DD248940A3

DD248940A3 - Vorrichtung zur regelung der phasenlage zwischen interferenzsignalen

Info

Publication number: DD248940A3
Application number: DD27299085A
Authority: DD
Inventors: Georg Ranft; Joachim Loeffler; Hans-Joachim Buechner
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1985-02-04
Filing date: 1985-02-04
Publication date: 1987-08-26
Also published as: DE3601901A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Phasenlage zwischen Interferenzsignalen in interferenzoptischen Praezisionsmessgeraeten. Ziel der Erfindung ist die Vermeidung von Messfehlern infolge von Phasenlageaenderungen durch Umwelteinfluesse und die Verminderung des Justageaufwandes der fotoelektrischen Empfaenger. Zur Erreichung dieses Zieles wird ein optischer Phasenschieber, bestehend aus einem Glaskeilpaar und einem Piezoelement, im Interferometerstrahlengang angeordnet. Die gewonnenen Interferenzsignale werden einem speziellen Phasenmesser, der eine unabhaengig von der momentanen Bewegungsrichtung der Interferenzstreifen phasenlagenabhaengige Spannung liefert, zugefuehrt. Ein angeschlossener Regler steuert den optischen Phasenschieber.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Der Erfindungsgegenstand ist überall dort anwendbar, wo in interferenzoptischen Prä'zisionsmeßgeräten die Abtastung eines ausgedehnten Interferenzbildes, das mindestens eine Ordnung enthält, mit mehr als einem fotoeiektrischen Empfänger zur Informationsgewinnung besonders mit elektronischen Interpolatoren erfolgt.

Mit dieser Vorrichtung kann die Phasenlage der Empfängersignale zueinander gemessen und automatisch geregelt werden. Die Erfindung läßt sich in interferenzoptischen Präzisionsmeßgeräten für die Meßgrößen Weg, Brechzahl, Temperatur, Druck und allen aus diesen Meßgrößen ableitbaren Größen anwenden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei den bekannten interferenzoptischen Präzisionsmeßgeräten (z.B. DD-PS 137619, DD-PS 151023, DD-PS 161041) sind mindestens zwei fotoelektrische Empfänger in einem ausgedehnten Interferenzbild angeordnet.

Die Signale dieser Empfänger müssen eine definierte Phasenlage zueinander haben, um Meßfehler zu vermeiden, die mit zunehmendem Interpolationsfaktor größer werden. Die Einstellung der Phasenlage erfolgt durch Justage der Empfänger relativ zum Interferenzbild.

Durch Änderung der Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Druck, Feuchte oder auch mechanische Spannungen, ändert sich der Ordnungsabstand der Interferenzstreifen infolge von Dickenänderungen der Kitt- und Klebestellen an den Bauteilen des Interferometers oder die Justage der Fotoempfänger durch Verlagerung, welches zufällige Meßfehler erzeugt. Die Einstellung der Phasenlage kann zu bestimmten Zeitpunkten bei Wartungs- und Pflegearbeiten überprüft und korrigiert werden. Nachteil dieser Lösung ist, daß die Justierung mit einem Eingriff in das Gerät verbunden ist und nicht kontinuierlich erfolgt. Es entstehen somit phasenlagenabhängige zufällige Meßfehler.

Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist der hohe Justageaufwand, der mit zunehmender Empfängeranzahl weiter steigt.

Zur Bestimmung einer Phasenlage werden Ph äsen messer benutzt. Bekannte Phasen messer (z. B.Tietze, U.; Schenk, Ch.:

Halbleiterschaltungstechnik, 6. Auflage, Seiten 819-830, Springer Verlag, BRD, 1984) berücksichtigen den bei Richtungsumkehr der Interferenzstreifenverschiebung entstehenden Vorzeichenwechsel der Phasenlage sowie die sich ständig ändernde Frequenz der Interferenzsignale nur ungenügend und sind deshalb zur kontinuierlichen Phasenmessung an Interferenzsignalen nicht geeignet.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Vermeidung von Meßfehlern infolge von Phasen änderungen der Empfängersignale in interferenzoptischen Präzisionsmeßgeräten für rauhe Betriebsbedingungen und hohe Interpolationsfaktoren. Damit soll auch eine Verminderung des Justageaufwandes der Empfänger erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung der Phasenlage zwischen Interferenzsignalen in interferenzoptischen Präzisionsmeßgeräten zur Vermeidung von Meßfehlern und zur Verringerung des Justageaufwandes bei der Einstellung dieser Phasenlage zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Meß- oder Vergleichsstrahlengang eines Interferometers in einer Hälfte des Strahlquerschnittes ein optischer Phasenschieber vorhanden ist. Er besteht in bekannter Weise aus einem Glaskeilpaar und einem Piezoelement. Die zwei Glaskeile sind als in der Dicke veränderliche planparallele Platte angeordnet.

Dabei ist ein Keil fest und der andere mit Hilfe des Piezoelementes in einer Richtung verschiebbar. Durch diese Anordnung ist das Interferenzbild in zwei voneinander getrennte Segmente aufgeteilt, wobei jedem dieser Segmente ein fotoelektrischer Empfänger mit nachgeschaltetem Verstärker und Trigger zur Interferenzsignalgewinnung zugeordnet sind. Die Interferenzsignale sind an den Phasenmesser angeschlossen.

Der Phasenmesser besteht aus einer eingangsseitig zweikanalig ausgeführten Flankenerkennungs- und Impulsverzögerungsstufe. Ihre Ausgänge sind über ein zweipoliges Umschalttor mit den Eingängen eines Flipflops verbunden, dem ein symmetrischer Tiefpaß als Ausgang nachgeschaltet ist. Eingangsseitig sind weiterhin die Interferenzsignale mit einem Zählrichtungdiskriminator verbunden, dessen Ausgänge über ein weiteres Flipflop an den Steueranschluß des Umschal'ttores angeschlossen sind.

Dem Phasenmesser ist ein Regler nachgeordnet, dessen Ausgang mit dem Piezoelement verbunden ist.

Weiterhin ist es möglich, daß als Phasenschieber ein Spiegel, der mit Hilfe eines Piezoelementes in bekannter Weise kippbar ist, in einer Hälfte des Strahlquerschnittes zwischen Interferometer und den Empfängern angeordnet ist.

Neben der Anordnung eines optischen Phasenschiebers ist es auch möglich, mehrere optische Phasenschieber so im Strahlengang des Interferometers anzuordnen, daß das Interferenzbild in entsprechend der Zahl der notwendigen fotoelektrischen Empfänger voneinander getrennte Segmente aufgeteilt ist. Eines dieser Segmente ist dabei unbeeinflußt und ist Referenzsegment für die jeweils anderen Segmente.

Jedem optischen Phasenschieber ist ein Phasenmesser mit nachgeschaltetem Regler zugeordnet. Dabei sind die Empfängersignale nach Verstärkung und Triggerung so mit den Phasenmessern verbunden, daß die Interferenzsignale der beeinflußten Segmente mit jeweils einem Eingang der zugehörigen Phasenmesser und die jeweils anderen Eingänge mit dem Signal des Referenzsegmentes verbunden sind. Dabei ist jedem Regler eine auf die Anzahl der Empfängersignale abgestimmte der Sollphasenlage proportionale Vergleichsspannung zugeführt.

Die Vorrichtung arbeitet als Phasenregelkreis. Jedem Phasenmesser werden Rechteckimpulsfolgen, die der Interferenzstreifenverschiebung proportional sind, zugeführt. An seinem Ausgang entsteht eine Gleichspannung, die der Phasenverschiebung zwischen den angeschlossenen Interferenzsignalen aus einem mittels optischem Phasenschieber ' beeinflußten Segment und dem Referenzsegment.

Die spezielle Ausführungsform der Phasenmesser gestattet es, die Phasenlage unabhängig von der momentanen Bewegungsrichtung der Interferenzstreifen zu bestimmen. Zur Steuerung des zugehörigen Phasenschiebers mit einem nachgeschalteten Regler ist dies notwendig.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt:

Fig. 1: Anordnung zur Regelung der Phasenlage zwischen zwei Interferenzsignalen an einem Michelsoninterferometer und Fig. 2: aufgeteiltes Interferenzbild mit zwei Fotoempfängern.

Entsprechend Fig. 1 sind vor dem Michelsoninterferometer 1 ein Laser 2 und ein Aufweitungssystem 3 angeordnet. Im Strahlengang des Interferometers 1 ist in einer Hälfte des Strahlquerschnittes ein optischer Phasenschieber vorhanden. Er besteht aus einem fest angeordneten Glaskeil 4 und einem mit Hilfe eines Piezoelementes 5 verschiebbaren Glaskeil 6. Das Interferenzbild ist dadurch in zwei voneinander getrennte Segmente aufgeteilt (Fig. 2), wobei jedem dieser Segmente ein fotoelektrischer Empfänger 7, 8 zugeordnet ist.

Ihre Signale sind über Verstärker 9 und Trigger 10 an den Phasenmesser 11 angeschlossen.

Der Phasenmesser 11 besteht aus einer eingangsseitig zweikanalig ausgeführten Flankenerkennungs-12 und Impulsverzögerungsstufe 13, deren Ausgänge über ein zweipoliges logisches Umschalttor 14 mit den Eingängen eines Flipflop 15 verbunden sind, einem an die Ausgänge des Flipflop 15 angeschlossenen symmetrischen Tiefpaß 16 als Ausgang und einem eingangsseitig angeschlossenen Zählrichtungsdiskriminator 17, dessen Ausgänge über ein weiteres Flipflop 18 mit dem

Steueranschluß des Umschalttores 14 verbunden sind. *

Dem Phasenmesser 11 ist ein Regler 19 nachgeordnet, dessen Ausgang mit dem Piezoelement 5 verbunden ist.

Die beiden Glaskeile 4 und 6 bilden eine planparallele Platte, die durch den mittels des Piezoelementes 6 in einer Richtung verschiebbaren Glaskeil 6 in der Dicke veränderbar ist. Durch die Anordnung dieses optischen Phasenschiebers in nur einer Hälfte des Strahlquerschnittes erfolgt die Aufteilung des Interferenzbildes in zwei voneinander getrennte Segmente. Das aufgeteilte Interferenzbild wird von den beiden Empfängern 7, 8 abgetastet. Die Signale werden verstärkt und getriggert.

An den beiden Eingängen des Phasenmessers 11 entstehen Rechteckimpulsfolgen, die der Interferenzstreifenverschiebung proportional sind. Im Ph äsen messer 11 steuern flankenproportionale Impulse das Flipflop 15 derart, daß bei ZähIrichtungsänderung die Eingänge des Flipflop 15 mit dem zweipoligen Umschalttor 14 umgeschaltet werden. Diese Umschaltung kompensiert die Vorzeichenumkehr der Phasenlage bei Richtungsumkehr der Interferenzstreifertverschiebung.

Die Impulsverzögerungsstufe 13 ist notwendig, damit das Umschalttor 14 vor Ankunft der Stellimpulse für das Flipflop 15 eindeutig gesetzt werden kann. Aus den Ausgangssignalen des Flipflop 15 entsteht nach Integration mit dem Tiefpaß 16 eine symmetrische Gleichspannung, die der Phasenverschiebung zwischen den Interferenzsignalen proportional ist, unabhängig von der momentanen Bewegungsrichtung der Interferenzstreifen.

Ein angeschlossener PI-Regler 19 mit Differenzeingang liefert die Steuerspannung für das Piezoelement 5.

Die Ausführung des Phasenmessers 1 gestattet es, auf eine externe Sollwertvorgabe im Regler 19 zu verzichten, da bei einer gewünschten Sollphasenlage von 90° die Ausgangsspannung des Phasenmessers 1 genau 0 Volt beträgt. Somit werden gemessene Abweichungen von der Sollphasenlage über den optischen Phasenschieber ausgeregelt, wobei das Signal des unbeeinflußten Segmentes als Referenzsignal dient.

Die Anordnung des optischen Phasenschiebers direkt im Interferometerstrahlengang hat den Vorteil, daß geringe mechanische Verschiebungen und damit vergleichsweise kleine Steuerspannungen für das Piezoelement 5 zu großen Phasen änderung en führen.

Dieser Phasenregelkreis ist nur funktionstüchtig, wenn eine ständige Interferenzstreifenverschiebung vorliegt. Dies ist durch Verwendung einer Modulationseinrichtung, die zur weiteren elektronischen Signalübertragung ohnehin notwendig ist, gegeben.

Die Zeitkonstante des Tiefpasses 16 muß so groß sein, daß die Phasenlage über eine Periode der Modulationsschwingung integrierend gemessen werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Regelung der Phasenlage zwischen Interferenzsignale^bestehend aus Laser, Strahlaufweitungssystem, Interferometer, Modulationseinrichtung, Keilpaaren und Spiegel als strahlbeeinflussende optische Elemente, fotoelektrischen Empfängern, Verstärkern, Triggern, Phasenmesser und Regler, gekennzeichnet dadurch, daß im Strahlengang eines Interferometers (1) in einer Hälfte des Strahlquerschnittes ein optischer Phasenschieber, bestehend aus einem G laskeil paar, wobei dereine Keil (4) fest und der andere Keil (6) mit Hilfe eines Piezoelementes(5) in einer Richtung verschiebbar angeordnet sind, der damit eine in der Dicke veränderliche planparallele Platte ist, vorhanden ist, daß dadurch das Interferenzbild in zwei voneinander getrennte Bildsegmente aufgeteilt und jedem dieser Segmente ein fotoelektrischer Empfänger (7,8) mit nachgeschaltetem Verstärker (9) und Trigger (10) zum Anschluß eines Phasenmessers (11) zugeordnet ist, daß der Phasenmesser (11) aus einer eingangsseitig zweikanalig ausgeführten Flankenerkennungs- (12) und Impulsverzögerungsstufe (13), deren Ausgänge über ein zweipoliges Umschalttor (14) mit den Eingängen eines Flipflops (15) verbunden sind, einem an die Ausgänge des Flipflops (15) angeschlossenen symmetrischen Tiefpaß (16) als Ausgang und einem eingangsseitig angeschlossenen Zählrichtungsdiskriminator (17), dessen Ausgänge über ein weiteres Flipflop (18) mit dem Steueranschluß des Umschalttores (14) verbunden sind, besteht und daß ein Regler (19) nachgeordnet ist, dessen Ausgang an das Piezoelement (5) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Hälfte des Strahlquerschnittes zwischen Interferometer (1) und den fotoelektrischen Empfängern (7, 8) als optischer Phasenschieber ein Spiegel mit Hilfe eines Piezoelementes kippbar angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Interferometers (1) optische Phasenschieber derart angeordnet sind, daß das Interferenzbild in entsprechend der Zahl der notwendigen fotoelektrischen Empfänger voneinander getrennte Segmente aufgeteilt ist, wobei eines dieser Segmente frei von beeinflussenden Elementen und damit Referenzsegment für die anderen Segmente ist, daß jedem optischen Phasenschieber ein Phaserimesser (11) mit nachgeschaltetem Regler (19) zugeordnet ist, daß die Interferenzsignale der beeinflußten Segmente mit jeweils einem Eingang der zugehörigen Phasenmesser und die jeweils anderen.Eingänge mit dem Signal des Referenzsegmentes verbunden sind.