DE2132735C3

DE2132735C3 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in einem beliebigen Querschnitt eines Strahlungsbündels

Info

Publication number: DE2132735C3
Application number: DE2132735A
Authority: DE
Inventors: Rene Zug Dandliker (Schweiz)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-07-09
Filing date: 1971-07-01
Publication date: 1979-08-30
Also published as: GB1364487A; FR2100419A5; NL7010130A; DE2132735B2; DE2132735A1; US3717404A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in bezug auf mindestens eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung elektromagnetischer kohärenter Strahlung liegende Richtung, die mindestens einen elektrische Ausgangssignale liefernden Strahlungsdetektor aufweist, welcher der Erfassung von die Lage des Gegenstandes in einem kohärenten Strahleiibündelquerschnitt festlegenden Interferenzen dient

In einer bekannten Vorrichtung obenerwähnter Art, die in »Applied Optics«, 7, 1968, S. 2315—2317 beschrieben ist, wird die Interferenz von Lichtbündeln benutzt Das über eine erste Seitenfläche in ein Köstere-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-Prism as, treten wieder durch die zweite Seitenfläche in das Kösters-Prisma ein, vereinigen sich 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 Bündels auf die erste Seitenfläche und dem Abstand der Symmetrieachse des Porro-Prismas von der Fläche des Teilspiegels in dem Kösters-Prisma proportional ist. Dieser Abstand, und somit die Lage in dem Bündel, läßt sich genau aus dem Weglängenunterschied ermitteln.

Die bekannte Vorrichtung hat einige wesentliche Nachteile. An erster Stelle kann die Phase in dem Interferenzmuster nur gemessen werden, wenn die Abmessungen des Detektionssystems quer zu der Richtung des austretenden Bündels in der gleichen Größenordnung wie die Periode des Interferenzmusters liegen.

An zweiter Stelle ist es zur Bestimmung der Phase erforderlich, daß Intensitätssignale miteinander verglichen werden. Diese Signale sind insbesondere bei großen Abständen von der Strahlungsquelle Schwankungen infolge Inhomogenitäten des durchlaufenden Mediums ausgesetzt. Diese Schwankungen erschweren die Bestimmung der Phase.

Aus der US-PS 34 63 924 ist eine Vorrichtung zum Messen der Änderung einer optischen Weglänge mit Hilfe eines Interferrometers, z. B. zum Messen der Verschiebung eines Gegenstandes bekannt. Diese Änderung der optischen Weglänge, d. h. die Verschiebung des Gegenstandes findet statt in der Richtung der Lichtstrahlen, d. h. in der Richtung der optischen Achse des Systems.

Aus der AT 2 77 600 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Verschiebung eines Einzelteils eines Werkzeuges mit Hilfe eines mit dem Ein/elteil mechanisch verbundenen Rasters, der sich im Licht weg zwischen einer Lichtquelle und einem lichtempfindlichen Element befindet, das das auftreffende Licht in ein elektrisches Signal umsetzt, und wobei im Lichtweg

außer dem Raster ein sich drehendes, lichtreflektierendes, regelmäßiges Vielflach angeordnet ist, bekannt, bei der im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Vielflach ein feststehender Raster angeordnet und zwischen dem Vielflach und dem mit dem Werkzeugteil mechanisch verbundenen Raster ein das Lichtbündel spaltendes System derart eingefügt ist, daß auf dem verschiebbaren Raster zwei räumlich getrennte, zueinander seitenverkehrte Bilder des feststehenden Rasters abgebildet werden.

Unter Verwendung eines Gitters und eines rotierenden Speigelrades sind hierbei gegenüber fotoelektrischen Wandlern bewegte Muster erzeugbar.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Lage eines sich nicht bewegenden Gegenstandes zu messen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das kohärente Strahlenbündel aus zwei monochromatischen und zueinander orthogonal polarisierten Teilbündeln verschiedener Frequenzen besteht, daß der hierdurch bestimmte Betrag der Differenz zwischen diesen beiden Frequenzen klein gegenüber jeder der beiden Frequenzen ist, und daß die Teilbündel verschiedener Frequenzen nach Durchlaufen einer polarisationsoptischen Anordnung in getrennte sowie einen Winkel einschließende Teilbündel zerlegt sind, die über einen Polarisator und einen Spalt den mit dem Gegenstand verbundenen Strahlungsdetektor beaufschlagen.

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes und

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform dieser Vorrichtung.

In F i g. 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 /, und h gespaltet wird. Der Frequenzunterschied /Ί — /ϊ ist in bezug auf die Laserfrequeiv.sn f\ und /"2 besonders klein.

Das kollimierte Laserbündel trifft auf einen isotropen Teilspiegel 2 auf. Der an dem Spiegel 2 reflektierte Teil des Laserbündels fällt auf den linearen Polarisator 7 auf. Das aus dem Polarisator austretende linear polarisierte Bündel wird über die Linse 8 dem 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 /i und /2 zusammengesetzt. Die Überlagerung zweier solcher Komponenten entspricht einem linear polarisierten Bündel, dessen Polarisationsrichtung sich mit der halben Differenzfrequenz '/2(7ί —/2) dreht.

Das in dem Strahlungsdetektor 9 erzeugte elektrische Signal kann also durch:

/1 = acos2^fi-f₂)t

dargestellt werden.

Der von dem Spiegel 2 durchgelesene Teil des Laserbündels passiert die λ/4-Platte 3 und fällt dann auf das Wollaston-Prisma 4 auf. In der λ/4-PIatte 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 Polarisationsrichtung des Teilbündels mit der Frequenz fi als senkrecht zu der Zeichnungsebene betrachtet wird. Die Hauptrichtungen der λ/4-Platte 3 werden auf für diesen Zweck geeignete Weise gewählt Das Wollaston-Prisma besteht aus zwei kongruenten

lä Prismen 5 und 6 aus einachsigen doppelbrechenden Kristallen, die zu der planparallelen Platte 4 zusammengebaut sind. Die optische Achse C\ des Kristalls 5 ist parallel zu der Zeichnungsebene und die optische Achse C₂ des Kristalls 6 steht senkrecht auf der Zeichnungsebene. In dem Wollaston-Prisma werden die Teilbündel, die senkrecht auf eine der parallelen großen Flächen einfallen, derart abgelenkt daß die aus dem Prisma austretenden Bündel einen Winkel 2ß miteinander einschließen.

Die austretenden Bündel werden von einem zu einem Detektionssystem 10 gehörenden Strahlungsdetektor (12) aufgefangen, der 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. Vor dem Detektor (12) befinden sich ein linearer Polarisator 11, dessen Polarisationsebene Winkel von 45° mit den Polarisationsrichtungen der beiden Teilbündel einschließt und ein enger Spalt in der

r> Querwand 13.

Die in dem Spalt auftretende Amplitude der interferierenden Teilbündel kann durch:

I₂ = /icos 2.t( A._" ΑΛ

Ii

cos j2.-7(7, ./,)/ -t- 2.7

dargestellt werden. Dabei bezeichnet Al den Weglängenunterschied zwischen den zueinander senkrecht ■4> polarisierten Bündeln und λ die mittlere Wellenlänge der Strahlung. Der Weglängenunterschied ΔΙ ist x, d. h. dem Abstand des Spaltes von der Achse AB, proportional nach der Beziehung:

Diese Beziehung bedeutet physikalisch, daß in der

Ebene quer zu der Achse des optischen Systems

Vi parallele Linien von Maxima und Minima in der Intensität auftreten. Der Abstand xo zwischen zwei aufeinander folgenden Maxima beträgt (für kleine Winkel ß): xo =-,''., und die Geschwindigkeit, mit der

w) sich die Linien infolge der verschiedenen Frequenzen der interferierenden Bündel bewegen, ist: (f\ — ^)Xo-

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

= /'cos 2.7 (/, - J₂) t f 2.

proportional ist.

Dieses Signal wird in dem elektronischen Phasenmeßgerät 14 mit dem Bezugssignal

I; = Λ COS 2 π (7,-Z₂) t

verglichen. ^r>

Der Phasenwinkel φ = 2 π _χ ist, unabhängig von den

Werten von a und b, bis auf Bruchteile eines Grades ermittelbar, wodurch bis auf Vielfache von xo der Abstand des Detektors 10 (besser gesagt: des Spaltes in ι υ der Querwand 13) von der Achse des optischen Systems bestimmt werden kann. Die Vielfachen von x₀ werden auf bekannte Weise mit Hilfe eines elektronischen Zählers gemessen.

Statt des Wollaston-Prismas 4 kann als polarisationsempfindliches Bauteil z. B. auch eine Savart-PIatte Anwendung finden. Bei Anwendung einer Savart-PIatte ist der Abstand zwischen den Linien von Maxima und Minima in der Intensität aber nicht konstant.

Wenn die Lage eines Gegenstandes in zwei zueinander senkrechten Richtungen bestimmt werden soll, kann die Vorrichtung nach F i g. 1 auch doppelt ausgebildet werden, d. h., daß das Strahlungsbündel auch über ein Wollaston-Prisma, das sich in bezug auf das Prisma 4 über 90° um die Achse AB gedreht hat, auf ein Detektionssystem auffallen kann, dessen Spalt vor dem Strahlungsdetektor quer zu 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 ?wei Lichtquellen verschiedener mittlerer optischer Wellenlängen gewählt oder bei derselben mittleren optischen Wellenlänge zwei verschiedene Differenzfrequenzen verwendet werden.

In der Vorrichtung nach F i g. 2 wird aber die Information über die Lage eines Gegenstandes in zwei zueinander senkrechten Richtungen in einem Querschnitt eines 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 F i g. 2 entspricht der Laserquelle 1 in F i g. 1. Aus der Laserquelle 21 treten daher zwei entgegengesetzt zirkulär polarisierte Strahlungsbündel mit Frequenzen f\ und /j und mit einem geringen Frequenzunterschied /i — h aus. Der von dem isotropen Teilspiegel 22 durchgelassene Teil der Strahlungsbündel passiert die λ/4-Platte 23. Aus der Λ/4-Platte 23 treten linear polarisierte Teilbündel mit Frequenzen f\ und h aus, deren Polarisationsrichtungen zueinander senkrecht sind. Diese Teilbündel fallen auf ein Prismensystern auf, das die polarisationsempfindlichen Prismen 24 und 25, die Spiegelprismen 28 und 30 und die A/2-Platte 26 enthält.

Die Polarisationsrichtung des Teilbündels mit der Frequenz h 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 Frequenz 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, daß Strahlung mit einer in der Einfallsebcnc üegend.jn Polarisationsrichtung völlig durchgelassen wird, während Strahlung mit einer zu der Einfallsebene senkrechten Polarisationsrichturig zur Hälfte reflektiert und zur Hälfte durchgelassen wird. Das Teilbündel mit der Frequenz /j wird also zur Hälfte reflektiert und zur Hälfte durchgelassen, während das Teilbündel mit der Frequenz /i völlig durchgelassen wird.

Die Trennfläche 32 des Teilprismas 25 ist gleichfalls derart zusammengesetzt, daß Strahlung mit einer in der Einfallsebene liegenden Polarisationsrichtung völlig durchgelassen wird, während Strahlung mit einer zu der Einfallsebene senkrechten Polarisaiiorisrichtung zur Hälfte reflektiert und zur Hälfte durchgelassen wird. Das von der Trennfläche 27 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 h an der Trennfläche 32 des Teilprismas 25 völlig durchgelassen wird.

Die an der Trennfläche 27 reflektierte Hälfte des Teilbündels mit der Frequenz Λ 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 an der total reflektierenden Grenzfläche 31 des Spiegelprismas 30 reflektiert.

Die Grenzfläche 29 schließt einen Winkel ö_y mit der Ebene Vj ein, die durch die Fortpflanzungsrichtung der auf das Prismensystem einfallenden Strahlungsbündel und die Polarisationsrichtung der Teilbündel mit der Frequenz /2 gebildet wird. Die Grenzfläche 31 schließt einen Winkel O_x mit der Ebene V2 ein, die durch die Fortpflanzungsrichtung der auf das Prismensystem einfallenden Strahlungsbündel und die Polarisationsrichtung des Teilbündels mit der Frequenz /Ί gebildet wird.

Die Ebenen Vi und V₂ sind zueinander senkrecht.

Das von der Trennfläche 32 durchgelassene Teilbürdel ist aus zwei Komponenten aufgebaut: einer mit einer Frequenz f\ und einer mit einer Frequenz h. Jede Komponente hat eine Intensität gleich der Hälfte der Intensität des auf das System auffallenden Bündels derselben Frequenz. Die beiden Komponenten durchlaufen eine A/2-Platte 26, die die Polarisationsebene jeder der Komponenten über 90° verschiebt. Die aus der Platte 26 austretende Komponente mit der Frequenz /i hat also eine Polarisationsrichtung gleich der des an der Fläche 29 reflektierten Teilbündels mit der Frequenz h\ die aus der Platte 26 austretende Komponente mit der Frequenz h 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 Strahlungsbündels.

Der Winkel zwischen dem an der Fläche 29 reflektierten Teilbündel mit der Frequenz h und der aus der Platte 26 austretenden Komponente mit der Frequenz f\ ist 90° —2ö_y; 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 f₂ ist 90° -2 Ä, Die Winkel 90° -2 ö_y und 90° —2 (J_x liegen in zwei zueinander senkrechten Ebenen.

Die Bündel, die den Winkel 90° -2 ό* einschließen.

werden in dem Polarisatiopstrennprisma 33 τη ύ·:ι polarisatioiisempfindlichen Trennfläche 34 total zu dem Strahlungsdetektor 35 reflek;··· l; die Bündel, die den Winke! 90°— 2ö_x einschließen, von der polarisationsempfindiichen Trennfläche 34 völlig zu dem Strahlungsdetektor 36 durchgelassen.

Die beiden De:aktionssysteme sind dem Detektionssysicm 10 in der Vorrichtung nach F i g. 1 analog.

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

2 sin ^ (90 -2,)_x)

Vo =

. 1

2 sin ^-(90 - 2,y

liegen.

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

l./i - Ji I V₁₁ bzw. (/, - ./,)_)■„ .

Die in den Detektoren erzeugten Signale können durch:

■v 1

.•1 cos ^ 2.-7

- J₂) t

B cos

-•os j2.-7(./j - ./,

dargestellt werden.

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

Zur Vergrößerung der erzeugten elektrischen Signale können die den Detektoren 35 und 36 zugekehrten Seitenflächen des Polarisationstrennprismas 33 durch Rastersysteme mit Perioden yo bzw. xo ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in bezug auf mindestens eine s senkrecht zur Ausbreitungsrichtung elektromagnetischer kohärenter Strahlung liegende Richtung, die mindestens einen elektrische Ausgangssignale liefernden Strahlungsdetektor aufweist, welcher der Erfassung von die Lage des Gegenstandes in einem ι ο kohärenten Strahlenbündelquerschnitt festlegenden Interferenzen dient, dadurch gekennzeichnet, daß das kohärente Strahlenbünde! aus zwei monochromatischen und zueinander orthogonal polarisierten Teilbündeln verschiedener Frequenzen (fu /2) besteht, daß der hierdurch bestimmte Betrag der Differenz zwischen diesen beiden Frequenzen klein gegenüber jeder der beiden Frequenzen (f\ bzw. /2) ist, und daß die Teilbündel verschiedener Frequenzen nach Durchlaufen einer polarisationsoptischen Anordnung (3,4) in getrennte sowie einen Winkel (2ß) einschließende Teilbündel zerlegt sind, die über einen Polarisator (11) und einen Spalt den mit dem Gegenstand verbundenen Strahlungsdetektor (12) beaufschlagen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung der Teilbündel vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die polarisationsoptische An- 3η Ordnung ein Wollaston-Prisma(4) enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Strahlungsdetektor (Ij!) erzeugte elektrische Signal mit einem Bezugssignal vergleichbar ist, das durch den gleichen Frequenzunterschied wie die Teilbündel bestimmt ist,, jedoch eine von der zu bestimmenden Lage un abhängige und konstante Phase besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal vom die Teilbündel enthaltenden Strahlenbündel ableitbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes in zwei zueinander senkrechten Richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die polarisationsoptische Anordnung zwei polarisationstrennende Teilprismen (24, 25) enthält, die mit je einem Spiegel (28, 30) gekoppelt und in bezug aufeinander um 90° um die Achse der Anordnung gedreht sind, und daß in dieser Anordnung weiter eine (2/j+l) λ/2-Platte (26) angebracht ist, die entweder in die Wege der an den Trennflächen (27, 32) reflektierten Teilbündel oder in die Wege der von den Trennflächen (27, 32) durchgelassenen Teilbündel aufgenommen ist (n=0; 1;2;3;...).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennflächen derart aufgebaut sind, daß das Teilbündel, dessen Polarisationsebene senkrecht auf der Einfsllsebene auf die betreffende Trennfläche (27 bzw. 32) steht, an der Trennfläche ω zur Hälfte reflektiert und zur Hälfte durchgelassen wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisationstrennendes Teilprisma (33, 34) vor den den beiden Lagekoordi- M naten zugeordneten Strahlungsdetektoren (35, 36) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den den Strahlungsdetektoren (35, 36) zugekehrten Seitenflächen des polarisationstrennenden Teilprismas (33, 34) ein Rastersystem abwechselnd für Strahlung durchlässiger und für Strahlung undurchlässiger Streifen angebracht ist