DE1915228C3 - Anordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen eines Meßobjektes gegenüber einem Bezugssystem nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Die Messung von ebenen mechanischen Verschiebungen ist einerseits schwierig, wenn die Verschiebung sehr gering ist, andererseits aber in vielen Fällen erforderlich, wo eine äußerst genaue mechanische Bearbeitung des Meßobjektes erforderlich ist. Um nur ein Beispiel hierfür zu nennen, sei die Herstellung von integrierten Schaltkreisen erwähnt.

Die für diese Messung bisher üblichen Verfahren beruhen im wesentlichen darauf, am Meßobjekt eine Skala in irgendeiner Form anzubringen, die visuell oder fotoelektrisch abgelesen wird. Die hierbei erreichbaie Genauigkeit befriedigt noch nicht in allen Fällen; insbesondere können Meßfehler infolge Wärmeausdehnung des Maßstabes oder des Meßobjektes nicht erfaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen anzugeben, die die genannten Nachteile nicht aufweist.

Die Erfindung besteht bei einer Anordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 darin, daß die wenigstens zwei kohärenten Lichtbündel einen derartigen Winkel einschließen und so auf das Meßobjekt lenkbar sind, daß das mindestens eine Interferenzmuster fest gegenüber dem Bezugssystem auf der zur Verschiebungsebene parallelen Oberfläche des Meßobjektes, erzeugbar ist, und daß der mindestens eine fotoelektrische Wandler auf dieser Oberfläche befestigt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.

Zur dynamischen Längenmessung ist aus Journal of the Optical Society of America, Vol. 47, Nr. 12, Dezember 1957, S. 1097—1103, bereits eine Anordnung bekannt, deren Aufbau einem Michelson-Interferometer entspricht, und bei dem das bewegte Objekt durch einen der Spiegel des Interferometers gebildet wird. Die entstehenden Interferenzen werden fotoelektrisch ausgewertet.

Neben der auch damit bereits schon erreichbaren Meßgenauigkeit schafft die erfindungsgemäße Anordnung darüber hinaus die Voraussetzung, das Bezugssystem in das Meßobjekt selbst zu legen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt, wie auf der Oberfläche des Meßobjektes 1, die parallel zu den zu messenden mechanischen Verschiebungen verläuft, zwei kohärente Lichlbündel 2 und 3 überlagert werden. Die Lichtbündel schließen gegeneinander den Winkel « ein und

weisen im einfachsten Fall ebene Wellenzüge gleicher Frequenz auf. An der Oberfläche des Meßobjektes entstehen durch die Überlagerung der Lichtbündel Interferenzmuster, im geschilderten Fall Interferenzstreifen. Gleiche Intensität in den Lichtbündeln 2 und 3 vorausgesetzt, sind die Inlerfercn/.strcifen völlig durchmoduliert. Die Kohärenz Jes Lichtes bewirkt, daß die Interferenzstreifen keine eigene Bewegung aufweisen. Kohärentes Licht kann in bekannter Weise durch einen Laser erzeugt werden.

Der Abstand der Interferenzstreifen D voneinander

ist bestimmt durch die Formel D — -.— . Bei einer

sin λ

Wellenlänge λ = 0,6328 μ, wie sie mit einem NeHe-Laser gewonnen werden kann, ergibt sich bei λ ■- 30" ein Streifenabstand D von 1,2656 μ.

Auf dem Meßobjekt sind an den interessierenden Stellen fotoelektrische Wandler befestigt. Als solche kommen in erster Linie Fotodioden in Betracht. Die Lichtaufnahmefläche der Fotodiode muß kleiner sein als der Streifenabstand, um zu einem genügenden Auflösungsvermögen zu kommen. Gegebenenfalls muß die Fotodiode entsprechend abgedeckt werden, so daß nur ein hinreichend kleiner Spalt frei bleibt. Es sind aber auch bereits Fotodioden vorgeschlagen worden, die durch Quereinstrahlung eine hinreichend kleine Lichtaufnahmefläche aufweisen.

Wird nun das Meßobjekt in der Ebene bewegt, die parallel zu der betrachteten Oberfläche verläuft, so werden die fotoelektrischen Wandler gegenüber dem Interferenzmuster bewegt, so daß die Lichtintensität in ihnen schwankt. Diese schwankende Lichtintensität verursacht Veränderungen im Fotostrom, die zur Messung ausgewertet werden. Die Konstanz der Interferenzmuster ermöglicht es, auch solche Relativbewegungen der Fotodioden zu erfassen, die auf Wärmeausdehnungsvorgängen des Meßobjektes oder von Teilen desselben beruhen.

Die Lichtbündel 2 und 3 werden aus einem einzigen Laserstrahl mit Hilfe eines Bi-Prismas gewonnen (F i g. 2).

F i g. 3 zeigt das prinzipielle Empfindlichkeitsprofil der schon erwähnten Fotodiode mit Quereinstrahlung, bei der die zum Lichtempfang ausgenutzte Fläche mit der sehr schmalen Sperrschicht zwischen der p- und η-dotierten Zone identisch ist. Als ausgezogene Linie ist dabei die Empfindlichkeit bei Gleichlicht angedeutet.

Nun weist aber das Laserlicht eine Vielzahl von Frequenzen auf, da viele Modes gleichzeitig mit einem

Frequenzabstand Af = -~ schwingen, wenn c die

Lichtgeschwindigkeit und L die Laserlänge ist. Im fotoelektrischen Wandler entstehen daher Signale der Frequenzen /c··=^- mit A: = 1,2, ... (je nach Moden-

anzahl). Wird eine dieser Frequenzen allein als Signal ausgenutzt (z. B. indem dem fotoelektrischen Wandler ein auf diese Frequenz abgestimmter schmalbandiger Verstärker nachgeschaltet wird), so läßt sich ein Empfindlichkeitsprofil erreichen, wie es in Fig. 3 gestrichelt angedeutet ist. Dieses Wechselliclil-Empnndlichkeitsprofil ermöglicht offensichtlich eine erhöhte Auflösung. Die Veränderung des Empfindlichkeilsprolils ist darauf zurückzuführen, daß die vom Licht im Halblcitcrkristall einer Fotodiode erzeugten Ladungsträger, die in einem größeren Abstand von der Sperrschicht entstehen, erst in die Speirschicht hineindilTundicrcn müssen, um zum Fotosuom beizutrugen. Dies ist jedoch bei hochfrequenten Vorgängen um so weniger möglich, je größer der genannte Abstand ist, so daß diese Ladungsträger keinen Beilrag zum Folostrom leisten.

Neben dem geschilderten Vorteil der höheren Auflösung wird mit Hilfe der geschilderten Ausnutzung von höheren Frequenzen eine Unabhängigkeit des Meßvorganges vom Streulicht, ?.. B. Tageslicht, erreicht, das nur Gleichlicht- und mit niedrigen Frequenzen modulierte Komponenten aufweist.

Fig. 4 zeigt den schon geschilderten Fall der Ausdehnungsmessung, wobei zwei fotoeleklrische Wandler 4 und 5 an den Hndcn des Meßobjektes befestigt sind. Die Ausdehnung des Meßobjektes 1 bewirkt eine Veränderung der Lage der fotoelektrischen Wandler (X ist die Ortskoordinate) gegenüber dem als Wellenlinie angedeuteten Interferenzmuster (A ist die Intensität), was in der geschilderten Weise über den Fotostrom gemessen werden kann.

Werden mehrere fotoelektrische Wandler nebeneinander auf der Oberfläche des Meßobjektes befestigt, so kann durch eine geeignete Wahl ihres Abstandes voneinander bei Kenntnis des Abstandes der Interferenzstreifen ein Nonius (wie bei einer Schublehre) nachgebildet werden.

Auch mehrere Interferenzmuster können Anwendung finden. Beispielsweise wird dabei ein »Karomuster« erzeugt, indem jeweils zwei Lichtbündel, die jeweils ein Streifenmuster erzeugen, mit einer Polarisationsdrehung von 90° überlagert werden. Auf diese Weise sind zweidimensionale Verschiebungen erfaßbar.

Die das »Karomuster« bildenden Streifenmuster sind dabei wegen ihrer unterschiedlicher Polarisation voneinander unabhängig, d. h., sie können nicht miteinander interferieren.

Ferner ist die Erzeugung von zwei Streifenmustern unterschiedlichen Streifenabstandes nebeneinander möglich, wobei die Richtung der Streifen zueinander parallel bleibt. Dies kann durch Wahl von unterschiedlichen Winkeln κ für die verschiedenen Muster erreicht werden. Eine Nachbildung eines Nonius ist auch so gegeben.

Weisen die das Interferenzmuster erzeugenden Lichtbündel ebene Wellen gleicher Intensität auf, so hat die Lichtintensität des entstehenden Streifenmusters über den Ort einen sin'²-förmigen Verlauf. Es ist nun möglich, durch Zusatz weiterer ebener Wellenzüge passender Intensität mit etwas abgeänderten Winkeln \ diesen Verlauf so abzuwandeln, daß die Übergangsgebiete zwischen hell und dunkel schmaler werden, wie es in F i g. 5 angedeutet ist. Dies verbessert wiederum die Auflösung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen eines Meßobjektes gegenüber einem Bezugssystem, mit Einrichtungen zum Ableiten wenigstens zweier kohärenter Lichtbündel zar Erzeugung mindestens eines Interferenzmustery und mit mindestens einem das Interferenzmuster abtastenden fotoelektrischen Wandler, dessen Aus- »o gangssignale der Verschiebung des Meßobjekts gegenüber dem Bezugssystem entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei kohärenten Lichtbündel (2, 3) einen derartigen Winkel (<x) einschließen und so auf das Meßobjekt (1) lenkbar sind, daß das mindestens eine Interferenzmuster fest gegenüber dem Bezugssystem auf der zur Verschiebungseoene parallelen Oberliäche des Meßobjektes erzeugbar ist, und daß der mindestens eine fotoelektrische Wandler auf dieser Oberfläche befestigt ist.

2. Anordnung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des mindestens einen Interferenzmusters wenigstens zwei kohärente Lichtbündel gleicher Intensität vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Lichtbündel (2, 3) aus einem Grundlichtbündel in dessen Strahlengang ein Bi-Prisma angeordnet ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als fotoelektrische Wandler Halbleiterfotodioden vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterfotodioden an ihrer Lichtempfangsfläche bis auf einen schmalen Spalt abgedeckt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Auswertung einer in dem vom fotoelektrischen Wandler gelieferten Lichtstrom enthaltenen hochfrequenten Komponente vorgesehen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen den fotoelektrischen Wandlern nachgeschalteten schmalbandigen Verstärker.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Wandler in ihrer Anzahl derart gewählt und auf dem Meßobjekt in der Weise angeordnet sind, daß zusammen mit den Interferenzmustern ein Nonius entsteht.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Meßobjektes als Interferenzmuster zwei Scharen von untereinander parallelen Streifen erzeugbar sind, die einen vorgegebenen Winkel gegeneinander einhalten.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Streifenscharen 90° beträgt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Meßobjektes als Interferenzmuster zwei Scharen paralleler und nebeneinanderliegender Streifen erzeugbar sind, und daß der Abstand der Streifen voneinander in den Scharen unterschiedlich ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche I

bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Lichtbündel auf das Meßobjekt lenkbar sind, die sich in der Weise überlagern, daß parallele Streifen als Interferenzmuster entstehen.

13. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als fotoelektrische Wandler Fotodioden mit Quereinstrahlung vorgesehen sind.