DE2132735A1

DE2132735A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem beliebigen Querschnitt eines Strahlungsbuendels

Info

Publication number: DE2132735A1
Application number: DE19712132735
Authority: DE
Inventors: Rene Dandliker
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-07-09
Filing date: 1971-07-01
Publication date: 1972-01-20
Also published as: FR2100419A5; NL7010130A; GB1364487A; DE2132735C3; US3717404A; DE2132735B2

Description

Dr. Herbert Scholl Patentanwalt Anmelde: N. V. Philips' Gloeilampenfabrleken

^AkleNo-* PHN- 4999
Anmeldung vomi 29. Juni 1971

Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem beliebigen y,uerschnitt eines Strahlungsbündeis.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem beliebigen Querschnitt eines elektromagnetischen Strahlungsbündels. In einer bekannten Vorrichtung der obenerwähnten Art, die in "Applied Optics", 2., S. 2315-2317» beschrieben ist, wird die Interferenz von Lichtbündeln benutzt. Das über eine erste Seitenfläche in ein Kösters-Prisma eintretende Lichtbündel wird an dem Teilspiegel in dem Prisma in zwei Komponenten gespaltet, die beide durch eine zweite Seitenfläche aus dem Prisma austreten. Die Teilbündel reflektieren an zwei Flächen eines sogenannten Porro-Prismas, treten wieder durch die zweite Seitenfläche in das Köstere-Prisma ein, vereinigen aich in dem Prisma und treten durch eine dritte Seitenfläche aus dem Prisma aus. Die Teilbündel weisen beim Austreten einen Weglängenunterschied auf, der dem Einfallswinkel des Bündiis

109834/1130

auf die erste Seitenfläche und dem Abstand der Symmetrieachse des Porro-Prisiaas von der Fläche des Seilspiegels in dem Kösters-Prisma proportional ist. Dieser Abstand₅ und somit die Lage in dem Bündel, lässt sich genau aus dem Weglängenunterschied ermitteln.

Die bekannte Vorrichtung hat einige wesentliche lachteile. An erster Stelle kann die Phase in dem Interferenzmuster nur- gemessen werden_s wenn die Abmessungen des Detektionssystesis quer εέ das? Eichung des austretenden Bundeis in der gleichen Orössenordnung wie eis Periode des Interferenzmusters liegen,»

An aweiter Stelle ist es zur Bestimmung der Phase orfosrdsr« IiCh₉ dass Intensitätssignale miteinander verglichen werden^ Diese Signale sind insbesondere bei grosses Abständen von der Strahlungsquelle Schwankungen infolge Inhomogenitäten des durchlaufenen Mediums ausgesetzt. Diese Schwankungen erschweren die Bestimmung der Phase«

In der älteren noch nicht veröffentlichten niederländischen Patentanmeldung 6918301 ist eine Vorrichtung beschrieben, die die der bekannten Vorrichtung anhaftenden Nachteile nicht aufweist.

Die Erfindung bezweckt_f die Nachteile der bekannten Vorrichtung auf andere Weise zu vermeiden* Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsbündel von zwei monochromatischen kohärenten orthogonal polarisierten Strahlungsquelle!! verschiedener Frequenzen erzeugt wird, wobei der Frequenzunterschied in bezug auf ,Jede ^der Frequenzen klein ist, welches Strahlungsbündel in einem polarisationsempfindlichen System in mindestens zwei Teilbündel der erwähnten verschiedenen Frequenzen gespaltet wird» die dem starr mit dem Gegenstand verbundenen Detektionssystem zugeführt werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde , dass die

109884/1180

Ueberlagerung zweier Bündel mit einem geringen Frequenzunterschied ein Interferenzmuster ergibt, das sich mit einer der Differenzfrequenz propro tionalen Geschwindigkeit in einer Richtung quer zu der Richtung der Bündel bewegt. Das Interferenzmuster erzeugt in einem feststehenden Strahlungsdetektor ein moduliertes Signal, dessen Phase ein Mass für die Lage des Detektors innerhalb einer Periode des Interferenzmusters ist. Unabhängig von der Amplitude des Signals wird durch Vergleich mit einem Bezugssignal der Differenzfrequenz, welches Signal eine konstante Phase aufweist, die Lage des Detektors innerhalb einer Periode des Interferenzmusters genau bestimmt.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform dieser Vorrichtung.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Laser, der auf bekannte Weise derart eingerichtet ist, dass er nur in einem einzigen longitudinalen Modus schwingt. Rings um den Laser 1 ist eine Magnetspule angebracht. Der Spulenstrom erzeugt ein Magnetfeld, das bewirkt, dass die Laserschwingung in zwei entgegengesetzt zirkulär polarisierte Schwingungen verschiedener Frequenzen f₁ und f_p gespaltet wird. Der Frequenzunterschied f₁ - fp ist in bezug auf die Laserfrequenzenf .und f_? besonders klein.

Das kollimierte Laserbündel trifft auf einen isotropen Teilspiegel 2 auf. Der an dem Spiegel 2 reflektierte Teil des Laserbündels fSllt auf den linearen Polarisator 7 auf. Das aus dem Polarisator austretende linear polarisierte Bündel wird über die Linee 8 dem

109884/1180

Strahlungsdetektor 9 zugeführt, der nahezu in der Brennebene der Linse 8 . angeordnet ist. Das auf den linearen Polarisator 7 auffallende Bündel ist aus zwei entgegengesetzt zirkulär polarisierten Komponenten mit etwas voneinander verschiedenen Frequenzen f., und f_ zusammengesetzt.

• I C-

Die Feberlagerung zweier solcher Komponenten entspricht einem linear polarisierten Bündel, dessen Polarisationsrichtung sich mit der halben Differenzfrequenz -J- (f -f ) dreht.

Das in dem Strahlungsdetektor 9 erzeugte elektrische Signal_ kann also durchs

\ I₁ = a cos2-/r(f^₂)*

dargestellt werden.

Der von dem Spiegel 2 durchgelassene Teil des Laserbündels passiert die A /4-Platte 3 und fällt dann auf das Wollaston-Prisma 4 auf. In der \ /4-Platte 3 werden die beiden entgegengesetzt zirkulär polarisierten Komponenten in je ein linear polarisiertes Teilbündel umgewandelt, wobei die Polarisationsrichtungen dieser Bündel zueinander senkrecht sind. Die Polarisationsrichtung des Teilbündels mit der Frequenz f. wird als parallel zu der Zeichnungsebene betrachtet, während die Polari-. sationsrichtung des Teilbündels mit der Frequenz f_ als senkrecht zu der Zeichnungsebene betrachtet wird» Die Hauptrichtungen der 7\ /4-Platte 3 werden auf für diesen Zweck geeignete Weise gewählt.

Das Wollaston-Prisma besteht aus zwei kongruenten Prismen 5 und 6 aus einachsigen doppelbrechenden Kristallen, die zu der planparalellen Plat'te 4 zusammengebaut sind. Die optische Achse C₁ des Kristalls 5 ist parallel zu der Zeichnungsebene und die optische Achse c_p des Kristalls 6 steht senkrecht auf der Zeichnungsebene, In dem Wollaston-Prisma werden die Teilbündel, die senkrecht auf eine der parallelen grossen

109884/1180

Flächen einfallen, derart abgelenkt, dass die aus dem Prisma austretenden Bündel einen Winkel 2 j& miteinander einschliessen.

Die austretendenBündel werden von dem Detektionssystem 10 aufgefangen, das sich in einem Abstand χ von der Achse AB des optischen Systems befindet, welche Achse das Wollaston-Prisma an der Stelle schneidet, an der die Teilprismen 5 und 6 eine gleiche Dicke haben. Das Detektionssystem 1ü besteht aus einsm linearen Polarisator 11, dessen Polarisationsebene Winkel von 45° ^i t den Polarisationsrichtungen der beiden Teilbündel einschliesst; diesem Polarisator schliesst sich ein Strahlungsdetektor 12 hinter ainem engen Spalt in der Querwand 13 an. Die in dem Spalt auftretende Amplitude der interferierenden

Teilbündel Kann durch!

f„-f,

A„ = b cos ''

dargestellt werden. Dabei bezeichnet den Weglängenunterschied zwischen den zueinander senkrecht polarisierten Bündeln und die mittlere Wellenlänge der Strahlung. Der Weglängenunterschied ist mit x, d.h. dem Abstand des Spaltes von der Achse AB, proportional nach der Beziehung«

Δ1 =A~- .

^xo

Diese Beziehung bedeutet physikalisch, dass in der Ebene quer zu der Achse des optischen Systems parallele Linien von Maxima und Minima in der Intensität auftreten. Der Abstand x_Q zwischen zwei aufeinander folgenden Maxima beträgt (für kleine Winkel β ) ι x_Q = Tj-: » ^{und dle} Geschwindigkeit, mit der sich die Linien infolge der verschiedenen Frequenzen der interferierenden Bündel bewegen, ist: (f -f )x_Q.

In dem Strahlungsdetektor 12 wird ein Modulationssignal Ip erzeugt, das mit:

b cos i 2 7T(f.-f₂)t + 2 7T-^i= b cos τ* 2 Tf (f ^f ₂) t + 2 # ~ p2-oportional ist.

109884/1180

Dieses Signal wird in dem elektronischen Pimsesceässgerät mit dem Bezugssignal I₁ = a cos 2 "#*(f.-£₂)i verglichen.

Der Phasenwinkel ψ= 2 TT—- ist* us&bhängig vom den Werten

^x0
von a und b, bis auf Bruchteile eines Grades ersittelbsr, wodurch "bis auf Vielfache von x_ der Abstand des Detektors 1G (iseeser gesagts des Spaltes in der Querwand 13) von der Achse des optischen Systems bestimmt werden kann» Die Vielfache von x„ werden auf bekannte Weiss nit Hilfe eines elektronischen Zählers gemessene

Statt des v/ollaston-Prismas ·4 kann als polaritaiionseinpfind-

^ liches System z.B_e eine Savart-Platte oder eines der in der Elterea noch nicht veröffentlichten Anmeldung 69I83OI erwähntes asderen polaffisationsempfindlichen Systeme Anwendung finden« Bei Anwendung einer Savart-Platte ist der Abstand zwischen den Linien von Maxima und Miniaa in der Intensität aber nicht konstant«,

Wenn die Lage eines Gegenstandes in zwei zueiaaßder senkrechten Sichtungen bestimmt werden soll, kann die Torriolrimag nach Fig. auch doppelt ausgebildet werden, d.h,, dass das Strahlungsbundel auch über ein Wollaston-Prisma, das sich in bezug auf aas Prissa 4 über 90° um die Achse AB gedreht hat, auf ein Detektionssysteia auffallen kann, dessen Spalt vor dem Strahlungsdetektor quer zn dem Spalt im System 10 steht.

Die Information über die Lage in den zwei zueinander senkrechten Richtungen kann auf verschiedene Weise getrennt werden, z.B, dadurch, dass zwei Lichtquellen verschiedener mittlerer optischer Wellenlängen gewählt oder bei derselben mittleren optischen Wellenlänge zwei verschiedene Differenzfrequenzen verwendet werden.

In der Vorrichtung nach Fig. 2 wird aber die Information

109884/1180

über die Lage eines Gegenstandes in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einem Querschnitt einee Strahlungsbündels auf geeignetere Weise getrennt. In dieser Vorrichtung wird die Trennung durch Anwendung zueinander senkrecht polarisierter Interferenzmuster bewirkt. Diese Interferenzmuster werden mit Hilfe nur einer einzigen Lichtquelle erzeugt, die zwei zueinander senkrecht polarisierte Bündel verschiedener Frequenzen emittiert. ·

Die Laserquelle 21 in Fig. 2 entspricht der Laserquelle 1 in Fig. 1. Aus der Laserquelle 21 treten daher zwei entgegengesetzt zirkulär polarisierte Strahlungsbündel mit Frequenzen f.. und f_? und mit einem geringen Frequenzunterschied f -f„ aus. Der von dem isotropen Teilspiegel 22 durchgelassene Teil der Strahlungsbündel passiert die Λ /4-Platte 23. Aus der ^ /4-Platte 23 treten linear polarisierte Teilbündel mit Frequenzen f und f„ aus, deren Polarisationsrichtungen zueinander senkrecht sind. Diese Teilbündel fallen auf ein Prismensystem auf, das die polarisationsempfindlichen Prismen 24 und 25, die Spiegelprismen 28 und 30 und die )[ /2-Platte 26 enthält.

Die Polarisationsrichtung des Teilbündels mit der Frequenz f„ steht senkrecht auf der Einfallsebene der Teilbündel auf die Trennfläche 27 des Teilprismas 24 und liegt in der Einfallsebene der Teilbündel auf die Trennfläche 32 des Teilprismas 25. Die Polarisationsrichtung des Teilbündels mit der Frequena f.. liegt in der Einfallsebene der Teilbündel auf die Trennfläche 27 des Teilprismas 24 und steht senkrecht auf der Einfallsebene der Teilbündel auf die Trennfläche 32 des Teilprismas 25.

Die Trennfläche 27 ist derart zusammengesetzt, dasß Strahlung mit einer in der Einfallsebene liegenden Polarisationsriohtung völlig durchgelassen wird, während Strahlung mit einer zu der Einfalls-

109884/1180

ebene senkrechten Polarisationsrichtung zur Hälfte reflektiert und zur • Hälfte durchgelassen wird. Das Teilbündel mit der Frequenz f_? wird also zur Hälfte reflektiert und zur Hälfte durchgelassen, während das Teil-" bündel mit der Frequenz f. völlig durchgelassen wird.

Die Trennfläche J2 des Teilprismas 25 ist gleichfalls derart zusammengesetzt, dass Strahlung mit einer in der Einfallsebene liegenden " Folarisationsrichtung völlig durchgelassen wird, während Strahlung mit einer zu der Einfallsebene senkrechten Polarisationsrichtung zur Hälfte · reflektiert und zur Hälfte durchgelassen wird. Das von der Trennfläche

W des Teilprismas 24 völlig durchgelassene Teilbündel mit der Frequenz f. wird also an der Trennfläche 32 zur Hälfte reflektiert und zur Hälfte durchgelassen, während die von der Trennfläche 27 durchgelassene Hälfte des Teilbündels mit der Frequenz f_? an der Trennfläche J2 des Teilprismas 25 völlig durchgelassen wird»

Die an der Trennfläche 27 reflektierte Hälfte des Teilbündels mit der Frequenz f„ wird völlig an der total reflektierenden Grenzfläche 29 des Spiegelprismas 28 reflektiert; die an der Trennfläche 32 reflektierte Hälfte des Teilbündels mit der Frequenz f. wird völlig

k an der total reflektierenden Grenzfläche 31 des Spiegelprismas 30 reflektiert.

Die Grenzfläche 29 schliesst einen Winkel <T mit der

Ebene V, ein, die durch die Fortpflanzungsrichtung der auf das Prismensystem einfallenden Strahlungsbündel und die Polarisationsrichtung der Teilbündel mit der Frequenz f gebildet wird. Die Grenzfläche 31 schliesst einen Winkel ο mit der Ebene -V_ ein, die durch die Fortpflanzungs-

JL <_

richtung der auf das Prismensystem einfallenden Strahlungsbündel und die Polarisationsrichtung des Teilbündels mit der Frequenz f gebildet wird.

109884/1180

4999

Die Ebenen V. und V_ sind zueinander senkrecht.

Das von der Trennfläche 3² durchgelassene Teilbündel ist aus zwei Komponenten aufgebaut: einer mit einer Frequenz f. und einer mit einer Frequenz f . Jede Komponente hat eine Intensität gleich der Hälfte der Intensität des auf das System auffallenden Bündels derselben Frequenz. Die beiden Komponenten durchlaufen eine 7\/2-Platte 26, die die Polarisationsebene jeder der Komponenten über 90° verschiebt. Die aus der Platte 26 austretende Komponente mit der Frequenz f. hat also eine Polarisationsrichtung gleich der des an der Fläche 29 reflektierten Teilbündels mit der Frequenz f_?5 die aus der Platte 26 austretende Komponente mit der Frequenz f_ hat also eine Polarisationsrichtung gleich der des an der Fläche 31 reflektierten Teilbündels mit der Frequenz f , Die Richtung der aus der Platte 26 austretenden Komponenten ist gleich der des auf das System einfallenden StrahlungsbundeIs.

Der Winkel zwischen dem an der Fläche 29 reflektierten Teilbündel mit der Frequenz. f„ und der aus der Platte 26 austretenden Komponente mit der Frequenz f. ist 9O°-2 S j der Winkel zwischen dem an der Fläche 31 reflektierten Teilbündel mit der Frequenz f.. und der aus der Platte 26 austretenden Komponente mit der Frequenz f₉ ist 9O*-2 S » Die

£· JU

Winkel 9O°-2 S und 90°-2 S liegen in zwei zueinander senkrechten y χ

Ebenen.

Die Bündel, die den Winkel 90°-2 J" einschliessen, werden in dem Polarisationstrennprisma 33 an ^der polarisationsempfindliohen Trennfläche 34 total zu dem Detektionssystem 35 reflektiert! die Bündel, die den Winkel 90^e-2 J" einschliessen, werden von der polarisationsempfindlichen Trennfläche 34 völlig zu dem Detektionssystem 36 durchgelassen.

Die beiden Detektionssysteme sind dem Detektionssystem 10 in '

109884/1180

der Vorrichtung nach Fig. 1 analog.

In der Ebene der Detektoren treten parallele Linien mit Maxima und Minima in der Intensität auf, die in gegenseitigen Abständen vom

^Λ0 - 2 sin i(90°-2 <Γ ) '
bzw.

Λ

^yO " 2 sin §(90°-2 S" )
liegen.

Die Geschwindigkeit, mit der sich die Linien bewegen, ist:

Die in den Detektoren erzeugten Signale können durchs

A cos ί 2 TrCf₁ - f ₉)t + 2 Tf rr ) { fczw. L ' * ^xo ^J

B cos i 2 7f(f - f_o)t + 2W 2— ) I 112 j_Q J

dargestellt werden.

Diese Signale werden in den Phasenmessgeräten 37 bzw» 38 mit der Phase des Bezugssignals: cos 2T9"(f -f₂)t verglichen, das aus dem durch den isotropen Teilspiegel 22 von dem aus der Quelle 21 stammen- ^ den Bündel abgespalteten Teilbündel erhalten wird, das über den Spiegel 39 und den linearen Polarisator 40 dem Detektor 41 zugeführt wird.

Zur Vergrösserung der in dem Detektor erzeugten elektrischen Signale können die den Detektionssystemen 35 und 36 zugekehrten Seitenflächen des Polarisationstrennprismas 33 durch Rastersysteme mit Perioden y_Q bzw. x_Q ersetzt werden.

109884/1180

Claims

-11- 4 IJ/ /OQ PHN. 4999·

PATEHTANSPRTJGHE :

M·) Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem beliebigen Querschnitt eines elektromagnetischen Strahlungsbündels, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsbündel von zwei monochromatischen kohärenten orthogonal polarisierten Strahlungsquellen verschiedener Frequenzen erzeugt wird-, wobei der Frequenzunterschied in bezug auf jede der Frequenzen klein ist, welches Strahlungsbündel in einem polarisationsempfindlichen System in mindestens zwei Teilbündel der erwähnten verschiedenen Frequenzen gespaltet wird, die dem starr mit dem Gegenstand verbundenen Detektionssystem zugeführt werden.

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von den Strahlungsquellen emittierte Strahlungsbündel aus einer einzigen Strahlungsquelle stammt, die Strahlung emittiert, deren Polarisationsebene sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit dreht. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsempfindliche System ein Wollaston-Prisma ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Detektionseystem erzeugte elektrische Signal mit einem Bezugssignal verglichen wird, das den gleichen Frequenzunterschied wie die Strahlungsquellen und eine konstante Phase aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daes das Bezugssignal von einem Teil der aus den Strahlungsquellen austretenden Strahlungsbündel erzeugt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einem beliebigen Querschnitt eines Strahlungßbündels, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsempfindliche System zwei polarisationstrennende Teilprismen

109884/1180

-12- 213/735 PHK. 4999·

enthält, die mit je einem Spiegel gekoppelt sind und sich in bezug aufeinander über 90° um die Achse des Systems gedreht haben, wobei in diesem System weiter eine (2n+i) 7\/2-Flatte angebracht ist, die entweder in die Wege der an den Trennflächen reflektierten Teilbündel oder in die Wege der von den Trennflächen durchgelassenen Teilbündel aufgenommen ist

7» Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass

die Trennflächen derart aufgebaut sind, dass Strahlung, deren Polarisationsebene senkrecht auf der Einfallsebene auf die betreffende Trennfläche steht, an der Trennfläche zur-Hälfte reflektiert und zur Hälfte durchgelassen wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder J, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem ein polarisationstrennendes Teilprisma und zwei strahlungserapfindliche Detektoren enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf den den Detektoren zugekehrten Seitenflächen des polarisationstrennenden Teilprismas ein Rastersystem abwechselnd für Strahlung durchlässiger und für Strahlung undurchlässiger Streifen angebracht ist.

109884/1180