DE1960116C3

DE1960116C3 - Vorrichtung zur Bestimmung der Verschiebung eines Gegenstandes mit Hilfe eines mit dem Gegenstand mechanisch starr verbundenen Gitters

Info

Publication number: DE1960116C3
Application number: DE1960116A
Authority: DE
Inventors: Gijsbertus Eindhoven Bouwhuis; Hendrik De Delft Lang
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-12-05
Filing date: 1969-11-29
Publication date: 1979-08-30
Also published as: FR2025444A1; BE742670A; DE1960116B2; NL6817430A; SE361527B; DE1960116A1; GB1295068A; NL157715B; CH524808A; US3630624A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verschiebung eines Gegenstandes gegenüber einer Lichtquelle und weiteren in bezug auf diese festen Bauteilen mit Hilfe eines mit dem Gegenstand mechanisch starr verbundenen Gitters, das ein aus der Lichtquelle austretendes polarisiertes Strahlungsbündel beeinflußt, mit einem Lichtmodulator zur Modulation der Polarisation des Bündels, einem optischen System, das im Strahlengang angeordnete und die Polarisation beeinflussende Elemente enthält, und mit der Erzeugung von Meßsignalen dienenden fotoeleklrischen Wandlern.

Eine Vorrichtung der oben erwähnten Art ist bekannt (siehe z. B. die DE-AS 11 69 150). Aus herstellungstechnischen Gründen kann es erwünscht sein, ein Gitter bzw. Raster mit einer großen Periode vor einem Raster mit einer kleinen Periode zu 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.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß ihre Meßgenauigkeit erhöht wird. Die Erfindung besteht nun darin, daß ein periodische Signale erzeugender Generator einerseits mit einem von den fotoelektrischen Wandlern gespeisten Kreis zum Vergleich der Phasen der periodischen Signale des Generators mit denjenigen der Signale der fotoelektrischen Wandler und andererseits mit zum Lichtmodulator gehörenden Schaltungen zur Frequenzteilung verbunden ist.

Hierdurch wird ermöglicht, daß niederfrequenzmodu lieri¹.' F.mpfangsMgnnle niü liiile von I lochircquoii/-takί npiilscn inici \liiert werden könnvn. i>:i Nie<!<?;
frequenzsignale .-,md aus '!cn T<\kiimpu!sen tUirvh Frequenzteilung bildbar. Die Phasenlage der von den fotoelektrischen Wandlern erzeugten Signale enthält die Information über die Verschiebung des Gegenstandes und wird im von den Wandlern, gespeisten Kreis ■> dadurch erhalten, daß die Phase deren elektrischer Impulse mit Taktimpulsen verglichen wird, die von der Verschiebung des Gegenstandes unabhängig sind. Wenn die Frequenz der Taktimpulse größer als die Frequenz der Meßimpulse ist, wird eine vergrößerte

ίο Meßgenauigkeit erhalten, wenn ein festes Verhältnis N zwischen den beiden Frequenzen besteht Diese Bedingung läßt sich bei digitalen Signalen am einfachsten durch Verwendung eines Frequenzteilers erfüllen. Die ganze Zahl oder die Bruchzahl N ist das

i) Verhältnis zwischen der Signalfrequenz und der Modulationsfrequenz.

Ein wesentlicher Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung ist der, daß die Periodizität der Signale aus dem Signalgenerator nicht durch Unvollkommenheiten

2t) der Modulatoren beeinflußt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine digitale elektronische Apparatur zur Teilung von Frequenzen weniger verwickelt als eine derartige Apparatur zum Multiplizieren von Frequenzen ist.

2> Die Erfindung wird für ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur

Bestimmung der Verschiebung eines Gegenstandes und F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungs-

jo weise der Vorrichtung nach F i g. 1.

In F i g. 1 ist das verschiebbare Raster bzw. Gitter, dessen Rasterlinien annahmeweise senkrecht zur Zeichnungsebene sind, mit 1 bezeichnet. Das Raster 1 ist starr mit dem (nicht dargestellten) Gegenstand verbun-

Ji den, 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

4(1 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

4> elektrooptische Kristalle 5 und 6, deren Hauptrichtungen miteinander einen Winkel von 45° einschließen und die z. B. aus Kaliumdihydrophosphat (KH2PO4) hergestellt sein können. Zwischen Elektroden 20 und 21 bzw. 22 und 23 des Kristalls 5 bzw. 6 wird ein axiales

)<i elektrisches Feid mit einer Größe von A₀ sinßf bzw. A₀ cosßf mit Hilfe einer Wechselspannungsquelle 14 und eines Phasenverschiebungsnetzwerks 15 angelegt.

Das aus der Reihenschaltung der beiden Kristalle austretende Licht besteht bei passender Wahl der

v> Amplitude der Spannungen an diesen Kristallen 5 und 6 aus linear polarisiertem Licht, dessen Polarisationsebene sich mit einer nahezu konstanten Winkelgeschwindigkeit Ω/2 dreht. In anderen Worten: das aus den Kristallen austretende Licht besteht aus zwei Kompo-

W) nenten, und zwar einem zirkulär polarisierten Bündel 18 mit einer Kreisfrequenz ω und einem zirkulär polarisierten Bündel 19 mit einer Kreisfrequenz ω — Ω. Dabei ist ein Bündel linksdrehend und das andere Bündel rechtsdrehend polarisiert.

·■ ί Die zirkulär polarisierten liüntl·-! !8 und <'^:) durchi.'uic: -.üic A/\-\'l;si·.: 7, >., c Ji.. i5ündoi ι;ι /v»c] senki;\h; ic-nander poiarisic.io Diiinle! mil einem Frequenzunterschied von Ω umwandelt.

Das Raster 1 spaltet die senkrecht zueinander polarisierten Bündel in kohärente Teilbündel auf. insbesondere werden Teilbündel der Ordnung — 1, 0 und +1 erhalten. Die Teilbündel fallen über eine plankonvexe Linse 16 auf einen Hohlspiegel R 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 kovexen 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-PIatte 8 in diagonaler Lage angeordnet Das Teilbündel 18' mit einer Kreisfrequenz ω, dessen Polarisationsrichtung zu der Zeichnungsebene senkrecht ist, ist nach Durchgang durch die λ/4-Platte 8, Reflexion am Spiegel 9 und abermaligem Durchgang durch die λ/4-Platte 8 in ein Bündel 28' mit einer Kreisfrequenz ω 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 ω — Ω und einer zu der Zeichnungsebene parallelen Polarisationsrichtung in ein Teilbündel 29'mit einer Kreisfrequenz ω — Ω und einer zu der Zeichnungsebene senkrechten Polarisationsrichtung umgewandelt

Die Teilbündel 18" und 19" der Ordnung +1 werden vom Reflektor 9 reflektiert. Das aus dem Bündel 19" gebildete Bündel 29" behält selbstverständlich die Kreisfrequenz ω — die gleiche zu der

Zeichnungsebene parallele Polarisationsrichtung bei. Das aus dem Bündel 18" gebildete Bündel 28" behält die Kreisfrequenz ω 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 zusammenfallenden 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 Teilbündeln 28" und 29" gebildet werden, fallen auf ein Teilprisma 10, das aus zwei Teilen 41 und 42 zusammengesetzt 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 z. B. zu der Zeichnungsebene senkrecht angeordnet ist. Die Trennfläche 43 ist mit einer Verspiegelung versehen, die aus dünnen Schichten abwechselnd hoher und niedriger Brechnungszahl besteht. Der Einfallswinkel <x 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 Schwingungsrichtung quer zur Zeichnungsebene verläuft, größtenteils reflektiert wird.

Das durchgelassene Licht enthält eine Komponente mit einer Frequenz ω und eine Komponente mit einer Frequenz ω — Ω, wobei eine Komponente (ω) dem Bündel der Ordnung (—1, —1) und die andere Komponente (ω — Ω) dem Bündel der Ordnung (+1, + 1) entzogen ist Ähnliches trifft für das reflektierte

ίο Licht zu, mit der Maßgabe, daß in diesem Falle die Komponente mit der Frequenz ω — Ω dem Bündel der Ordnung (—1, —1) und die Komponente mit der Frequenz ω dem Bündel der Ordnung (+1, +1) entzogen ist

Es läßt sich nachweisen, daß das dem Detektor 11 bzw. 12 entnommene Signal I\ bzw. I₂, das von dem reflektierten bzw. von dem durchgelasseneii Licht erzeugt wird, als:

I\ = const + a sin (Ω ί—8πz/p)

bzw.

const

geschrieben werden kann. Dabei stellt a bzw. b die Amplitude einer Wechselspannungskomponente des Signals /i bzw. h dar, während ζ = Verschiebung des Rasters, ρ = Periode des Rasters ist

Wenn die Nulldurchgänge der Photosignale in ebktrische Signale umgewandelt und dann dem elektrischen Kreis 13 zugeführt werden, ist es einleuchtend, daß jede Verschiebung Az = p/8 einen zusätzlichen Impuls erzeugt

Die Wechselspannungsquelle 14 wird 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 ΝΩ. Diese Spannung wird nicht nur dem Frequenzteiler 51, sondern auch dem elektrischen Kreis 13 zugeführt.

In F i g. 2 sind die sogenannten Taktimpulse mit eir er Kreisfrequenz N Ω als kurze vertikale Striche 60 und die Meßimpulse als lange vertikale Striche 61 aufgetragen.
Bei Verschiebung des Rasters über einen Abstand Az'

4^r> verschieben sich die Meßimpulse. Die neue Lage der Meßimpulse ist mit gestrichelten Linien 62 angedeutet. Im Beispiel nach F i g. 2 ist N = 5. Es wird ein

Meßschritt von etwa ¹A ■ p/8 = ,₍₎ perreicht.

-,o 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. μπι umgewandelt werden. Auch kann bei einem Interferometer der Wert der Wellenlänge der

-,j verwendeten Lichtart, welche Wellenlänge z. B. eine Laserwellenlänge ist, in μίτι umgewandelt werden. Ferner kann bei einem Winkelmeßsystem die Winkelmessung in Radialen in eine Winkelmessung in Graden umgewandelt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Bestimmung der Verschiebung eines Gegenstandes gegenüber einer Lichtquelle und weiteren in bezug auf diese festen Bauteilen mit Hilfe eines mit dem Gegenstand mechanisch starr verbundenen Gitters, das ein aus der Lichtquelle austretendes polarisiertes Strahlungsbündel beeinflußt, mit einem Lichtmodulator zur Modulation der Polarisation des Bündels, einem optischen System, das im Strahlengang angeordnete und die Polarisation beeinflussende Elemente enthält, und mit der Erzeugung von Meßsignalen dienenden fotoelektrischen Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß ein periodische Signale erzeugender Generator (50) einerseits mit einem von den fotoelektrischen Wandlern (ti, 12) gespeisten Kreis (13) zum Vergleich der Phasen der periodischen Signale des Generators (50) mit denjenigen der Signale der fotoelektrischen Wandler (11, 12) und andererseits mit zum Lichtmodulator (5, 6, 14, 15, 50, 51) gehörenden Schaltungen (14, 15, 51) zur Frequenzteilung verbunden ist.