DE2237564A1 - Verfahren zur beruehrungslosen messung von geschwindigkeiten, relativlageaenderungen oder verschiebestrecken - Google Patents

Description

ERNST LEITZ GMBH Unser Zeichen: A I871/B 27^0 633 Wetzlar, den 25. Juli 1972,

Pat Se/GG

Verfahren zur berührungslosen Messung von Geschwindigkeiten, Relativlageänderungen oder Verschiebestrecken

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen optischen Messung von Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Relativlageänderungen oder Verschiebestirecken eines relativ zu einem Meßkopf beweglichen, lichtbeugenden oder -streuenden und damit eine Wellenfront in mindestens zwei unterschiedlich gerichtete Wellenfronten zerlegenden Objektes ohne systematische, die Lichtphase oder -amplitude beeinflussende Markierungen auf im Schärfentiefenbereich eines abbildenden Systems liegenden Meßflächenelementen, in Bezug auf mindestens eine einem der sechs möglichen räumlichen Bewegungsfreiheitsgrade zugeordnete Koordinate, bei dem die Meßfläche und ein optisches Bauelement, welches scharf definierte Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei unterschiedlichen, miteinander verknüpften Wellenfronten vermittelt, im Abbildungsstrahlengang zueinander konjugiert liegen und bei dem die bei Relativlageänderungen entstehenden Lichtmodulationen durch mindestens einen fotoelektrischen Wandler in elektrische Signale umgesetzt werden, die eine der Linear- oder Winkelgeschwindigkeitsänderung proportionale Frequenzänderung aufweisen.

Es sind bereits fotoelektrische Geschwindigkeitsmeßverfahren bekannt, die von Objektoberflachen ohne systematische Meßmarkierungen Signale abgreifen und auf Objektgeschwindigkeiten hin auswerten.

Bei derartigen Einrichtungen, die nach mit zeitlich kohärentem Licht (Laserlicht) arbeitenden Dopplereffekt-Geschwiiidigkeitsmeßverfahren arbeiten, erzeugen dia Meßobjekte eine zu den

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Geschwindigkeitskomponenten in Kichtun^ des Ue leuchtungslichtes und zu den Geschwindigkei tskomponetiten in Richtung des Signallichtflusses proportionale Frequenzverschiebung, aus der der Betrag der Geschwindigkeitskomponente durch überlagerung von zwei Strahlen mit Hilfe von teildurchlässigen Spiegeln (Meßstrahl und Heferenzstrahl oder von zwei Meßstrahlen unterschiedlicher Frequenzverschiebung) und daraus unter Berücksichtigung der Winkelbeziehungen zwischen Geschwindigkeitsvektor und Strahlrichtungen der Meßwert gewonnen werden.

In anderen derartigen Einrichtungen zur Erzeugung von der Verschiebung eines Objektes proportionalen Signalfolgen sind eine kohärente monochromatische Lichtquelle und ein von dieser beleuchtetes, mit dem beweglichen Objekt verbundenes lineares Haster vorgesehen, das als Beugungsgitter wirkt. Ferner sind Mittel zum Ausblenden und Überlagern entgegengesetzt gleicher, durch das Beugungsgitter erzeugter Beugungsordnungen sowie Mittel zur Abtastung der durch die Überlagerung erzeugten Interferenzstreifen vorhanden.

Bei einer anderen gleichartigen Einrichtung ist das Haster, das mit Auflicht beleuchtet wird, zur Bestimmung der Umfangsgeschwindigkeit auf dem Umfang einer Scheibe angebracht,

Nachteile der auf statistische Oberflächen angewendeten Dopplerverfahren sind: Die Einschränkung auf einen kleinen Meßfleck auf der Objektoberfläche, der Aufwand für den Laser, die mit der kleinen Lichtwellenlänge verknüpften nicht anpaßbaren hohen Signalfrequenzen und die rechnerische Berücksichtigung von Lichtwellenlänge und Winkelbeziehungen.

Ohne Kohärenzvoraussetzungen für das verwendete Licht arbeiten Geschwindigkeitsmeßverfahren, die elektrische Signale kreuzkorrelieren. Diese Signale werden dadurch gewonnen,

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daß mindestens zwei in Bewegungsrichtung des Meßobjektes versetzte fotoelektrische Empfänger angeordnet sind, auf welche infolge der Objektbewegung nacheinander die gleichen Objektstellen optisch abgebildet werden.

Elektrische Signalkorrela-toren benötigen einen Speicher regelbarer Speicherdurchlaufzeit und eine komplexe störanfällige Schaltungstechnik, liefern nur eine mittlere Geschwindigkeit für die Speicherdurchlaufzeit und nutzen den Informationsgehalt der zur Verfügung stehenden Objektfläche nur schlecht aus, was geringe Bandbreiten der Meßinformation zur Folge hat.

Es ist ferner eine Einrichtung bekannt, bei der ein stochastisches Objekt auf ein Pyramiden- oder Prismenraster als ein Strahlaufspalter vernachlässigbarer Lichtabsorption zur Geschwindigkeitsmessung abgebildet wird. Dieser Einrichtung fehlt die Kichtungskennung der Messung.

Weiter wurde ein elektrooptischer WinkeIkodierer vorbeschrieben, bei dem zur Gewinnung von zur Bewegung des Gitters höherfrequenten Abtastsignalen Strahlungsanteile unterschiedlicher Beugungsordnungen über strahlenvereinigende Bauelemente zusammengeführt und zur Interferenz gebracht werden.

Auch ist die Verwendung eines Phasengitters als die Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei Wellenfronten festlegendes optisches Bauelement bekannt.

Ferner ist es bekannt, ein Wollastonprisma als strahlaufspaltendes oder strahlvereinigendes Element bei der Kombination höherfrequenter Strahlungsanteile von Strahlung, welche aus unterschiedlichen Richtungen einfällt, zu verwenden.

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Zur Bestimmung der Relativkoordinaten von Objektpunkten nach zwei Koordinaten ist eine Einrichtung bekannt, bei der zwoL mit dem Meßobjekt starr verbundene, entsprechend orientierte Gitter auf zwei getrennte, zu den Koordinatenrichtungen parallel orientierte Lineargitter abgebildet werden. Aus den resultierenden Lichtflüssen werden mit zwei Gruppen von je vier fotoelektrischen Empfängern getrennt der Objektbewegung proportionale Signale hergeleitet.

Schließlich sind Verfahren bekannt, bei denen die Ortsfrequenzen von Strukturverteilungen des stochastischen bewegten Objektes mit einem linearen Amplitudengitter durch die Abbildung der Objektoberfläche auf das Amplitudengitter korrelieren, indem das durch die Gitterfläche hindurchgetretene Licht auf einem fotoelektrischen Empfänger geeinigt und in ein Signal umgesetzt wird, das eine der Objektgeschwindigkeit proportionale Frequenzkpmponente enthält.

Diese bekannten Gitterkorrelatoren haben ein ungünstiges Nutz-Störsignalverhältnis. Das Nutzsignal enthält eine größere Zahl von Harmonischen, welche ein ganzzahliges Vielfaches der Meßgeschwindigkeit vortäuschen können.

Eine spezialisierte Weiterentwicklung dieses Verfahrens ist die Ausbildung des linearen Amplitudengitters als Fotoempfängerraster, bei welchem die gerad- und ungeradzahligen Empfängerstreifen zu je einem Signalausgang zusammengefaßt sind, deren Signale nach Durchlaufen eines Differenzverstärkers ein resultierendes Signal ergeben, welches vorzugsweise nur noch die den Ortsfrequenzkomponenten der Empfängerstruktur und der Objektgeschwindigkeit entsprechenden harmonischen Komponenten der Signalfrequenz enthält.

Das genannte Gegentaktverfahren unterdrückt den Störsignalanteil, der durch Ortsfrequenzen des Objektes bedingt ist,

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die unterhalb der entsprechenden Ortsfrequenzen des Korrelationsgitters liegen, vermeidet aber nicht den sonstigen Nachteil, nämlich den hohen gerätemäßigen Aufwand. Darüber hinaus schränkt die Technologie der Fotoempfängerstreifen den Ortsfrequenzbereich nach oben ein, so daß hohe Objektvergrößerungen und große Empfängergesamtflächen notwendig werden, um auch noch bei kleinen Objektverschiebungen einen guten Nutzsignalanteil mit einer entsprechend großen Streifenzahl zu erreichen. Die bekannten Verfahren eignen sich nicht zur Erweiterung auf zweidimensional^ Messungen. Auch die Kennzeichnung der Bewegungsrichtung durch die Signale aus einem einzigen Meßfeld ist nicht gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Verfahren zur berührungslosen Messung von Geschwindigkeiten, Relativlageänderungen oder Verschiebestrecken eines bewegten lichtbeugenden oder -streuenden Objektes ohne systematische Meßmarkierungen zur Messung in einer oder zwei Koordinaten zu entwickeln, die einen im Verhältnis zu den gewonnenen Informationen nur geringen Aufwand bedingen und die in der einfachsten Ausführung bereifes mit dem Licht einer thermischen oder Lumineszenzlichtquelle betrieben werden können.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, welches sich dadurch auszeichnet, daß unter Verwendung von einem oder mehreren die Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei Wellenfronten festlegenden, vernachlässigbare Lichtabsorption aufweisenden Bauelementen φ^*^Ψφ$ die aus der Wechselwirkung zwischen diesen Bauelementen und dem Bild des Objektes sich ergebenden modulierbären Lichtflüsse, die aus Raumwinkelbereichen gleicher Modulationsphase herrühren, getrennt in fotoelektrische Signale umgesetzt werden, deren Modulationskennzeichen sinusförmig mit der jeweiligen Meßkoordinate variieren und deren Signalperioden halb so,lang sind wie die statistischen Ortsperiodenanteile der die vom optischen System bevorzugt übertragenen. Lichtenergieanteile

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aus dem RaumwinkeLbereich der Beleuchtungsapertur abspaltenden Bezugs- oder Streuparameter der Objektmeßfläche, und daß die so erzeugten elektrischen Signale als direkte oder trägerfrequente Signale in an sich bekannter Weise auf die gewünschten Meßgrößen hin ausgewertet werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Einkoordinatenmessung,

Fig. 2 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Zweikoordinatenmessung,

Fig. 3 die Verwendung einer Ultraschallwelle als Korrelationsgitter,

Fig. k eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ohne Korrelationsgitter,

Fig. 5 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer teiIverspiegelten Platte als strahlenvereinigendem Element,

Fig. 6 eine Einrichtung zur Zweikoordinatenmessung mit zwei getrennten Lineargittern.

In Pig.1 ist als Objekt eine Kreisscheibe 1 mit lichtstreuender Oberfläche dargestellt, deren jeweilige Winkellage gemessen werden soll. Dieses Objekt 1 wird von einer Lichtquelle 2 über einen Kondensor 3» einen Umlenkspiegel 5 ^und ein Objektiv k beleuchtet. Das Objektiv k sortiert das vom Objekt reflektierte Licht entsprechend seinen unterschiedlichen Streuwinkeln in seiner Brennebene, in welcher eine Aperturblende 6 angeordnet ist, so daß jedem Ort/aer Brennfläche eine Richtung im Objektraum zugeordnet ist. Eine Draufsicht auf die Aperturblende 6 zeigt im Fig.Ta. Die die Aperturblende 6 durchdringenden zwei Teilstrahlenbündel mit Querschnitten, die Kreiszweiecken entsprechen, entwerfen

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durch ein Objektiv 7 in der Ebene eines als Phasengitter ausgebildeten Korrelationsgitters β ein Bild der lichtstreuenden Oberfläche, in dem nur die dem Doppelspalt der Aperturblende entsprechenden Ortsfrequenzen enthalten sind. Für die Ebene der Blende 6 wirkt der Spiegel 5 als Sperre zur Unterdrückung des kohärenten Untergrundes im Bild und halt damit nicht am Objekt moduliertes Licht zurück. Durch don Wegfall des kohärenten Untergrundes im Btild wird die Orts frequenz im Bild gegenüber der Ortsfrequenz des durch die Ulendenlage bevorzugten Ortsfrequenzbereiches der Ob- -. j oktoberfläche verdoppelt. Der Spiegel 5 legt den Beleuchturigsapertur-Hautnvinkel fest. Die beste Ausnutzung rotationssymmetrischer optischer Systeme wird durch die Ausbildung der als,Beleuchtungsaperturblende wirkenden Spiegelfläche als Kreiszweieck^ erreicht. Die in Fig.la als KreisfLache dargestellte hintere Brennebene des Objektivs h, die dem korrigierten Aperturbereich mit dem Durchmesser 2A der Objektive h und 7 entspricht, wird durch drei deckungsgleiche Kreiszweiecke optisch aufgeteilt.

Die Anordnung der Blende 6 und ihre Gestaltung ist so gew.ihlt, daß sich nach der Beugung und damit Korrelation der Teilstrahlen am Gitter 8 bei der Abbildung über ein Objektiv 9 -in dessen Brennebene 10 möglichst vollständig überlagerte Teilbilder 11 der Aperturblende 6 von verschiedenen Einzelflächen ergeben. Das die Tßilbilder 11 erzeugende Licht wird von in oder hinter der Brennebene 10 angeordneten fotoelektrischen Empfängern 12 in elektrische Signale umgewandelt. Diejenigen fotoelektrischen Empfänger 12, die Modulationen mit Gegentaktanteilen enthalten, sind mit den Gegentakteingängen 13, 14 von Differenzverstärkern 15, 16 verbunden.

Daß im vorliegenden Falle zwei Objektive· 4, 7 verwendet sind, hat sä-nen Grund darin, daß der Be 1 euchtungswinkel am Objekt 1 ausgefiltert und die Anpassung der Abbildung der Meßfläche

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des Objektes an das Gitter 8 optimal und von Fokusfehlern durch objekt- und bildseitig telezentrische Strahlführung unabhängig gestaltet werden soll. Diese beiden Objektive weisen für eine 1:1-Abbildung gleiche, für einen anderen Abbildungsmaßstab dagegen unterschiedliche Brennweiten auf, und es fällt die hintere Brennebene des Objektivs h mit der vorderen Brennebene des Objektivs 7 zusammen (£bene der Aperturblende 6). Die Meßebene ist angenähert durch die vordere Brennebene des Objektivs k bestimmt, während die hintere Brennebene 10 des Objektivs 7 in der Gitterebene liegt.

Wegen der Verlustfreiheit der Phäsengittermodulation und der dadurch gegebenen Konstanz des gesamten Lichtflusses durch das Gitter entstehen automatisch Umsteuerungen des optischen Leistungsflusses zwischen den verschiedenen, der Gitterkonstante des Korrelationsphasengitters entsprechenden Beugungsordnungen und damit Gegentaktsignale.

Zur Gewinnung einer Richtungsinformation durch drehfelddefinierende verkettete phasenverschobene Sinussignale sind in der Nähe der Pupille symmetrisch zur optischen Achse Phasenschieber 21 angeordnet, die für orthogonale Polarisationsrichtungen des am Objekt gestreuten Lichtes vorzugsweise r -Phasenverschiebungen der Lichtwellen erzeugen (aus Symmetriegründen je eine jr -Platte in Additions- und Subtraktionsstellung). In Strahlrichtung hinter dem Gitter 8 ist als polarisierender Teiler ein Wollaston-Prisma 22 orientiert zu den Hauptschwingungsrichtungen der » -Platten angeordnet, das zueinander senkrecht polarisierte Strahlanteile in Teilstrahlengruppen mit einem Modulationsphasenunterschied von — aufspaltet. Die aus je einer dieser senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlengruppen gewonnenen GegentaktsignaIe haben dann ebenfalls eine die Bewegungsrichtung charakterisierende, von nir verschiedene Phasendifferenz zueinander. .,

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Anstelle der Polarisation kann hierbei auch die spektrale Lage von Teilintensitäten des beleuchtenden Lichtes zur physikalischen Kennzeichnung verwendet werden. Die Phasenschieber 21 können dann durch ein Geradsicht-Dispersionsprisma ersetzt werden, das Wollaston-Prisma kann durch ein' weiteres, zum Gitter 8 gekreuztes spektralaufspaltendes Beugungsgitter ersetzt sein. Zur Einführung von Korrekturwerten für den aus den beiden verketteten Signalen resultierenden Drehfeldwinkel ist es möglich, im Strahlengang zusätzlich variable Phasenschieber einzusetzen, die die Lichtwellenphase zwischen den durch das Korrelationsgitter geometrisch überlagerten Aperturbildern meßbar verschieben.

Im dargestellten Falle könnten diese Phasenschieber zwischen den Objektiven k und'7 ein Paar von Schiebelinsen sein,deren Summenbrechkraft Null beträgt, oder ein Doppeldrehkeil. Unter StrahIumlenkung wäre die Verwendung eines Drehspiegels möglich. Auch eine planparallele bzw. Schwenkplatte in Objektoder Gitternähe könnte diese Aufgäbe übernehmen.

Da das K_orrelationsgitter 8 ein Phasengitter ist, entstehen in den sich überlagernden, durch die Gitterbeugung vervielfachten Teilbildern 11 der Aperturblendenöffnungen im Gegentakt modulierte Helligkeitsänderungen. Die Helligkeitsänderungen in der Brennebene 10 enthalten nur rein harmonische Signalanteile, wenn durch die Ortsfrequenzfilterung im Blendensystem 5» 6 dafür gesorgt ist, daß sich die Raumwinkelanteile (Beugungsordnungen), die die Ortsfrequenzbereiche besser als im Ortsfrequenzverhältnis 1ϊ2 in einer Koordinatenrichtung definieren (d.h. die Ortsfrequenzbereichen von weniger als einer Oktave Bandbreite entsprechen^ auch unter Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Beugungsdispersion nicht überlappen.

Das Korrelationsgitter kann als ein in einer oder zwei

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Koordinaten beugendes (Linien-, Kreuzlinien- oder Schachbrett- )Phasengitter ausgebildet sein, zu dessen Beugungswinkeln passend die.Abstände der Zentren der ortsfrequenzfilternden Aperturblendenöffnungen gewählt werden müssen.

Der Abbildungamaßstab zwischen statistischer Objektoberfläche und Korrelationsgitter bestimmt den Skalenfaktor zwischen ausgefilterter Ortsfrequenz des Objektes und Ortsfrequenz des Korrelationsgitters.

Wirkt die Objektfläche, die mit dem Gitter korreli*ert wird, nicht zu stark depolarisierend (Netallflächen im Auflicht), so sind auch trägerfrequente Meßverfahren anwendbar, die in Analogie zu den Zweifrequenz-Laser-Interferometerverfahren stehen. Beleuchtet man die streuende Oberfläche oder bei Strahlumkehr das Korrelationsgitter mit zwei zueinander kohärenten Teilwellen unterschiedlicher optischer Frequenz, deren Polarisationszustände zueinander komplementär sind, und sorgt man dafür, daß diese komplementären Teilstrahlen jeweils symmetrisch zur Beleuchtungsapertur liegende Aperturblendenöffnungen getrennt durchlaufen, so kann man hinter dem Gitterkorrelator frequenzmodulierte Signale erhalten, die bei ruhendem Objekt eine Frequenz haben, die der Frequenzdifferenz der beiden Teilwellen entspricht. Zwei Teilwellen der vorbeschriebenen Eigenschaften kann man bekanntlich aus einem polarisationaneutralen optischen Resonator in einem Magnetfeld erhalten, in dem eine Einmoden-Laserstrecke eingebaut ist. Auch ein polarisationsneutraler Laserresonator mit zwei axialen Moden, die z.B. 500 MHz Frequenzabstand haben und senkrecht zueinander polarisiert sind, stellt eine hier geeignete Lichtquelle dar.

Gleichwertig einem Zweifrequenz-Laser ist die Beleuchtung des Objektes mit dem Licht der beiden -1.Beugungsordnungen eines laufenden Gitters, nachdem diese Strahlanteile zuein-

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ander linear oder zirkulär komplementär polarisiert und dann wieder in die gleiche Richtung vereinigt wurden. Dabei verwendet man mit Vorteil als Beleuchtungsgitter eine -laufende Ultraschallwelle. Auch andere Methoden zur Erzeugung rotierender oder rotationspendelnder Linearpolarisationen sind zur Erzeugung trägerfrequenter Signale geeignet.

Beim erfindungsgemäßen trägerfrequenten Meßverfahren wird ein Referenzsignal abgeleitet, gegen das das Meßsignal nach Frequenz und Phase verglichen wird. Daher ist die Erzeugung von Drehfeldsignalen unnötig, da das Vorzeichen der Frequenzdifferenz von Meß- und Referenzsignal bereits die Richtungsinformation darstellt.

Bei Verwendung von Phasengittern, die eine einfallende Welle in der jeweiligen Beugungskoordinatenrichtung nur in zwei Beugungsordnungen beugen, entfällt bei der oben beschriebenen Ortsfrequenzfilteruhg die Erzeugung von Gegentaktsignalen. Läßt man daher unter Beibehaltung der eingeschränkten Beleuchtungsapertur die Ortsfrequenzfilterung fort und arbeitet mit Objektiven zur Abbildung der Objektoberflache, die", bezogen auf die Ortsfrequenz des Korrelationsgitters, große Aperturen haben, so werden Phasenstrukturen des Objektes Gegentaktsignale erzeugen, während Amplitudenstrukturen des Objektes, da mit Gleichtaktmodulationen verbunden, unterdrückt werden.

Sind in der Spektraldichte-Funktion der Ortsfrequenzen des Objektes genügend Anteile mit in Bezug auf das Signal-Rauschen hohem Signalpegel vorhanden und passen diese zur Ortsfrequenz des K_orrelationsgitters, so können bekannte Vor-Rückwärtszäbltechniken und Drehfeldperioden-Unterteilungstechniken auf die Verarbeitung der Drehfeldsignale Anwendung finden.

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Im Gegensatz zu den Verfahren der Dopplerinterferometrxe, bei welchen die abgetastete/i Fläche klein bleiben muß, steigt bei dem hier angewendeten Verfahren die Wahrscheinlichkeit, bei einer statistisch beugenden und streuenden Objektoberfläche über das notwendige Signal-Rauschverhältnis asu gelangen ,mit der Größe der korrelierten Flächen.

Die Geschwindigkeitsauswertung der Signale wird sich ebenfalls an d£e bekannten Verfahren anschließen, z.B. an die vorgeschlagene Drehfeld-Tachogeneratorlösung der Patentanmeldung P 21 27 483.9.

In Fig.2 ist ein Durchlichtobjekt 1 dargestellt, dessen Verschiebung in zwei Koordinatenrichtungen x, y gemessen werden soll. Eine Lampe 2 beleuchtet über einen Kondensor 3 ^uru* einen Kollimator 4 das Objekt 1 von unten. Zwischen Kondensor 3 und Kollimator 4 ist in der vorderen Brennebene des Kollimators 4 eine vorzugsweise quadratische Beleuchtungsblende 3' angebracht, so daß das Beleuchtungslicht am Objekt einen telezentrischen Strahlengang aufweist und nur Strahlen eines definierten Richtungsbereiches enthält. Das Objekt 1 selbst liegt in der vorderen Brennebene eines nachgeschalteten weiteren Objektivs 4', in dessen hinterer Brennebene sich eine Aperturblende 6 befindet.

Fig.2a zeigt eine Draufsicht auf diese Aperturblende, deren achsennaher Bereich (Se, auf den die Beleuchtungsblende 3* abgebildet ist, opak ausgebildet ist. Zum Mittelpunkt symmetrisch liegen vier quadratische Durchlaßbereiche 6a-6d, deren Größe und Lage den zu korrelierenden Ortsfrequenzkomponenten entsprechenden Beugungswinkeln zugeordnet sind.

Der Aperturblende 6 ist ein weiteres Objektiv 7 im Abstand seiner Brennweite nachgeordnet,welches den durchdringenden Lichtfluß entsprechend den Beugungsordnungen einem in der

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hinteren Brennebene des Objektivs 7 angeordneten Zweikoordinatengitter 8 zuführt.

Das zweikoordinatige Korrelationsgitter 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als quadratisches Schachbrettgitter ausgeführt. Es ist einem polarisierenden bildaufspaltenden Element 22 nachgeordnet, welches in Richtung der Diagonalen des Gitters 8 eine Aufspaltung erzeugt, deren Komponenten in Gitterrichtung ^r der Gitterkonstanten entsprechen. Mittels eines hachgeschalteten Objektivs 9 und eines polarisierenden Teilers 20 wird die Ebene der Aperturblende 6 durch die Beugung überlappend vervielfacht auf zwei Anordnungen 12,12· fotoelektrischer Empfänger abgebildet.

Wie die Draufsicht der Fig.2b zeigt, bestehen die Anordnungen 12, 12' jeweils aus neun im Quadrat angeordneten fotoelektrischen Empfängern, welche jeweils in vier Gruppen zusammengeschaltet sind. Die fotoelektrischen Empfänger der vier Quadratecken bilden eine Gruppe, der zentrale Empfänger die zweite und je zwei zum Zentrum symmetrisch angeordnete der verbleibenden vier Empfänger die dritte und vierte Gruppe. Aus dem Phasenvergleich der elektrischen Signale der Anordnung. 12 mit denen der Anordnung 12¹ gewinnt man Richimngsinformationen über die Bewegung des Objektes 1 nach den beiden Koordinatenrichtungen x, y.

Zur Anpassung an unterschiedliche Meßobjekte läßt sich die Gitterkonstante des Korrelationsgitters besonders einfach variieren, "wenn man dieses Gitter durch eine Ultraschallwelle realisiert, deren Wellenlänge durch Änderung von Erregerfrequenz oder Schallgeschwindigkeit steuerbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel dafür ist in Fig.3 schematisch dargestellt. Ein Ultraschallgeber 3I ist an eine in einem Glasgefäß 33 enthaltene Flüssigkeit 32 akustisch angekoppelt und wird von einem Generator kO gespeist. Das

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Glasgefäß 33 ist so ausgebildet und gelagert, daü es im vom Objektiv 7 (Fig.i) herkommenden Strahlengang 36 liegt. Die laufenden Ultraschallwellen 35 treffen auf einen reflexionsfreien Absorber Jk bekannter Art (z.B. nach Debye-Sears), so daß nur die ungestörte hinlaufende Welle als Phasengitter für die seitlich einfallende Strahlung 36 wirksam wird. Dabei kann zur trägerfrequenten Messung anstelle eines optisch abgeleiteten Referenzsignals ein aus dem Treiberstrom des Schallgebers 31 gewonnenes Referenzsignal verwendet werden. Durch Erregung der Ultraschallwelle mit in geeignetem Verhältnis gemischten Oberwellenintensitäten einer Grundkomponente (Pourier-Synthese) kann man für das Korrelationsgitter Strukturen erzeugen, die in verschiedene Beugungsordnungen, vorzugsweise in die -1. und in die -3· gleiche Lichtintensitäten beugen, um gleichintensive Modulationen auf den nachgeordneten Empfängern zu erhalten.

Den Vorzügen solcher laufenden Ultraschallwellen steht die erfahrungsgemäß geringe Stabilität ihrer Wellenlänge gegenüber. Zur Stabilisation dieser Gitterortsfrequenzen vergleicht man sie daher über einen Hilfsstrahlengang mit der Ortsfrequenz eines festen Referenzgitters und gewinnt aus den dabei anfallenden Moire-Phasen zwischen verschiedenen Stellen der beiden Gitter ein Regelsignal für die Ultraschalltreiberfrequenz. Ein solches Regelsignal kann man auch aus dem Vergleich der Beugungswinkel von am zu stabilisierenden Ultraschallfeld gebeugtem monochromatischem Licht bekannter Farbe mit einem vorgegebenen Sollbeugungswinkel oder aus dem Vergleich von Interferenzerscheinungen zwischen verschiedenen BeugungβOrdnungen dieses Licht mit vorgegebenen Sollmustern gewinnen.

Wie in Fig.3a dargestellt, ist es abweichend vom soeben Beschriebenen möglich, die Wirkungsweise einer solchen

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Ultraschallwellen als Phasengitter erzeugenden Einrichtung dadurch zu verbessern, daß die Flüssigkeitssäule oder der an ihrer Stelle vorgesehene Festkörper gleichzeitig von zwei Ultraschallerregern 3"ä*> 31" beeinflußt wird, die an entgegengesetzten Enden des Mediums 32 zur Wirkung kommen und die mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden können. Durch Variation mindestens einer der Frequenzen läßt sich das Wellenbild im Medium in seiner Wanderungsgeschwindigkeit und seiner Bewegungsrichtung leicht steuern. Bei dieser Anordnung wird im Gegensatz zum in Fig.3 Beschriebenen alle Schallenergie zum Aufbau des Gitters verwendet .

In Fig. 4 beleuchtet eine Laser-Lichtquelle 4l über einen Kondensor 42 ein statistisches Durchlichtobjekt h'J. Sowohl an diesem Objekt gebeugtes als auch ungebeugtes Licht wird von einem optischen System 44 auf eine Filterblonde 4 5 abgebildet. Diese Blende ist so ausgeführt, daß sie den direkten, zentralen, unmodulierten Anteil des Beleuchtungslichtes sowie solches an Objektstrukturen gebeugtes Licht durch den Stopper 45a ausblendet, deren Ortsfrequenzen von der zu korrelierenden Ortsfrequenz nach oben oder unten um mehr als eine halbe Oktave abweichen. Das Licht von von der Filterblende 45 durchgelassenen, aus der Beleuchtung abgebeugten Wellenfrontteilen wird von einem zweiten abbildenden optischen System 46 in dessen hinterer Brennebene auf einem Wollaston-Prisma 47 vereinigt. Der Aufspaltwinkel des Wollaston-Prismas ist an den Einfallswinkel der Strahlenanteile der unterschiedlichen Te-ilwellenfronten angepaßt. Vor dem Wollaston-Prisma 47 ist ein nur zwei gleich intensive Beugungsordnungen lieferndes Phasengitter 47* hoher Ortsfrequenz so dicht angebracht, daß die Lichtwechsel zwischen je zwei hinter dem Wollaston-Prisma geometrisch getrennten Übjektivpupillenteilbildern eine Phasenverschiebung ungleich n77 (n ganze Zahl) aufweisen. Die in Strahlrichtung \ixter dem Wollaston-Prisma 47 in eine gemeinsame Richtung vereinigten

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Strah!komponenten mit orthogonalen Polarisationsrxchtungen werden an einem zu den Hauptschwingungsrichtungen des Wollaston-Prismas 47 unter k5 orientierten polarisierenden Strahlenteiler 48 zur Interferenz gebracht und über sammelnde Optiken ky vier fotoelektrischen Empfängern 50, 50', 51_f 51* so zugeführt, daß die Ausgangssignale zusammengehöriger Empfänger (50, 50') und (51» 51') jeweils eine Phasenverschiebung ungleich nTT aufweisen, üie fotoelektrischen Empfängerpaare 511 51* bzw. 50, 50¹ sind in ihrer Lage der Aufspaltrichtung des Gitters k7· angepaßt. Die Ausgänge dieser Empfänger sind mit den Eingangsklemmen nachgeschalteter Differenzverstärker 52, 53 verbunden.

Die Funktion der soweit beschriebenen Einrichtung ist folgende: Bewegt sich das Meßobjekt k"} senkrecht zur optischen Achse parallel zur Zeichenebene, so werden die beiden oben erwähnten Beugungsordnungen ("Kanäle") bei Durchlaufen einer Ortsfrequenzperiode der zu korrelierenden Ortsfrequenzkomponente der Objektstruktur abwechselnd gerade Je einmal mit Licht beaufschlagt. Das Auftreten dieses Wechselsignales ist somit charakteristisch für das Vorliegen der zu korrelierenden Ortsfrequenzkomponente und seine Zeitfrequenz für deren Bewegungsgeschwindigkeit. Die optischen Bauelemente kk~k7 sowie deren Anordnung dienen ersichtlich dazu, dieses Wechselsignal optisch von störenden Anteilen abweichender Frequenz zu befreien. Die Verstärker 52, 53 dienen dem gleichen Zweck auf elektrischem Wege. Bei geeigneter Ausbildung des Strahlvereinigers als doppelbrechendes Schiebelinsenpaar läßt sich dessen Aufspaltwinkel und damit die zu korrelierende Ortsfrequenz des Objektes variieren.

Die in Fig.5 dargestellte Einrichtung hat die gleiche Funktion wie jene der Fig.4, und gleiche Bezugszeichen weisen auf analoge Bauelemente hin. Zur Strahlvereinigung (Bauelemente kj, k& der Fig.4) ist hier eine einzige teilver-

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spiegelte Platte 4?" vorgesehen.

In Figp6 ist eine weitere Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei der ein Objekt 1 durch eine Lichtquelle 2 über einen Teiler 62 und eine Optik h mit Auflicht beleuchtet wird. Das Objekt 1 ist in zwei Koordinatenrichtungen x, y verschieblicho Mittels der Optiken k, 7 wird es getrennt auf zwei Lineargitter 8, 8^f abgebildet. Die Teilungsri&htung des Gitters 8 ist parallel einer x-Verschiebung, die Teilungsrichtung des Gitters 8^S parallel einer y-Verschiebung orientiert. Zwischen den Optiken h und 7 ist der Strahlengang parallel. Er wird durch ein Ortsfrequenzfilter 65 wie dargestellt aufgespalten. Die lichtablenkenden optischen Bauelemente des Filters 65 sind so ausgebildet, daß sie außer der Strahlaufspaltung noch eine Phasenverschiebung von j~ zwischen Strahlkomponenten bewirken, welche sich in der Polarisationsrichtung um 90 unterscheiden. Demgemäß sind den Optiken 9 entsprechend orientierte polarisierende Strahlenteiler 20 nachgeschaltet, welche den modulierten Strahlengang auf zwei mal drei der x- bzw· y-Koordinate zugeordnete foto^elektrische Empfänger leiten, die in Gruppen 12 bzw. 12* angeordnet sind. Je drei Empfänger sind der -1.,0. und +1. ausgefilterten Beugungsordnung zugeordnet. Die Signa!phaseη sind durch die trigonometrischen Funktionssymbole der Verschiebestrecken symbolisiert .

Natürlich lassen sich aus den primären Meßgrößen gemäß der Erfindung weitere ableiten, z.B. aus der Umfangsgeschwindigkeit u eines Objektes, von dem zumindest Teilflächen der Peripherie im Tiefenschärfenbereich der abbildenden Optik liegen, bei Kenntnis seiner Drehzahl ω der Umfangsradius

u
r = - usw.

Auf erfindungsgemäße Einrichtungen können auch die bekannten

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Temperatur-Kompensationsveri'ahren Anwendung finden. Insbesondere Wärmeausdehnungsdifferenzen von Objekt und KorreLationsgitter· und KippungsfehLer im Meßaufbau können über die Verschiebung optischer Bauglieder, über die Deformation von Flächen oder über temperaturabhängige Brechkräfte kompensiert werden.

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Claims (1)

1. Patentabteilung 2237

   Se/GG Ansprüche

   I. Verfahren zur berührungslosen optischen Messung von Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kelativlageäuderungen oder Verschiebestrecken eines relativ zu einem Meßkopf beweglichen, lichtbeugenden oder -streuenden und damit eine Wellenfront in mindestens zwei unterschiedlich gerichtete Wellenfronten zerlegenden Objektes ohne systematische, die Lichtphase oder -amplitude beeinflussende Markierungen auf im Schärfentiefenbereich eines abbildenden Systems liegenden Meßflächenelementen, in Bezug auf mindestens eine einem der sechs möglichen räumlichen Bewegungsfreiheitsgrade zugeordnete Koordinate, bei dem die Meüflache und ein optisches Bauelement, welches scharf definierte Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei unterschiedlichen, miteinander verknüpften Wellenfronten vermittelt, im Abbildungsstrahlengang zueinander konjugiert liegen und bei dem die bei Relativlageänderungen entstehenden Lichtmodulationen durch mindestens einen fotoelektrischen Wandler in elektrische Signale umgesetzt werden, die eine der Linearoder Winkelgeschwindigkeitsänderung proportionale Frequenzänderung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von einem oder mehreren die Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei Wellenfronten festlegenden, vernachlässigbare Lichtabsorption aufweisenden Bauelementen (8, hj) die aus der Wechselwirkung zwischen diesen Bauelementen und dem Bild des Objektes sich ergebenden modulierbaren Lichtflüsse, die aus Raumwinkelbereichen gleicher Modulationsphase herrühren, getrennt in fotoelektrische Signale umgesetzt werden, deren Modulationskennzeichen sinusförmig mit der jeweiligen Meßkoordinate variieren und deren Signalperioden halb so lang sind wie die statistischen Ortsperiodenanteile der die vom optischen System bevorzugt übertragenen Lichtenergieanteile aus dem Raum-

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   winkelbereich der Beleuchtungsapertur abspaltenden Bezugs- oder Streupararaeter der Objektmeßflache (1, bj), und daß die so erzeugten elektrischen Signale als direkte oder trägerfrequente Signale in an sich bekannter Weise auf die gewünschten Meßgrößen hin ausgewertet werden.

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_t daß im Strahlverlauf nach der Wechselwirkung von Bild und dem in der Bildebene liegenden, mindestens drei unterschiedliche Wellenfronten miteinander verknüpfenden optischen Element (8, k7) LichtflUsse aus Kaumwinkelbereichen, die die Teilbündelbereiche der Abbildung direkt oder gebeugt fortsetzen, getrennt oder gleichphasig moduliert gruppenweise in fotoelektrische Signale umgeformt werden und daß xs Ausgangssignale mit gegenphasigen Modulationsanteilen Eingängen von Differenzverstärkern (i4, 15t 52, 53) zugeführt werden, die so abgeglichen sind, daß die Gleichlichtflüssen oder gleichmodulierten Lichtflüssen entsprechenden Signalanteile unterdrückt werden.

   Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Richtungsinformationen über die Meßbewegungen mindestens zwei fotoelektrische Signale erzeugt werden, deren nach der Meßkoordinate ortsperiodische Modulationskennzeichen in der Ortsphase Phasenverschiebungen von <p ^ It , vorzugsweise — aufweisen und daß dazu durch geometrische oder vorzugsweise physikalische Strahlenteilung der Meßfläche des Objektes (i, ky) bei geometrischer Teilung mindestens zwei Flächenelemente oder bei physikalischer Strahlenteilung der abbildend erfaßten Gesamtfläche zugeordnete Teillichtflüsse in örtlich oder zeitlich unterschiedlich verwendeten fotoelektrischen Empfängern (12, 50, 51) in diese Signale umgeformt werden. „

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   4. Verfahren nach den Ansprüchen T bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Richtungsinformationen über die Meßbewegungen mindestens zwei fotoelektrische, trägerfrequente Signale erzeugt werden, deren Schwebungsperioden bzw. Modulationsphasen die Informationen über die Meßbewegung enthalten, wobei nur eines der einer Meßkoordinate zugeordneten Signale, das Meßsignal, aus Lichtflüssen gewonnen wird, die alle Stufen der optischen Anordnung durchlaufen haben, während das andere Signal, das Referenzsignal, das auch mehreren Meßkoordinaten gemeinsam sein kann, vorher aus 2^1 oder aus elektrischen Modulationssignalen abgeleitet wird.

   5- Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch T bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Licht, in dem nur Komponenten mit einem Vellenlängenverhältnis kleiner als 0,5 enthalten sind, als optisches, die Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei unterschiedlichen, miteinander verknüpften WeIlenfronten festlegendes, vorzugsweise durch den Phasenhub und die Flächenverhältnisse der phasenschiebenden Strukturelemente direkt durchgehendes oder regulär reflektiertes Licht in.dem auf den fotoelektrischen Empfängern wirksamen Wellenlängenbereich unterdrückendes Bauelement (8) ein Phasengitter vorgesehen ist.

   6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1j dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung zumindest zeitlich kohärenter Beleuchtung als optisches, die Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei unterschiedlichen, miteinander verknüpften Wellenfronten festlegendes Bauelement eine doppelbrechende Prismenoder Linsenkombination oder dielektrische Schichtpakete (47) vorgesehen sind, die konjugiert sur Meßfläche des Objektes liegen.

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   7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daü bei Verwendung zumindest zeitlich kohärenter Beleuchtung als optisches Bauelement, welches die Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei unterschiedlichen, miteinander verknüpften Wellenfronten festlegt und im Kaum der zur Meßfläche konjugierten Ebene der Objektabbildung liegt, ein vorzugsweise polarisationsneutraler, teildurchlässiger Spiegel (^7") vorgesehen ist, dessen Ebene in der Winkelhalbierenden von mindestens zwei beiderseits des teildurchlässigen Spiegels einfallenden, zusammen bilddefinierenden Teilbündeln liegt.

   8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis ^4, dadurch gekennzeichnet, daß von den die Abbildung vermittelnden Strahlen durch eine als mindestens zweifach geöffnete Abbildungsaperturblende wirkende Strahlführung (6, ky) mindestens zwei Teilbündel an der Bilderzeugung beteiligt werden, deren jeweilige Hauptstrahlenlagen bzw. -richtungen vorzugsweise so zueinander orientiert sind, daß die Kichtungsbeziehungen dieser Hauptstrahlen den,durch das optische Bauelement (8, k?) vernachlässigbarer Lichtabsorption, festgelegten Richtungen entsprechen und daß dabei die Strahlführung durch Strahlenvernichter oder -umlenker so ausgebildet ist, daß Abbildungsaperturbereiche, die die Beleuchtungsaperturbereiche fortsetzen, von der Mitwirkung bei der Bilderzeugung ausgeschlossen bleiben und daß die Raumwinkelbereiche der zur Abbildung beitragenden Teilbündel vorzugsweise zueinander kongruent sind.

   9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei geometrischer Trennung das Bauelement vernachlässigbarer Lichtabeorption

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   welches die Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei unterschiedlichen, miteinander verknüpften WeIlenfronten festlegt, mindestens zwei Teilflächen aufweist, deren Strukturen so gegeneinander verschoben sind, daß die gewünschten Phasenlagen der ortsperiod-i sehen Lichtmodulationskennzeichen entstehen und daß diesen Teilflächen geometrisch voneinander getrennte, die Lichtflüsso durch diese TeiIflachen Fotoempfängern zuordnende optische Bauelemente {h'-j) vorhanden sind.

   10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 'j , dadurch gekennzeichnet, daß bei teils geometrischer und teils physikalischer Trennung im Kaum kH hinter der Abbildungsaperturebene und vor dor Bildebene parallel zur Bildebene ein Fhasetigi. tter ('+?*) oder WoI laston-l'risma angeordnet ist, welches sowohl das Bi Id in mindestens zwei in der gleichen Ebene liegende Teilbilder zerlegt als auch hinter der Bildebene entworfene Bilder der Öffnungen der Aperturblendenebene so aufspaltet, daß jedem der zum Objekt konjugiert liegenden Teilbilder in der Bildebene mindestens zwei BilcLer der Öffnungen der Aperturblendenebene durch die sie verbindenden Lichtflüsse zugeordnet sind.

   11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei physikalischer Strahlenteilung Licht orthogonaler Schwingungskomponenten der Lichtpolarisation oder verschiedener Lichtfrequenzen auf dem Wege der die Abbildung vermittelnden Teilbündel zwischen der Meßebene des Objektes (i) und der dazu konjugierten Bildebene zwischen den Teilbündeln der Abbildung unterschiedliche Gangunterschiede bzw. Phasenverschiebungen erleidet, die vorzugsweise 77 betragen, die dadurch verursacht werden, daß in Teilbündeln der Abbildung unterschiedliche beeinflussende

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   Bauelemente (21 ), wie Wollaston-Prismen, Savartplatten, Glimmerplatten, totalreflektierende phasenschiebende Flächen oder Dispersionsprismen oder dispergierende Platten, angeordnet sind, und daß nach Durchlaufen des objektabbildenden Abschnittes der optischen Anordnung die Lichtflüsse nach Polarisationsrichtung oder Lichtfrequenz durch physikalische Teiler (22) zerlegt und zugeordneten fotoelektrischen Empfängern (12) zugeleitet werden.

   12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch £ 1, dadurch gekennzeichnet, daü das zwischen mindestens drei Wellenfronten scharf definierte Winkelbeziehungen vermittelnde optische Bauelement ein elektroakustischer Lichtmodulator ist, der aus zwei räumlich gegeneinander orientierten, vorzugsweise mit unterschiedlichen Frequenzen abstrahlenden Schallerregern (31 '» 31") mit dazwischen befindlichem anzuregenden optischen Medium (32) besteht.

   13· Fotoelektrischer Schrittgeber zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur zweikoordinatigen Messung von Objektverschiebungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (1) mittels einer einen Parallelstrahlengang aufweisenden Optik (4, 7) getrennt auf zwei in ihrer Teilungsrichtung parallel zu den Meßkoordinatenrichtungen angeordnete Lineargitter (8) abgebildet wird, daß im ParalIe!strahlengang ein Ortsfrequenzfilter angeordnet ist, welches für jede Koordinatenrichtung das am Meßobjekt durch Beugung entstandene Licht der 0. und -I.Ordnung ausfiltert und gleichzeitig zwischen zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen im ausgefilterten Licht eine optische Wegdifferenz von τ- erzeugt, daß zur Trennung der jeder Koordinatenrichtung

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   zugeordneten Strahlengänge im Ortsfrequenzfilter lichtablenkende optische Bauelemente vorgesehen sind und daß das Meßlicht für jede Koordinate getrennt durch polarisierende Teiler aufgespalten entsprechend seiner Phasendifferenz sechs den 0. und -1.ßeugungsordnungen zugeordneten fotoelektrischen Empfängern zugeführt wird.

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