DD248940A3 - DEVICE FOR REGULATING THE PHASE POSITION BETWEEN INTERFERENCE SIGNALS - Google Patents
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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.The invention relates to a device for controlling the phase position between interference signals in interference-optical precision measuring devices. The aim of the invention is the avoidance of measurement errors due to phase changes due to environmental influences and the reduction of the adjustment effort of the photoelectric receiver. To achieve this goal, an optical phase shifter, consisting of a glass wedge pair and a piezoelectric element, is arranged in the interferometer beam path. The obtained interference signals are fed to a special phase meter, which provides a voltage independent of the instantaneous direction of movement of the interference fringes. A connected controller controls the optical phase shifter.
Description
Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings
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.The subject matter of the invention is applicable wherever in interference-optical precision measuring devices the scanning of an extended interference image containing at least one order takes place with more than one photoelectric receiver for obtaining information, in particular with electronic interpolators.
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.With this device, the phase position of the receiver signals to each other can be measured and automatically controlled. The invention can be used in interference optical Präzisionsmeßgeräten for the measured variables path, refractive index, temperature, pressure and all derived from these measures sizes.
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.In the known precision interference optical measuring instruments (e.g., DD-PS 137619, DD-PS 151023, DD-PS 161041), at least two photoelectric receivers are arranged in an extended interference pattern.
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.The signals of these receivers must have a defined phase relationship with one another in order to avoid measurement errors which increase with increasing interpolation factor. The adjustment of the phase position is done by adjusting the receiver relative to the interference pattern.
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.By changing the environmental conditions, such as temperature, pressure, humidity or even mechanical stresses, the order interval of the interference fringes changes due to changes in thickness of the cementation and splices on the components of the interferometer or the adjustment of the photoreceptor by displacement, which generates random measurement errors. The adjustment of the phase position can be checked and corrected at certain times during maintenance and care work. Disadvantage of this solution is that the adjustment is connected to an intervention in the device and is not continuous. This results in phase-dependent random measurement errors.
Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist der hohe Justageaufwand, der mit zunehmender Empfängeranzahl weiter steigt.Another disadvantage of this solution is the high adjustment effort, which increases with increasing number of receivers.
Zur Bestimmung einer Phasenlage werden Ph äsen messer benutzt. Bekannte Phasen messer (z. B.Tietze, U.; Schenk, Ch.:Phases are used to determine a phase angle. Known phase meters (eg 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.Semiconductor Circuit Technology, 6th edition, pages 819-830, Springer Verlag, FRG, 1984) take into account the resulting in reversal of the interference fringe shift sign change the phase and the constantly changing frequency of the interference signals insufficient and are therefore not suitable for continuous phase measurement of interference signals.
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.The object of the invention is to avoid measurement errors due to phase changes of the receiver signals in interference optical Präzisionsmeßgeräten for harsh operating conditions and high interpolation factors. This should also be achieved a reduction of the adjustment effort of the receiver.
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.The invention has for its object to provide a device for controlling the phase angle between interference signals in interference optical Präzisionsmeßgeräten to avoid measurement errors and to reduce the Justageaufwandes in the adjustment of this phase position.
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.According to the invention the object is achieved in that an optical phase shifter is present in the measurement or comparison beam path of an interferometer in one half of the beam cross-section. It consists in a known manner of a glass wedge pair and a piezoelectric element. The two glass wedges are arranged as a thickness-variable plane-parallel plate.
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.One wedge is fixed and the other with the help of the piezoelectric element in one direction. By this arrangement, the interference pattern is divided into two separate segments, wherein each of these segments is associated with a downstream photoelectric receiver and trigger for gaining interference signal. The interference signals are connected to the phase meter.
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.The phase meter consists of an input side two-channel edge detection and pulse delay stage. Their outputs are connected via a two-pole switching gate to the inputs of a flip-flop, which is followed by a balanced low-pass filter as output. On the input side, the interference signals are furthermore connected to a counting direction discriminator whose outputs are connected via a further flip-flop to the control terminal of the Umschal'ttores.
Dem Phasenmesser ist ein Regler nachgeordnet, dessen Ausgang mit dem Piezoelement verbunden ist.The phase meter is followed by a regulator whose output is connected to the piezoelectric element.
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.Furthermore, it is possible that a mirror, which is tiltable in a known manner with the aid of a piezoelectric element in a known manner, is arranged as a phase shifter in one half of the beam cross section between the interferometer and the receivers.
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.In addition to the arrangement of an optical phase shifter, it is also possible to arrange a plurality of optical phase shifters in the beam path of the interferometer, that the interference pattern is divided into segments corresponding to the number of necessary photoelectric receiver separate segments. One of these segments is unaffected and is the reference segment for the other segments.
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.Each optical phase shifter is assigned a phase meter with downstream controller. The receiver signals after amplification and triggering are connected to the phase meters that the interference signals of the affected segments, each having an input of the associated phase meter and the other inputs are connected to the signal of the reference segment. In this case, each controller is a matched to the number of receiver signals of the desired phase position proportional comparison voltage supplied.
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.The device works as a phase locked loop. Rectangular pulse trains, which are proportional to the interference fringe shift, are fed to each phase meter. At its output creates a DC voltage, the phase shift between the connected interference signals from a means of optical phase shifter 'influenced segment and the reference segment.
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.The special embodiment of the phase meter makes it possible to determine the phase position independently of the instantaneous direction of movement of the interference fringes. To control the associated phase shifter with a downstream controller, this is necessary.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. The accompanying drawing shows:
Fig. 1: Anordnung zur Regelung der Phasenlage zwischen zwei Interferenzsignalen an einem Michelsoninterferometer und Fig. 2: aufgeteiltes Interferenzbild mit zwei Fotoempfängern.1 shows an arrangement for controlling the phase position between two interference signals on a Michelson interferometer, and FIG. 2 shows a split interference pattern with two photodetectors.
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.According to FIG. 1, a laser 2 and a widening system 3 are arranged in front of the Michelson interferometer 1. In the beam path of the interferometer 1, an optical phase shifter is present in one half of the beam cross section. It consists of a fixed glass wedge 4 and a displaceable by means of a piezoelectric element 5 glass wedge 6. The interference pattern is thereby divided into two separate segments (Fig. 2), wherein each of these segments, a photoelectric receiver 7, 8 is assigned.
Ihre Signale sind über Verstärker 9 und Trigger 10 an den Phasenmesser 11 angeschlossen.Their signals are connected to the phase meter 11 via amplifier 9 and trigger 10.
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 demThe phase meter 11 consists of an input side two-channel executed edge detection 12 and pulse delay stage 13, whose outputs are connected via a two-pole switching gate 14 with the inputs of a flip-flop 15, connected to the outputs of the flip-flop 15 symmetric low-pass filter 16 as an output and an input side connected Counting direction discriminator 17 whose outputs via another flip-flop 18 with the
Steueranschluß des Umschalttores 14 verbunden sind. *Control terminal of the switching gate 14 are connected. *
Dem Phasenmesser 11 ist ein Regler 19 nachgeordnet, dessen Ausgang mit dem Piezoelement 5 verbunden ist.The phase meter 11 is followed by a regulator 19 whose output is connected to the piezoelectric element 5.
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.The two glass wedges 4 and 6 form a plane-parallel plate which is changeable in thickness by the glass wedge 6, which can be displaced in one direction by means of the piezoelectric element 6. By arranging this optical phase shifter in only one half of the beam cross section, the division of the interference pattern into two separate segments takes place. The split interference image is sampled by the two receivers 7, 8. The signals are amplified and triggered.
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.At the two inputs of the phase meter 11 arise rectangular pulse trains, which are proportional to the interference fringe shift. In Ph äsen knife 11 control flank-proportional pulses the flip-flop 15 so that when Zähirichtungsänderung the inputs of the flip-flop 15 are switched to the two-pole switching gate 14. This switching compensates for the sign reversal of the phase position in the direction reversal of the interference wiper shift.
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.The pulse delay stage 13 is necessary so that the switching gate 14 can be set clearly before arrival of the control pulses for the flip-flop 15. From the output signals of the flip-flop 15 is formed after integration with the low-pass filter 16, a symmetrical DC voltage which is proportional to the phase shift between the interference signals, regardless of the instantaneous direction of movement of the interference fringes.
Ein angeschlossener PI-Regler 19 mit Differenzeingang liefert die Steuerspannung für das Piezoelement 5.A connected PI controller 19 with differential input supplies the control voltage for the piezoelectric element 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.The execution of the phase meter 1 makes it possible to dispense with an external setpoint input in the controller 19, since at a desired target phase position of 90 °, the output voltage of the phase meter 1 is exactly 0 volts. Thus, measured deviations from the desired phase position are corrected via the optical phase shifter, the signal of the unaffected segment serving as the reference signal.
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.The arrangement of the optical phase shifter directly in the interferometer beam path has the advantage that small mechanical shifts and thus comparatively small control voltages for the piezoelectric element 5 lead to large phase changes.
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.This phase-locked loop is only functional if there is a constant interference fringe shift. This is given by using a modulation device, which is necessary anyway for further electronic signal transmission.
Die Zeitkonstante des Tiefpasses 16 muß so groß sein, daß die Phasenlage über eine Periode der Modulationsschwingung integrierend gemessen werden kann.The time constant of the low-pass filter 16 must be so large that the phase position over a period of the modulation oscillation can be measured integrating.
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