DE2237564C3

DE2237564C3 - Verfahren zur berührungslosen optischen Messung von Bewegungsgrößen, wie Geschwindigkeiten und Verschiebestrecken und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2237564C3
Application number: DE2237564A
Authority: DE
Inventors: Knut Dipl.-Ing. Heitmann; Fromund Prof. Dipl.-Phys. Dr. Hock; Dietmar 6336 Solms Kaul
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1972-07-31
Filing date: 1972-07-31
Publication date: 1981-02-05
Also published as: DE2237564A1; US3904295A; FR2194951A1; IT1004539B; DE2237564B2; FR2194951B1; GB1431788A; CH601798A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen optischen Messung von Bewegungsgrößen, wie Geschwindigkeit und Verschiebestrecke eines relativ zu einem Meßkopf beweglichen lichtbeugenden oder -streuenden Objekts ohne systematische, die Lichtphase oder -amplitude beeinflussende Strukturen auf dem durch eine Abbildungsoptik des Meßkopfes erfaßten Oberflächenbereich in bezug auf mindestens eine räumliche Koordinate, wobei der Oberflächenbereich und ein zum Meßkopf gehörendes optisches Bauelement, welches scharf definierte Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei unterschiedlichen, miteinander verknüpften Wellenfronten vermittelt, im Abbildungsstrahlengang zueinander konjugiert liegen und bei dem die bei Bewegung entstehenden Lichtmodulationen durch mindestens einen fotoelektrischen Wandler in elektrische Signale umgesetzt werden, die eine der Bewegung proportionale Frequenz aufweisen.

Aus der DE-OS 20 03 492 ist ein MeBverfahren dieser Art bekannt, das jedoch auf regelmäßig geteilte Maßverkörperungen als Objekt beschränkt ist Das an einem Strichgitter in die ± 1. Beugung-Ordnung gebeugte Licht wurd z.B. an einem Phascsyritter wieder vereinigt Durch Beugung λλ diesem Gitter entstehen mindestens drei in unterschiedliche Winkel gebeugte Wellenfronten mit unterschiedlichen Lichtmoduiationen, die von der Bewegung der Maßverkörperung abhängen und durch fotoelektrische Empfänger nachgewiesen werden. Durch geeignete Ausnutzung gegenphasiger Signale erhält man ein günstiges Signal-Rauschverhältnis für die Signalauswertung durch Unterdrückung unmodulierter Gleichlichtanteile. Durch Anwendung polarisationsoptischer Mittel lassen sich zusätzliche phasenverschobene Signale ableiten, die auch eine Richtungserkennung für die Objektbewegung ermöglichen.

Zur Bestimmung der Relativkoordinaten von Objektpunkten nach zwei Koordinaten ist aus der CH-PS 4 23 278 eine Einrichtung bekannt, bei der zwei mit dem Meßobjekt starr verbundende, 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

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

Bei derartigen, z. B. in Optics Technology (Nov. 1969), p. 264/265, beschriebenen Einrichtungen, die nach mit zeitlich kohärentem Licht (Laserlicht) arbeitenden Dopplereffekt-Geschwindigkeitsmeßverfahren arbeiten, erzeugen die MePobjekte eine zu den Geschwindigkeitskomponenten in Richtung des Beleuchtungslichtes und zu den Geschwindigkeitskomponenten in Richtung des Signallichtflusses proportionale Frequenzverschiebung, aus der der Betrag der Geschwindigkeitskomponente durch Überlagerung von zwei Strahlen mit Hilfe von teildurchlässig-n Spiegeln (Meßstrahl und Referenzstrahl oder von zwei Meßstrahlen unterschiedlicher Frequenzverschiebung) und daraus unter Berücksichtigung der Winkelbeziehungen zwischen Gcscfiwindigkeitsvektor und Strahlrichtungen der Meßwert gewonnen werden.

In anderen, z. B. au., Her DF.-AS 16 23 912 bekannten, derartigen Einrichtungen zur Erzeugung von der Verschiebung eines Objekts proportionalen Signalfolgen sind eine kohärente monochromatische Lichtquelle

und ein von dieser beleuchtetes, mit dem beweglichen Objekt verbundenes lineares Raster 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.

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.

Schließlich sind aus JOSA (1963), p. 14 - 16, Verfahren bekannt, bei denen die Ortsfrequenzen von Strukturverteilungen eines stochastischen bewegten Objekts mit einem linearen Amplitudengitter durch die Abbildung der Objektoberfiäche auf das Amplitudengitter korrelieren, indem das durch die Gitterfläche hindurchgetretene Licht auf einem fotoelektrischen Empfänger vereinigt und in ein Signal umgesetzt wird, das eine der Objektgeschwindigkeit proportionale Frequenzkomponente 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 nach DE-AS 15 64 450 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 Störsienalanteil. der durch Ortsfreauenzen des Objekts bedingt ist, 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 ein^pn guten Nutzsignalanteil mit einer entsprechend großen Streifenzahl zu erreichen. Die bekannten Verfahren eignen sich nicht zur Erweiterung auf zweidimensionale Messungen. Auch die Kennzeichnung der Bewegungsrichtung durch die Signale aus einem einzigen Meßfeld ist nicht gegeben.

Es ist ferner aus der GB-PS 12 49 302 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 Richtungskenming der Messung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aus der Gittergebertechnik bekannte Signalauswertung hinsichtlich Gegentaktsignalgewinnung und Richtungserkennung auch für stochastische Meßobjekte zu erschließen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4. Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 5 und vorteilhafte ) Ausgestaltungen dazu sind in den Ansprüchen 6 bis 11 beschrieben.

Ausführungsbeispiele zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachfolgend dargestellt und beschrieben. Es zeigen schematisch

in Fig. I eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Einkourdinatenmessung,

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

Fig. 3 die Verwendung einer Ultraschallwelle als

r> Korrelationsgitter,

Fig.4 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ohne Korrelationsgitter,

Fig. 5 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mil einer ieiiverspiegeiien Fiaiie als

:ii strahlenvereinigendem Element,

F i g. 6 eine Einrichtung zur Zweikoordinatenmessung mit zwei getrennten Lineargittern.

In Fig. 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 4 beleuchtet. Das Objekt; ■ 4 sortiert das vom Objekt reflektierte Licht entsprechend seinen unterschiedlichen Streuwinkeln in

in seiner Brennebene, in welcher eine Aperturblende 6 angeordnet ist, so daß jedem Oi t auf der Brennfläche eine Richtung im Objektraum zugeordnet ist. Eine Draufsicht auf die Aperturblende 6 zeigt Fig. la. Die die Aperturblende 6 durchdringenden zwei Teilstrahlen-

j-, bündel mit Querschnitten, die Kreiszweiecken entsprechen, entwerfen durch ein Objektiv 7 in der Ebene eines als Phasengitter ausgebildeten Korrelationsgitters 8 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 hält damit nicht am Objekt moduliertes Licht zurück. Durch den Wegfall des kohärenten Untergrundes im Bild wird die

a -, Ortsfrequenz im Bild gegenüber der Ortsfrequenz des durch die Blendenlage bevorzugten Ortsfrequenzbereiches der Objektoberfiäche verdoppelt. Der Spiegel 5 legt den Beleuchtungsapertur-Raumwinkel fest. Die beste Ausnutzung rotationssymmetrischer optischer Systeme wird durch die Ausbildung der als Beleuchtungsaperturblende wirkenden Spiegelfläche als Xreiszweieck erreicht. Die in Fig. la als Kreisfläche dargestellte hintere Brennebene des Objektivs 4, die dem korrigierten Aperturbereich mit dem Durchmesser 2/4 der Objektive 4 und 7 entspricht, wird durch drei deckungsgleiche Kreiszweiecke optisch aufgeteilt

Die Anordnung der Blende 6 und ihre Gestaltung ist so gewählt, 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 Teilbilder 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 Differenz-

verstärkern 15,16 verbunden.

Daß im vorliegenden Falle zwei Objektive 4, 7 verwendet sind, hat seinen Grund darin, daß der Beleuchtungswinkel am Objekt 1 ausgefiltert und die Anpassung der Abbildung der Meßfläche des Objekts 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 4 mit der vorderen Brennebene des Objektivs 7 zusammen (Ebene der Aperturblende 6). Die Meßebene ist angenähert durch die vordere Brennebene des Objektivs 4 bestimmt, während die hintere r, Brennebene 10 des Objektivs 7 in der Gitterebene liegt.

Wegen der Verlustfreiheit der Phasengittermodulation und der dadurch gegebenen Konstanz des gesamten Licntfiusses 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'-Phasenverschiebun-

4 3n

gen d„.· Lichtwcllen erzeugen (aus Symmetriegründen je eine '-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, angeord-

net, das zueinander senkrecht polarisierte Strahlanteile in Teilstrahlengruppen mit einem Modulationsphasenunterschied von i* aufspaltet. Die aus je einer dieser

senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlengruppen gewonnenen Gegentaktsignale haben dann ebenfalls eine die Bewegungsrichtung charakterisierende, von η π verschiedene Phasendifferenz zueinander.

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 WoI-laston-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 4 und 7 ein Paar von Schiebelinsen sein, deren Summenbrechkraft Null beträgt, oder ein DoppeldrehkeiL Unter Stahlumlenkung wäre die Verwendung eines Drehspiegels möglich. Auch eine planparallele bzw. Schwenkplatte in Objekt- gs oder Gitternähe könnte diese Aufgabe übernehmen.

Da das Korrelationsgitter 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 I : 2 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 Koordinaten beugendes (Linien-, Kreuzlinien- oder Schachbrett-)Phasengitter ausgebildet sein, zu dessen Beugungswinkeln passend die Abstände der Zentren der ortsfrequenzfilternden Aperturblendenöffnungen gewählt werden müssen.

Der Abbildungsmaßstab zwischen statistischer Objektoberfläche und Korrelationsgitter bestimmt den Skalenfaktor zwischen ausgefilterter Ortsfrequenz des Objekts und Ortsfrequenz des Korrelationsgitters.

Wirkt die Objektfläche, die mit dem Gitter korreliert wird, nicht zu stark depolarisierend (Metallflächen 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 polarisationsneutralen 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 Objekts mit dem Licht der beiden ± 1. Beugungsordnungen eines laufenden Gitters, nachdem diese Strahlanteile zueinander linear oder zirkulär komplementär polarisiert und dann wieder in die gleiche Richtung vereinigt wurde. 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 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 Ortsfrequenzfilterung die Erzeugung von Gegentaktsignalen. Läßt man daher unter Beibehaltung der eingeschränkten Beleuchtungsapertur die Ortsfrequenzfilterung fort und arbeitet mit Objektiven zur Abbildung der Objektoberfläche, die, bezogen aui' die Ortsfrequenz des Korrelationsgitters, große Aperturen haben, so werden Phasenstrukturen des Objekt* Gegentaktsignale erzeugen, während Amplitudenstrukturen des Objekts, da mit Gleichtaktmodulationen verbunden, unterdrückt werden.

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

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren der jeweils in vier Oruppen 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 12' gewinnt man Richtungsinformationen über die Bewegung des Objekts 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 Schalige-, schwindigkeit steuerbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel dafür ist in F i g. 3 schematisch dargestellt. Ein Ultraschallgeber 31 ist an eine in

i~ruppicrinicri6rü!iicu~i€, uci WciCiicif uic äugciä5t6t£ Fläche klein bleiben muß, steigt bei dem hier angewendeten Verfahren die Wahrscheinlichkeit, bei einer statistisch beugenden und streuenden Objektoberfläche über das notwendige Signal-Rauschverhältnis zu gelangen mit der Größe der korrelierten Flächen.

Die Geschwindigkeitsauswertung der Signale kann sich z. B. an die in der DE-OS 21 27 483 vorgeschlagenen Verfahren anschließen.

In F i e. 2 ist ein Durchlichtobjekt 1 dargestellt, dessen Verschiebung in zwei Koordinatenrichtungen x, y gemessen werden soll. Eine Lampe 2 beleuchtet über einen Kondensor 3 und einen Kollimator 4 das Objekt 1 von unten. Zwischen Kondensor 3 und Kollimator 4 ist in der vorderen Brennebene des Kollinators 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.

F i g. 2a zeigt eine Draufsicht auf diese Aperturblende, deren achsennaher Berciih 6e auf den die Beleuchtup.gsblende 3' abgebildet ist, opak ausgebildet ist Zum Mittelpunkt symmetrisch liegen vier quadratische Durchlaßbereiche 6a—Gd, 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 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 I der Gitterkonstanten entsprechen. Mittels eines ^M

nachgeschalteten 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, \T jeweils aus neun im Quadrat angeordneten fotoelektrischen Empfängern, welche

CIIICIH VJiaagbiau ^j ι.ιΐιιιαιιν.ΐιν. ι luaatgrvwi -j·, unujiij^ii

angekoppelt und wird von einem Generator 40 gespeist. Das Glasgefäß 33 ist so ausgebildet und gelagert, daß es im vom Objektiv 7 (Fig. 1) herkommenden Strahlengang 36 liegt. Die laufenden Ultraschallwellen 35 treffen auf einen reflexionsfreien Absorber 34 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 (Fourier-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 Moir6-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 Beugungsordnungen dieses Licht mit vorgegebenen Sollmustern gewinnen.

Wie in Fig.3a dargestellt ist es abweichend vom soeben Beschriebenen möglich, die Wirkungsweise einer solchen Ultraschallwellen als Phasengitter erzeugenden Einrichtung dadurch zu verbessern, daß die Flüssigkeitssäule oder der an ihrer Stelle vorgesehene Festkörper gleichzeitig von zwei Ultraschallerregern 3Γ, 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 F i g. 3 Beschriebenen alle Schallener-

gie zum Aufbau des Gitters verwendet.

Gemäß Fig.4 beleuchtet eine Laser-Lichtquelle 41 ^:jber einen Kondensor 42 ein statistisches Durchlichtobjekc 43. Sowohl an diesem Objekt gebeugtes als auch ungebeugtes Licht wird von einem optischen System 44 auf eine Füterblende 45 abgebildet. Diese Blende ist so ausgeführt, daß sie den direkten, zentralen, unmodulierten Anteil des Beleuchtungslichtes sowie durch den Stopper 45a solches an Objektstrukturen gebeugtes Licht ausblendet, deren Ortsfrequenzen von der zu korrelierenden Ortsfrequenz nach oben oder unten um mehr als eine halbe Oktave abweichen. Das Licht von von der Füterblende 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

UntCrSCiiiCuiiCiiCn ■ CiiWCiiCrii rOniCn OHgCpSuL. ν ΟΓ uCrn

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 Objektivpupillenteilbildern eine Phasenverschiebung ungleich mt(n ganze Zahl) aufweisen. Die in Strahlrichtung hinter dem Wollaston-Prisma 47 in eine gemeinsame Richtung vereinigten Strahlkomponenten mit orthogonalen Polarisationsrichtungen werden an einem zu den Hauptschwingungsrichtungen des Wollaston-Prismas 47 unter 45° orientierten polarisierend3n Strahlenteiler 48 zur Interferenz gebracht und über sammelnde Optiken 49 vier fotoelektrischen Empfängern 50, 50', 51, 5Γ so zugeführt, daß die Ausgangssignale zusammengehöriger Empfänger (50, 50') und (51, 51') jeweils eine Phasenverschiebung ungleich π η aufweisen. Die fotoelektrischen Empfängerpaare 51, 5Γ bzw. 50, 50' sind in ihrer Lage der Aufspaltrichtung des Gitters 47' 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 43 senkrecht zur optischen Achse parallel zur Zeichenebene, so werden die beiden obenerwähnten Beugungsordnungen (»Kanäle«) bei Durchlaufen einer Ortsfrequenzperiode der zu korrelierenden Ortsfrequenzkomponente der Objektstruktur abwechselnd gerade je einmal mit Licht beaufschlagt Das Auftreten dieses Wechsclsignals ist somit charakteristisch für das Vorliegen der zu korrelierenden Ortsfrequenzkomponente und seine Zeitfrequenz für deren Hewegungsgeschwindigkeit. Die optischen Bauelemente 44—47 sowie deren Anordnung diäses ersichtlich dazu, dieses Wechselsignal optisch von störenden Anteilen abweichender Frequenz zr be/reisn. 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 Objekts variieren.

Die in F i g. 5 dargestellte Einrichtung hat die gleiche Funktion wie jene der F i g. 4, und gleiche Bezugszeichen weisen auf analoge Bauelemente hin. Zur Si'ahlvereinigung (Bauelemente 47, 48 der Fig.4) ist hier eine einzige teilverspiegelte Platte 47" vorgesehen.

In Fig. 6 ist eine weitere Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei der ein Objekt 1 durch eine Lichtquelle 2 über einen

Das Objekt 1 ist in zwei Koordinatenrichtungen x, y verschieblich. Mittels der Optiken 4, 7 wird es getrennt auf zwei Lineargitter 8, 8' abgebildet Die Teilungsrichtung des Gitters 8 ist parallel einer x-Verschiebung, die Teilungsrichtung des Gitters 8' parallel einer y-Verschiebung orientiei t. Zwischen den Optiken 4 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 ^ 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 fotoelektrische Empfänger leiten, die in Gruppen 12 bzw. 12' angeordnet sind. Je drei Empfänger sind der —1.0. und +1. ausgefilterten Beugungsordnung zugeordnet Die Signalphasen sind durch die trigonometrischen Funktionssymbole der Verschiebestrecken symbolisiert

Natürlich lassen sich aus den primären Bewegp'ngs-Meßgrößen weitere ableiten, z. B. aus der Umfangsgeschwindigkeit u eines Objekts, von dem zumindest Teilflächen der Peripherie im Tiefenschärfenbereich der abbildenden Optik liegen, bei Kenntnis seiner Drehzahl

ω der Umfangsradius r = —■.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur berührungslosen optischen Messung von Bewegungsgrößen, wie Geschwindigkeit und Verschiebestrecke eines relativ zu einem Meßkopf beweglichen lichtbeugenden oder -streuenden Objektes ohne systematische, die Lichtphase oder -amplitude beeinflussende Strukturen auf dem durch eine Abbildungsoptik des Meßkopfes erfaßten Oberflächenbereich in bezug auf mindestens eine räumliche Koordinate, wobei der Oberflächenbereich und ein zum Meßkopf gehörendes optisches Bauelement, welches scharf definierte Winkelbeziehungen zwischen mindestens drei unterschiedlichen, miteinander verknüpften Wellenfronten vermittelt, im Abbildungsstrahlengang zueinander konjugiert liegen und bei dem die bei Bewegung entstehenden Lichtmodulationen durch mindestens einen -fotoelektrisch«- Wandler in elektrische Signale umgesetzt werden, die eine der Bewegung proportionale Frequenz aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der erfaßte Oberflächenbereich des Objekts mit Hilfe von mindestens zwei in unterschiedliche Raumwinkelbereiche gebeugten oder gestreuten und durch die Bewegung des Objekts unterschiedlich phasenverschobenen Lichtstrahlenbündeln auf mindestens ein vernachlässigbare Lichtabsorption aufweisendes optisches Bauelement abgebildet wird, daß

b) das optische Bauelement aus den genannten LichtstrahlenbünÖeln mindestens drei Strahlenbündel mit gegeneinander geneigten Wellenfronten erzeugt, die jt veils Anteile der Lichtflüsse der in unterschiedliche Raumwinkelbereiche gebeugten oder gestreuten Lichtstrahlenbündel enthalten, daß

c) die Lichtflüsse der Strahlenbündel mit gegeneinander geneigten Wellenfronten getrennt in elektrische, bei einer Bewegung des Objekts sich sinusförmig ändernde Signale umgesetzt werden, deren Signalperiode einer Verschiebung des Objekts um eine halbe Periode der das Licht in die genannten Raumwinkelbereiche beugenden oder streuenden Strukturen des Objekts entspricht, und daß

d) die so erzeugten elektrischen Signale als direkte oder auf einen Träger aufmodulierte Signale ausgewertet werden. %

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Objektbewegung hervorgerufenen jeweils gleichphasig modulierten elektrischen Signale je Meßkoordinate gruppenweise zusammengefaßt und dann die gegenphasig modulierten Signal-Gruppen so weiterverarbeitet werden, daß die unmodulierten oder gleichmodulierten Signalanteile in den Signal-Gruppen unterdrückt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Richtungsinformationen über die Objektbewegung für jede Meßkoordinate mindestens zwei gegeneinander eine Phasenverschiebung von φ Φ π, vorzugsweise ■' aufweisende elektrische Signale erzeugt werden, ^M

indem aus den objektabbildenden Strahlenbündeln mindestens zwei unterscheidbare Teillichtflüsse gebildet werden, die bei geometrischer Strahlenteilung unterschiedliche Oberflächenbereiche und bei physikalischer Strahlenteilung den gesamten erfaßten Oberflächenbereich des Objekts abbilden und entweder gleichzeitig in getrennten oder zeitlich nacheinander in denselben fotoelektrischen Empfängern in elektrische Signale umgesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung von Richtungsinformationen über die Objektbewegung mindestens zwei elektrische, auf einen Träger aufmodulierte Signale erzeugt werden, deren Schwebungsperiodenverhältnis bzw. gegenseitige Phasenlage die Richtungsinformation enthalten, wobei nui eines der Meßsignale aus Lichtflüssen gewonnen wird, die alle Stufen der optischen Anordnung durchlaufen haben, während das Referenzsignal, das mehreren Meßkoordinaten gemeinsam sein kann, aus Liditflußanteilen im Strahlengang vor dem optischen Bauelement oder aus dem optischen Bauelement zugeordneten elektrischen Modulationssignalen abgeleitet wird.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch !,gekennzeichnet durch

a) eine Blende (6, 45, 65) zur Begrenzung von mindestens zwei am Objekt in unterschiedliche Raumwinkeibereiche gebeugten oder gestreuten und durch die Bewegung des Objekts unterschiedlich phasenverschobenen Lichtstrahlenbündeln,

b) eine Abbildungsoptik (7, 46) zur Erzeugung eines Bildes des Objekts aus den durch die Blende hindurchtretenden Lichtstrahlenbündeln auf mindestens einem vernachlässigbare Lichtabsorption aufweisenden optischen Bauelement (8, 8', 47, 47'), das daraus mindestens drei Strahlenbündel mit gegeneinander geneigten Wellenfronten erzeugt,

c) ein fotoelektrisches Empfär-gersystem (11, 12; 50, 51) zur Erzeugung je eines elektrischen Signals aus den durch das optische Bauelement erzeugten Lichtflüssen und

d) eine Auswerteschaltung (15,16; 52,53), weiche aus den Ausgangssignalen des fotoelektrischen Empfängersystems ein der Meßgrößen proportionales Signal bildet, das einer nachgeschalteten Anzeigevorrichtung zugeführt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (2,41) zur Objektbeleuchtung mit Licht, für dessen Spektrum l_mjx_mlr größer als 0,5 gilt, und durch ein Phasengitter (8, 47') als optisches Bauelement mit vernachlässigbarer Lichtabsorption, welches vorzugsweise derart ausgebildet ist, daß ungebeugt durchgehendes oder am Objekt regulär reflektiertes Licht in dem Wellenlängenbereich, auf den die fotoelektrischen Empfänger (11, 12) 50,51) ansprechen, unterdrückt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (41) zur zumindest zeitlich kohärenten Objektbeleuchtung sowie eine doppelbrechende Prismen- (47) öder Linsenkömbination oder dielektrische Schichtpakete als optisches Bauelement mit vernachlässigbarer Lichtabsorption.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei teils geometrischer und teils physikalischer Trennung im Raum hinter

der Abbildungsaperturebene und vor der Bildebene ein Phasengitter (47') oder Wollaston-Prisma (47) angeordnet ist, welches sowohl mindestens zwei in der gleichen Ebene liegende Teilbilder des Objekts erzeugt, als auch hinter dieser Bildebene getrennte Bilder der Aperturblende so entwirft, daß jedem der Objektteilbilder mindestens zwei Bilder der Aperturblende (6, 45, 65) durch die sie verbindenden Lichtflüsse rugeordnet sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 in zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei physikalischer Strahlenteilung orthogonal polarisierte Schwingungskomponenten des Lichtes oder Lichtkomponenten mit verschiedenen Frequenzen auf dem Wege der die Abbildung vermittelnden Teilbündel zwischen Meßebene des Objekts (1) und der durch die Abbildungsoptik dazu konjugierten Bildebene unterschiedliche Gangunterschiede bzw. Phasenverschiebungen erleiden, die vorzugsweise -i betragen

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

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauelement mit vernachlässigbarer Lichtabsorption ein js elektroakustischer Lichtmodulator (31 —31) ist, der aus zwei gegeneinander orientierten, vorzugsweise mit unterschiedlichen Frequenzen abstrahlenden Schallerregern (3Γ, 31") mit einem dazwischen befindlichsn, das Licht an den Schallwellen beugenden Medium (32) besteht F i g. 3 und 3a).

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurc'i gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (1) mittels einer einen Parallelstrahlengang aufweisenden Optik (4, 7) getrennt auf zwei mit ihrer Teiluiigsnchtung parallel zu den wleßkoordinatenrichtungen angeordnete Lineargitter (8, 8') abgebildet wird, daß im Parallelstrahlengang ein Ortsfrequenzfilter (65) angeordnet ist, welches für jede Koordinatenrichtung Jas am Meßobjekt durch Beugung entstandene Licht der 0. und ± 1. Ordnung ausfiltert und gleichzeitig zwischen zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen im ausgefilterten Licht

eine optische Wegdifferenz von - erzeugt, daß zur

Trennung der jeder Koordinatenrichtung zugeord neten Strahlengänge im Ortsfrequenzfilter lichtablenkende optische Bauelemente vorgesehen sind und daß das Meßlicht für jede Koordinate getrennt durch polarisierende Teiler (20) aufgespalten ent- _b0 sprechend seiner Phasendifferenz sechs den G. und ±1. Beugungsordnungen zugeordneten fotoelektrischen Empfängern (12,12') zugeführt wird (F i g. 6).