DE1960116A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Verschiebung eines Gegenstandes mit Hilfe eines mit dem Gegenstand mechanisch starr verbundenen Elements - Google Patents
Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Verschiebung eines Gegenstandes mit Hilfe eines mit dem Gegenstand mechanisch starr verbundenen ElementsInfo
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Description
AkfeNo..pHli_ 3701
Anmeldung voms 27. NOV. 1969
ii.V. Philips 'Grloeilampenfabrieken, Eindhoven / Holland
Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Verschiebung eines Gegenstandes mit Hilfe eines mit dem Gegenstand
mechanisch starr verbundenen Elements.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Be- ä
Stimmung der relativen Verschiebung eines Gegenstandes mit Hilfe eines mit diesem Gegenstand mechanisch starr
verbundenen Elements, das ein aus einer Strahlungsquelle austretendes Strahlungsbündel beeinflußt, welche Vorrichtung
ferner einen Strahlungsmodulator und ein optisches System enthält, welche im Strahlungsweg angeordnet sind,
wobei die Strahlung endgültig auf einen photoelektrischen
Detektor auffällt, in dem bei der Verschiebung des Gegenstandes ein Signal erzeugt wird.
Eine Vorrichtung der oben erwähnten Art ist bekannt. Das
das Strahlungsbündel beeinflussende Element kann z.B. ein Reflektor sein, der in einem der Arme eines Interferometers angeordnet ist ( siehe z.B. die niederländische Patentanmeldung 6.515.207.)Das erwähnte Element
kann auch ein Raster sein ( siehe z.B. die britische Patentschrift 997.405.) Im letzteren Falle kann es aus herst ellungstechni sehen Gründen erwünscht sein, ein Raeter mit einer großen Periode vor einem Raster mit einer
PHN ,701 „ 009827/1238
zu
kleinen Periode/bevorzugen. Bei Verwendung radialer Raster werden Raster mit einem kleinen Durchmesser wegen ihrer verhältnismäßig geringen Masse vor Rastern mit einem großen Durchmesser bevorzugt. Man muß dann aber mit einer verhältnismäßig großen Rasterperiode vorliebnehmen.
kleinen Periode/bevorzugen. Bei Verwendung radialer Raster werden Raster mit einem kleinen Durchmesser wegen ihrer verhältnismäßig geringen Masse vor Rastern mit einem großen Durchmesser bevorzugt. Man muß dann aber mit einer verhältnismäßig großen Rasterperiode vorliebnehmen.
Die Genauigkeit, mit der die Verschiebung des Gegenstandes gemessen wird, kann infolgedessen in bestimmten
Fällen zu gering werden.
'Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil durch Anwendung
eines Interpolationsverfahrens zu beheben, bei dem der Detektor niederfrequenzmodulierte Signale empfängt,
die mit Hilfe von Hochfrequenztaktimpulsen interpoliert werden, wobei die Mederfrequenzsignale
durch Frequenzteilung aus den Taktimpulsen gebildet werden. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß einem die im
Detektor erzeugten elektrischen Signale verarbeitenden elektrischen Kreis periodische Signale aus einem Signalgenerator zugeführt und die dem Strahlungsmodulator
zugeführten Modulationssignale durch Frequenzteilung der periodischen Signale erhalten werden.
Die Phase der im Photodetektor erzeugten Signale enthält die gewünschte Information in bezug auf die Verschiebung des Gegenstandes. Diese Phase wird im elektri
schen Verarbeitungskreis dadurch bestimmt, daß die Phase
009827/1238 ^ omm - 3-
elektrischer Impulse mit !Eaktimpulsen verglichen wird, die
von der Verschiebung; des G-egenstandes unabhängig sind.
¥enn die Frequenz der laktimpulse größer als die Frequenz
der Meßimpulse ist. wird eine vergrößerte Meßgenauigkeit erhalten, wenn ein festes Verhältnis fl" zwischen den
beiden Frequenzen besteht. Diese Bedingung läßt sich bei
digitalen Signalen ara einfachsten durch Verwendung eines Frequenzteilers erfüllen. Die ganze Zahl oder die Bruchzahl
N i=?+ das Verhältnis zwischen der Signalfrequenz und
der Modulp+ionsfrequenz.
Ein wesentlicher Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung
ist <üer, daß die Periodizität der Signale aus dem
Signalgenerator nicht durch Unvollkommenheiten der Modulatoren
beeinflußt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine digitale elektronische Apparatur zur
Teilung von Frequenzen weniger verwickelt als eine derartige Apparatirr zum Multiplizieren von Frequenzen ist.
Die Erfindung· wird für ein Ausführungsbeispiel an Hand der
beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, und
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der
Vorrichtung nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist das verschiebbare Raster, dessen Rasterlinien annahmeweise senkrecht zur Zeichnungsebene sind, mit 1 be-
' ■ Λ Λ BAD ORIGINAL
.. . 009827/1238 _ 4 _
zeichnet. Das Raster 1 ist starr mit dem (nicht dargestellten)
Gegenstand verbunden, dessen Verschiebung gemessen werden soll. Das von der Lichtquelle 2 herrührende
Licht mit einer Kreisfrequenz ω wird von einem Polarisator 3 in linear polarisiertes Licht umgewandelt.
Die linear polarisierten Lichtstrahlen, von denen der
. Deutlichkeit halber nur einer dargestellt ist, werden ihrerseits von einer λ /4-Platte 4, deren Hauptrichtung
mit der Polarisationsrichtung des Polarisators 3 einen Winkel von 45° einschließt, in zirkulär polarisierte
Strahlen umgewandelt. Diese durchlaufen zwei in Reihe angeordnete elektrooptische Kristalle 5 und 6, deren Haupt-
. richtungen miteinander einen Winkel von 45 einschließen
und die z.B. aus Kaliumdihydrophosphat (KHpPO,) hergestellt sein können. Zwischen Elektroden 20 und 21, bzw.
22 und 23 des Kristalls 5 bzw. 6 wird ein axiales elektrisches
Feld mit einer Größe von A sinflt bzw. A co silt
mit Hilfe einer Wechselspannungsquelle 14 und eines Phasen-Verschiebungsnetzwerks
15 angelegt.
Das aus der Reihenschaltung der beiden Kristalle austretende
Licht besteht bei passender Wahl der Amplitude der Spannungen an diesen Kristallen 5 und 6 aus linear polarisiertem
Licht, dessen Polarisationsebene sich mit einer nahezu konstanten Winkelgeschwindigkeit ft/2 dreht. In anderen Worten: das aus den Kristallen austretende Licht
besteht aus zwei Komponenten, und zwar einem zirkulär polarisierten
Bündel 18 mit einer Kreisfrequenz ιυ und einem
009827/123 8 . - 5 -
BAD ORIGINAL
zirkulär polarisierten Bündel 19 mit einer Kreisfrequenz
ι» - Q. Dabei ist ein Bündel linksdrehend und das andere Bündel rechtsdrehend polarisiert.
Die zirkulär polarisierten Bündel 18 und 19 durchlaufen eine
λ/4-Platte 7j die die Bündel in zwei senkrecht zueinander
polarisierte Bündel mit einem Frequenzunterschied von ^ umwandelt.
Das Raster 1 spaltet die senkrecht zueinander polarisierten
Bündel in kohärente Teilbündel auf. Insbesondere werden Teilbündel der Ordnung -1, O und +1 erhalten. Die Teilbündel
fallen über eine plankonvexe linse 16 auf einen Hohlspiegel 9. Weil der Krümmungsmittelpunkt der konkaven
Grenzfläche der Linse 16 mit dem Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels 9 zusammenfällt, sind die an dem Spiegel
reflektierten Strahlen nach Brechnung an der konvexen Grenzfläche der Linse 16 wieder parallel zu den die Linse 16
in Richtung auf den Spiegel 9 durchlaufenden Strahlen. Das Teilbündel der Ordnung 0 wird dadurch unwirksam gemacht,
daß eine absorbierende Schicht 17 auf dem Spiegel 9 angebracht wird.
In dem Gang des Teilbündels der Ordnung -1 wird eine λ/4-··-
Platte 8 in diagonaler Lage angeordnet. Das Teilbündel 18· mit einer Kreisfrequenz t«, dessen Polarisationsrichtung
asu der Zeichnungeebene senkrecht ist, ist nach Durchgang
- 6 009827/12 38
durch die λ/4-Platte 8, Reflexion amSpiegel 9 und abermaligem Durchgang durch die λ/4-Platte 8 in ein
Bündel 28' mit einer Kreisfrequenz oa und einer zu der
Zeichnungsebene parallelen Polarisationsrichtung umgewandelt.
Denn das Bündel hat gleichsam eine λ/2-Platte in diagonaler lage durchlaufen. Auf entsprechende
Weise wird das Teilbündel 19' mit einer Kreisfrequenz tu - O und einer zu der Zeichnungsebene parallelen Polaris
sationsrichtung in ein Teilbündel 29' mit einer Kreisfrequenz w - O und einer zu der Zeichnungsebene senkrechten Polarisationsrichtung umgewandelt.
Die Teilbündel 18·f und 19'' der Ordnung +1 werden
vom Reflektor 9 reflektiert. Das aus dem Bündel 19"
gebildete Bündel 29" behält selbstverständlich die Kreisfrequenz ti) - Ω und die gleiche zu der Zeichnungsebene
parallele Polarisationsrichtung bei. Das aus dem Bündel 18". gebildete Bündel 28" behält die Kreisfrequenz t»
und die gleiche zu der Zeichnungsebene senkrechte Polarisationsrichtung
bei.
Sämtliche Teilbündel, und zwar 28«, 28", 29' und 29",
werden am Raster 1 wieder abgelenkt. Die in ihrer Richtung zusammenfaltenden kohärenten Bündel der Ordnung
(-1,-1), die aus den Teilbündeln 28· und 29' gebildet werden, und die Bündel der Ordnung (+1, +1), die aus den.
Teiibündeln 28" und 29" gebildet werden, fallen auf ein Teilprisma 10, das aus zwei feilen 41 und 42 zusammenge-
009827/123 8 "7 "
setzt ist, die längs einer Fläche 43 aneinander festgekittet
sind, welche Fläche in bezug auf die Hauptrichtung
der λ/4—Platte 7 die richtige Orientierung aufweist und
s.B. zu der Zeichnungsebene senkrecht angeordnet ist. Die
Trennfläche 43 ist mit einer Verspiegelung versehen, die
aus dünnen Schichten abwechselnd hoher und niedriger Brechtmgsr;ahl "besteht. Der Einfallswinkel α der kohärenten Bündel auf die Fläche 43 wird derart gewählt, daß
an der Grenzfläche zwischen den Schichten hoher und niedriger Brechungszahl das Licht etwa unter dem Brewster- ™
Winkel einfällt. Durch passende Wahl der Dicke der Schichten wird erreicht, daß das Licht, dessen Schwingungsrichtung
in der Zeichnungsebene liegt, größtenteils durchgelassen wird, während das Licht, dessen
Schwingung^richtung quer zur Zeichnungsebene "verläuft,
größtenteils reflektiert wird.
Das durchgelassene Licht enthält eine Komponente mit
einer Frequenz ·η und eine Komponente mit einer Frequenz |
ν - Ω, wobei eine Komponente (tu) dem Bündel der Ordnung (-Tj -1) und die andere Komponente (w — Ω) dem Bündel der
Ordnung (+1, +1) entzogen ist. Ähnliches trifft für das reflektierte Licht zu, mit der Maßgabe, daß in diesem
Falle die Komponente mit der Frequenz w - Π dem Bündel
der Ordnung (-1, -1) und die Komponente mit der Frequenz
ua dem Bündel der Ordnung (+1, +1) entzogen ist.
Es läßt sich nachweisen, daß das dem Detektor 11 bzw. 12 entnommen*» Signal I^ bzw. Ί«, das von dem reflektier-
009827/1238 Q
— ο —
ten bzw. von dem durchgelassenen Licht erzeugt wird, als:
I1 = const +asin (nt-8rrz/p)
"bzw.
Ip = const +bsin (nt+8nz/p)
geschrieben werden kann.. Dabei stellt a bzw. b die Amplitude
einer Wechselspannungskomponente des Signals I1 bzw.
I„ dar, während ζ = Verschiebung des Rasters,
p= Periode des Rasters ist.
Wenn die Fulldurchgänge der Photosignale in elektrische
Signale umgewandelt und dann dem elektrischen Kreis '13
zugeführt werden, ist es einleuchtend, daß jede Verschiebung Δζ = p/8 einen zusätzlichen Impuls erzeugt.
Die bisher beschriebene Vorrichtung ist Gegenstand der älteren niederländischen Patentanmeldung 6.811.252.
Nach der Erfindung wird die WechselSpannungsquelle 14 dadurch
gebildet, daß, von einem Generator 50 ausgehend, eine Frequenzteilung mit Hilfe eines Frequenzteilers 51
bewirkt wird. Der Generator 50 erzeugt eine impulsförmige
Spannung mit einer Kreisfrequenz N O. Diese Spannung wird nicht nur dem Frequenzteiler 51» sondern auch dem elektrischen
Kreis 13 zugeführt.
In Fig. 2 sind die sogenannten Taktimpulse mit einer
Kreisfrequenz N ftals kurze vertikale Striche 60 und die
Meßimpulse als lange vertikale Striche 61 aufgetragen.
009827/123 8 _ 9 _,,'
SAD
Bei Verschiebung des Rasters über einen Abstand Δζ1
verschieben sich die Meßimpulse. Die neue lage der Meßimpulse ist mit gestrichelten Linien 62 angedeutet.
Im Beispiel nach Fig. 2 ist N =5. Es wird ein Meßschritt von etwa i/5.p/8 = -r^f- ρ erreicht.
N kann jeden an sich konstanten Wert annehmen. Wenn für
N eine geeignete Bruchzahl gewählt wird, kann z.B. ein Meßschritt in Zoll in einen Meßschritt in mm bzw. μΐη
umgewandelt werden. Auch kann bei einem Interferometer " der Wert der Wellenlänge der verwendeten Lichtart, welche
Wellenlänge z.B. eine Laserwellenlänge ist, in Mm
umgewandelt werden. Ferner kann bei einem Winkelmeßsystem die Winkelmessung in Radialen in eine Winkelmessung
in Graden umgewandelt werden.
Es versteht sich, daß die Maßnahme nach der Erfindung auch bei den anderen in der niederländischen Anmeldung
6.811.252 beschriebenen Vorrichtungen und bei den in λ
der älteren niederländischen Patentanmeldung 6.813.749 beschriebenen Vorrichtungen angewandt werden kann.
009827/1238 Patentansprüche:
- 10 -
Claims (2)
1.)) Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Verschiebung
eines Gegenstandes mit Hilfe eines mit diesem Gegenstand mechanisch starr verbundenen Elements, das
ein aus einer Strahlungsquelle austretendes Strahlungsbündel beeinflußt, welche" Vorrichtung ferner einen
Strahlungsmodulator und ein optisches System enthält, welche im Strahlungsweg angeordnet sind, wobei die
Strahlung endgültig auf einen photoelektrischen Detektor auffällt, in dem bei der Verschiebung des Gegenstandes
ein Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß einem die im Detektor (11,12) erzeugten elektrischen
Signale verarbeitenden Kreis (13) periodische Signale
aus einem Signalgenerator (50) zugeführt und die dem Strahlungsmodulator zugeführten Modulationssignale durch
Frequenzteilung der periodischen Signale enthalten werden.
2.) Vorr ichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis zwischen der Frequenz der periodischen Signale und der Frequenz der Modulationssignale
eine Bruchzahl ist.
009827/12 38
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