Einrichtung zum Messen linearer Verschiebungen eines beweglichen Objektes
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen linearer Verschiebungen eines beweglichen Objektes.
Eine bekannte Einrichtung zum Messen linearer Verschiebungen eines beweglichen Objektes enthält einen stabilisierten, kontinuierlich strahlenden Laser, üblicherweise einen Gaslaser, und ein Interferometer, zum spiel ein Michelson-Interferometer, von dessen Reflektoren einer am beweglichen Objekt Nangeordnet ist
IDie Laserstrahlung trifft auf das Interferometer, an dessen Ausgang ein sich bei Änderung der Lage des be weglichen Objektes veränderndes Interferenzbild entsteht.
Aus der Änderung dieses Bildes bestimmt man die Grösse der Verschiebung des beweglichen Objektes.
Diese Einrichtungen sind recht zuverlässig und einfach; leider wird aber bei ihnen nur ein Messfehler von nicht unter 0,5 mm gewährleistet.
Es ist auch eine Einfichtung bekannt, die zwei gleiche Laser und zwei Interferometer enthält, deren eines eine konstante optische Armlänge aufweist derartige Interferometer werden in der Regel Bezugs interferometer gen'annt - während das andere fin einem der Arme das bewegliche Objekt enthält, dessen Verschiebung gemessen wird. Am Ausgang eines jeden der Interferometer ist ein Photoempfänger angeordnet. Die beiden Photoempfänger sind an ein Mittel zur Registrie- rung des Phasenunterschiedes zwischen deren Ausganlgs- signalen angeschlossen. Dieser Phasenunterschied ist proportional der Verchiebung des Objektes, an dem der Reflektor des Messinterferometers angeordnet ist.
Die Frequenz eines der Laser wird über eine Rückkop plungsschleife derart nachgestimmt, dass die Frequenzdifferenz der Strahlung der Laser möglichst konstant gehalten sind.
Eine derartige Einrichtung kann jedoch wegen Ider
Drift der Differenzfrequenz der beiden Laser, die im günstigsten Falle einige Megahertz pro Minute beträgt, keine hohe und stabile Messgenauigkeit erreichen. Dar über hinaus sind derartige Einrichtungen umfangreich und finden bis jetzt nur bei Laborforschungen Verwen dung.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, auf der Grundlage einer kohärenten Lichtquelle eine einfache, zuverlässige Einrichtung zum Messen linearer Verschie bungen eines beweglichen Objektes zu schaffen, die eine Messgenauigkeit von mindestens 10-2 m gewährlei- stet.
Zur Erreichung des Ziels soll eice solche Quelle kohärentes Strahlung ausgenutzt werden, bei der die Frequenzdrift der Strahlung die Genauigkeit der Verschiebungsmessung praktisch nicht beeinflusst.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei der Einrichtung zum Messen linearer Verschiebung eines beweglichen Objektes, die eine Quelle kohärenter Strahlung, zwei Photoempfänger, wobei auf einen die Eingangsstrahlung der Quelle und auf den anderen sowohl die Eingangsstrahlung als auch durch das bewegliche Objekt reflektierte Strahlung auftreffen, und einen Phasendifferenzmesser zur Messung der Phasendifferenz der Ausgangssignale der Photoempfärr,ger enthält, aus dessen Messwert die lineare Verschiebung des Objektes bestimmt wird,
erfindungsgemäss als Quelle kohärenter Strahlung ein zwei Wellen verschiedener Frequenz aus strahlender Laser aur Anwendung kommt, deren Fre quenzdifferenz iim Radiofrequenzbereich liegt.
Der Einsatz eines Zweifrequenzlasers gewährleistet eine Erhöhung der Messgenauigkeit dank der Beseitigung der Drift der Differenzfrequenz.
Die Ausnutzung von Strahlungen, edleren Frequenz unterschied unterhalb von 1 MHz bleibt, vereinfacht die Schaltung elektronischer Messapparaturen, insbesondere die des Phasendifferenzmessers.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen der Einrichtung sowie beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denn zeigen:
Fig. 1 die Blockschaltung der Einrichtung zum Messen von linearen Verschiebungen mit einem Ring- laser und;
Fig. 2 die Prinzipschaltung der Einrichtung zum Messen von linearen Verschiebungen mit einem gera dli- nigen Laser.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung wird als Quelle zweier Lichtwellen mit verschiedenen Frequenzen ein Ringlaser 1 eingesetzt. Die Frequenzdifferenz der entgegengesetzt umlaufenden Wellen kann mit Hilfe eines der bekannten Verfahren erreicht werden, nur muss sie lim Radiofrequenzbereich liegen, am besten in einem Frequenzbereich unterhalb von 1 MHz, denn eine weitere Erhöhung der Frequenzdifferenz bedingt eine aufwendigere elektronische Apparatur. In der beschrie- benen Einrichtung wird ein Laser mit einem magnetooptischen Element 2 (s. beispielsweise J.Killpatrick, JEEE Spectrum, October (1967) eingesetzt.
Die Einrichtung enthzält zwei optische Überlagerungseinrichtungen. Die eine von ihnen weist eine konstante optische Armlänge lauf, die 1durch die Spiegel 3 und 4 gebildet wird. Bei der anderen, durch die Spiegel 5, 6, 7 und 8 gebildeten Überlagerungseinrich- tung ist einer oder Spiegel, @ämlich der Spiegel 8, am beweglichen Objekt A angeordnet. Infolgedessen ändert -sich dessen optische Armlänge (bei der Bewegung dieses Objektes.
Die Spiegel 4, 6, und 7 sind halbdurchlässig ausgeführt, während der Spiegel 8 die Laserstrahlung voll reflektiert. Anstatt eines Spiegels 8 kann auch die Oberfläche des Objektes selbst als Spiegel verwendet werden.
Am Ausgang der Überlagerugseinrichtungen sind die Photoempfänger 9 und 10 angeordnet, deren Signale durch Verstärker 11 bzw. 12 verstärkt und dem Phasendifferenzmesser 13 zugeführt werden.
Die Einrichtung arbeitet wie folgt. Zwei Wellen mit verschiedenen Frequenzen, deren IDifferenz proportional der Stärke eines lauf das magnetooptische Element 2 einwirkenden Magnetfeldes ist, werden durch die durch die Spiegel 3 und 4 gebildete Überlagerungseinrichtung überlagert. Am Photoempfänger 9 wird ein Signal mit der Differenzfrequenz abgetrennt, durch den Verstärker 11 verstärkt und gelangt zum Phasendifferenzmesser 13.
Auf denselben gelangt über den Verstärker 12 ein Signal vom Photoempfänger 10. Diie Frequenz d@eses Signals ist der des Signals vom Photoempfänger 9 gleich, während die Phasendifferenz der Signale an den Ausgängen der Photoempfänger 9 und 10 durch das Verhältnis der optischen Strahlenwege in den beiden Überlagerungseinrichtungen bestimmt wird. Bei der Bewegung des Spiegels 8 ändert sich Idie optische Weglänge für einen der Strahlen und folglich die Phasenlage des am Photoempfänger 10 abgetrennten Signals, was durch den Phasendifferenzmesser 13 als Änderung wider Phasendifferenz der Signale der Photoempfänger registriert wird.
Bei der Verschiebung des Objektes um#1/2, wobei # die Wellenlänge des durch den Laser ausstrahlenden Lichtes bedeutet, ändert sich die Phasendifferenz der Signale der Photoempfänger 9 und 10 um 2 #.
Als Quelle zweier Wellen mit verschiedenen Fre quenzen dient bei der Einrichtung nach Fig. 2 der Laser 14 mit Innenspiegeln 15 und 16, auf dessen aktives -Medium ein axiales Magnetfeld (Zeemann-Laser) ein wirkt. Auf den Spiegel 15folgt ein Polarisator 17 und ein
Photoempfänger 18. Auf den Spiegel 16 folgt eine
Viertelwellenlängenplatte 19, ein Wollaston-Prisma 20 und eine Überlagerungseinrichtung bildende Spiegel 21,
22, 23 und 24. Der Spiegel 24 ist am beweglichen Objekt angeordnet, dessen Verschiebung gemessen Wird. Am
Ausgang dieser Überlagerungseinrichtung sind ein Pola risator 25 und ein Photoempfänger 26 angeordnet.
Die Einrichtung enthält weiter Verstärker 11 und 12 und einen Phasendifferenzmesser 13 für die Ausgangs signale der Photoempfänger.
Der Laser 14 erzeugt bei Einwirkung eines axialen
Magnetfeldes auf das aktive Medium zwei rechts bzw.
links zirkular polarisierte Wellen, deren Frequenz sich um einen der Stärke Ides Magnetfeldes proportionalen Wert unterscheiden. Räumlich fallen diese zwei Wellen zusammen. Der Polarisator 17 wandelt sie in zwei linear und in der gleichen richtung polarisierte Wellen um.
Dadurch erscheint lam Photoempfänger 18 ein Signal mit der Differenzfrequenz. Durch den Verstärker 11 ver stärkt, gelangt dieses Signal zum Phasendifferenzmesser
13.
Die Viertelwellenlängenplatte 19 wandelt die Laser strahlung in zwei linear und senkrecht zueinander polarisierte Wellen um. Das Wollaston-Prisma 20 trennt diese zwei Wellen räumlich, Idiie dann in einer durch Idie Spiegel 21, 22, 23, 24 gebildeten Überlagerungseinrich- tung überlagert werden. Die Arbeitsweise einer derartigen Überlagerungseinrichtung ist oben beschrieben.
Der Idem Photoempfänger 26 vorgeschaltete Polari- sator 25 wandelt zwei orthogonal zueinander polarisierte
Wellen in parallel zueinander polarisierte Wellen um.
Am Photoempfänger 26 crscheint ein Differenzfre quenzsignal, das über den Verstärker 12 zum Phasen detektor 13 gelangt, der die Phasendifferenz der Signale von den Empfängern 17 und 26 bestimmt.
Die Anwendung (der vorliegenden Erfindung gestat tet es, die Messgenauigkeit linearer Verschiebungen wesentlich (bis auf die Grössenordnung von 10-2 bis 10-3 m) bei hoher Zuverlässigkeit und Störsicherheit zu steigern.