch die genannte Verspiegelung des Lichtes im verwendeten Wellenlängenbereich der senkrecht zur Zeichenebene schwingende Teil zum grössten Teil zur Linse L5 zurück- geworfen wird,
von der es auf die Photodiode Fi auffällt. Der in der Zeichenebene schwingende Teil wird zum grössten Teil durchgelassen und fällt über die Linse L, ; auf die Photodiode Fo auf.
Fig. 2 zeigt die Quarzplatte K vor dem Raster in der Richtung der optischen Achse des Abbildungssystem Lu, su aus betrachtet. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Quarzplatte nach dem Hauptschnitt. Die optische Achse des Quarzes schliesst einen Winkel von etwa 45 mit der Ebene der Platte ein. In der Fig. 2 ist angenommen, dass die Richtung der Rasterlinien einen Winkel p mit der Senkrechten auf der Zeichenebene aus Fig. 1 einschliesst. Der Hauptschnitt H schliesst einen Winkel a mit der Richtung der Rasterlinien ein.
Der auf der optischen Achse des Abbildungssystems L4 S3 liegende Punkt O des Rasters wird im gewöhnlichen > Strahlengang auf sich selbst als O abgebildet. Die Vibrationsrichtung (senkrecht zum Hauptschnitt) ist in der Fig. 2 mit dem doppelten Pfeil bezeichnet. Die aussergewöhnliche Abbildung Oe ist jedoch längs dem Hauptschnitt in der Rasterebene gegenüber 0. in einem Abstand verschoben, die annähernd mit OoOe=2dne-no/no angegeben werden kann. In der Formel ist d = Stärke der Quarzplatte, Ko = gewöhnlicher Brechungsindex, n,. = aussergewöhnlicher Brechungsindex.
Es wird bemerkt, dass in der Fig. 2 die Verschiebung deutlichkeitshalber übertrieben dargestellt ist.
Die Vibrationsrichtung von Oo ist senkrecht zum und diejenige von Oe parallel zum Hauptschnitt. Sie sind in Fig. 2 mit doppelten Pfeilen bezeichnet.
In der Richtung senkrecht zu den Rasterlinien ist der gegenseitige Abstand der beiden Bilder Oo und 0.. also gleich 2 d sin a no
Wenn nicht zu gross ist und ausserdem die Rasterlinien, mit Ausnahme eines kleinen Winkels ¯, senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rasters R stehen, werden die Signale, die von Fi und Fä geliefert werden, in erster Annäherung die folgende Form aufweisen :
EMI3.1
<tb> <SEP> 2 <SEP> x <SEP> cos <SEP>
<tb> A <SEP> = <SEP> const. <SEP> + <SEP> sin <SEP> (2Rp <SEP> ss <SEP> x <SEP> + <SEP> b <SEP> sinDt)
<tb> <SEP> C <SEP> i/4p
<tb> B <SEP> = <SEP> const. <SEP> + <SEP> sin <SEP> (2 <SEP> % <SEP> p <SEP> s <SEP> fl <SEP> x <SEP> + <SEP> b <SEP> sinqt <SEP> + <SEP> ca)
<tb> <SEP> \ <SEP> /
<tb> in der b = 2a-e in der r = der Halbmesser von S3, @ die Winkelamplitude der Schwingung von S3 und
C=2d(ne-no)/1/2pno.2? Glieder von einer Ordnung hoher als die erste Ordnung in a und/3 sind hierbei vernachlässigt.
Durch geeignete Wahl von d kann erreicht werden, dass z. B. c grösser ist als-.. so dass der für einen Phasenunterschied von 2 erforderliche Winkel a nicht grösser als etwa 5 wird. Da in der Pra xis l ; auch nicht mehr als einige Grad beträgt, dürfen wir die obige Form für das Signal aus F2 verwenden. Der für einen Phasenunterschied von ?/2 erforderliche Winkel a wird dann α=pno?
16d (ne-no) Der gewünschte Wert von a kann dadurch eingestellt werden, dass die Quarzplatte in einer um die optische Achse von L4 und S3 drehbaren Fassung V (siehe Fig. 1) montiert wird.
Die Platte wird also mittels dieser drehbaren Fassung mit ihrem Hauptschnitt so viel aus der Rasterlinienrichtung gedreht, bis der er wähnte Phasenunterschied von 2 erreicht ist.
Für Quarz gilt : ne-no? = 0, 006 Ho
Wählt man weiter : d = 2 mm p=16Á (Me¯stufen 1 Á) so ist α=16.10-3? =1? radial =5¯ 16. 2. 0, 006 12 Dile Stärke d der Quarzplatte darf nicht zu klein sein, weil bei grösseren Werten von a Komplikationen auftreten, nämlich eine Amplitudenverringerung der Wechselstromteile der beiden Signale. Anderseits ist es erwünscht, d nicht zu gross zu wÏhlen, da dann die Einstellung von a zu kritisch wird. Die in den photoempfindlichen Elementen erhaltenen Spannungen haben also die Form :
A = sin (oo x + b sin 92 t) + const.
B = cos (co x + b sin Q t) + const.
Aus diesen Spannungen kann dann auf folgende, an Hand der Fig. 4 zu beschreibende Weise eine Anzeige erhalten werden. Der Modulationswinkel b wird klein gewählt, z. B. 0, 2. Die obigen Ausdrücke können dann durch
B = const + sin cv x + b cos a) x sin Q t
B = const + cos ? x-b sin ? x sin O t genähert werden.
Die genannten Signale treten bei I und II auf und werden den Vorrichtungen A, und A2 zugeführt, denen zugleich Spannungen zugeführt werden, die von der Spiegelvibration abgeleitet werden und proproportional zu sin Q t sind. In den Vorrichtungen r1 und r2, die je z. B. einen Hall-Generator aufweisen können, wird das Produkt der zwei Spannungen gebildet. Die Mischprodukte werden den Tiefpassfiltern Bt und B2 zugeführt, die z. B. die Frequenzen auf 1/2. Q dWrchlassen. Am Ausgang entstehen dann Spannungen cos co x und sin x, die auf bekannte Weise weiter behandelt werden können.
Da b klein ist, kann S2 hoch, sein und damit auch die höchstzulässige Verschiebungsgeschwindigkeit
EMI3.2
Ein zweites Verfahren ist in Fig. 5 vorgeschlagen, in der auch das Antriebssystem für den Spiegel dar gestellt ist. Die Signale, die bei I und II auftreten, können auf folgende Weise geschrieben werden :
A = const + sin co x [JO (b) + 2J2 (b) cos 2 Q t + 2J4 (b) cos 4 ss t +...] + cos oi x [2T1 (b) sin Ot + 2J3 (b) sin 3 Q t +...] B--const + cos co x (Jo (b) + 2J2 (b) sin Ot +...] sin co x (2Jl (b) sin Q t + 2J3 (b) sin 3 Q t +...]
Wenn hierbei b etwa gleich 2, 5 gewählt wird, so ist Jo (b) etwa gleich Null, so dass bei Stillstand die Glieder Jo (b) sin oi x und JO (b) cos oo x keine Schwierigkeiten liefern.
In der Vorrichtung A werden die Nulldurchgänge der Wechselspannungsteile der Spannungen A und B auf übliche Weise zum Bilden von Zählimpulsen vorwÏrts und rückwärts verwendet. Bei Stillstand des Rasters wird also immer hin und her gezählt infolge der Phasenmodulation b sin Qt, was jedoch nicht nachteilig zu sein braucht.
Wird die Bewegungsschwierigkeit des Rasters jedoch derart, dass dx 0 dt m' so erhält das Glied mit der Amplitude Jl (b) eine Frequenz Null. Um Komplikationen hierdurch zu ver hüten, ist es erwünscht, die folgende Vorsorge anzubringen : in der Vorrichtung B werden die Zählimpulse vorwärts und rückwärts positiv bzw. negativ berechnet, integriert und gleichgerichtet, so dass bei schneller Bewegung die Vorrichtung B eine Gleichspannung Iiefert, die die Verstärkung des VerstÏrkers C verkleinert, wodurch die Amplitude des vibrierenden Spiegels auf einen niedrigeren Wert eingestellt wird und das Glied ?J1 (b) unbedeutend wird.
Eine weitere Einrichtung zum Umwandeln der Signale ist in Fig. 6 dargestellt. Das erste Signal wird hierbei in der Vorrichtung A, wieder mit einer Spannung proportional zu sin multiplikativ gemischt, worauf die sich ergebende Spannung durch das Tiefpassfilter Bl, das die Frequenz unterhalb 1/2 S2 durchlässt, geführt wird, worauf das erhaltene Signal, das proportional zu cos ? x ist, der Vorrichtung Et zugeführt wird.
Et wird zugleich das zweite Signal über einen Phasenausgleicher C2 zugeführt. Was die Nulldurch- gänge anbetrifft, verhält dieses Signal sich im wesentlichen wie die Funktion cossox, da b so klein gewählt ist, dass Jo (b) gross ist gegeniiber Ji (6) (z. B. b = 0, 2).
Auf ähnliche Weise empfängt E2 ihre Signale. In Et und E2 werden die eintreffenden Signale linear kombiniert. Die aus Et und E2 austretenden Signale, die im wesentlichen proportional zu cos und sin cu x sind, werden F zugeführt, in der auf bekannte Weise Impulse fiir vorwärts und rückwärts gehildet werden.
Die Impulse werden der Vorrichtung D zuge- führt, die die Impulse für vorwärts positiv und diejenigen für rückwärts negativ berechnet, darauf inte griert und gleichgerichtet. Die erhaltene Gleichspannung wird Et und Ez zugeführt, zur Steuerung des Mischverhältnisses der in El und E2 linear kom binierten Signale. Bei geringer Geschwindigkeit des Rasters werden in Et bzw. E2 nur die aus Bi bzw. B, austretenden Signale eingekoppelt. Bei zunehmender Geschwindigkeit werden diese abgekoppelt und werden die aus Ci bzw. C2 austretenden Signale eingekoppelt.
Die Phasenausgleicher Ci und C2 dienen dazu, die in Bt und B2 auftretende Phasendrehung einigermassen auszugleichen, damit bei der tYbernahme die aus Bt und BS und C2 und Ci austretenden Signale etwa in der Phase sein werden.