DE2241443A1

DE2241443A1 - Verfahren zum automatischen fotoelektrischen einfang von lokalen aenderungen optisch wirksamer objektstrukturen sowie einrichtungen zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE2241443A1
Application number: DE2241443A
Authority: DE
Inventors: Fromund Dipl Phys Hock
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1972-08-23
Filing date: 1972-08-23
Publication date: 1974-03-07
Also published as: US3833302A; FR2197156A1; JPS4965844A; FR2197156B3

Description

ERNST LEITZ GiMIBH

224H43

UnterZeidwn: A 1877/B 27^7 633 Wetzlar,den, 11. Aug. 1972

Pat Se/Pe

Verfahren zum automatischen fotoe^ektrischen Einfang von lokalen Änderungen optisch wirksamer Objektstrukturen sowie Einrichtungen zu seiner Durchführung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen fotoelektrischen Einfang von lokalen Änderungen optisch wirksamer Objektstrukturen, z.B. von Marken oder Schlierenobjekten, nach einer oder zwei Koordinatenrichtungen sowie Einrichtungen zu seiner Durchführung.

Es ist bereits eine fotoemetrische Vorrichtung zum Ausrichten beispielsweise eines Zielfernrohres auf ein selbstleuchtendes oder angestrahltes Objekt nach zwei Koordinaten (DBGM 1 792 220) bekannt, bei der gleichzeitig zwei Vergleiche je zweier einander zugeordneter, getrennt vorliegender Lichtströme durchgeführt werden und bei der die Lichtströme durch periodische Belichtung eines gemeinsamen fotoelektrischen Empfängers in analoge elektrische Signale umgeformt werden. Mit dieser VonLchtung wird eine geometrisch-optische Teilung des Objektbildes vollführt. Der zeitliche Verlauf der bei der wechselweisen Beaufschlagung des Empfängers entstehenden Signale ist durch die geometrische Form der lichtumschaltenden Teilote bedingt. Die Auswertung verläuft über einen Amplitudenvergleich der beiden Teillichtströme.

Auch ist eine Feinmeßanordnung (DT-OS 2 017 ^00) bekannt, bei der ein Lichtfleck zur Erfassung oder zur Verfolgung der die zu messenden Abstände begrenzenden Kanten neben einer als Grundlage der Messung dienenden Relativbewegung

409810/0605 _ ₂ -

-Z-

A 1877/B 27^7. Patentabteilung ^* °· '972

in Bezug auf das Meßobjekt noch eine Wobbeibewegung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit durchführt. Das wird erreicht durch eine beispielsweise als elektrooptischer Lientablenker ausgebildete Anordnung, die den Meßstrahl periodisch ohne ein Durchlaufen von Zwischenlagen abwechselnd auf zwei oder mehrere benachbarte diskrete Punkte des Meßobjekts riohtet und durch mindestens ein das vom Meßobjekt durchgelassene und/oder reflektierte Licht in elektrische Signale umwandelndes lichtempfindliches Element.

Nachteilig bei diesen Vorrichtungen ist der Aufwand, der hinsichtlich optischer Schalter, Strahlen trennender sowie Strahlen beeinflussender optischer Bauteile getrieben werden muß.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbau einer schnell arbeitenden Zieleinrichtung hoher örtlicher Auflösung anzugeben, bei dem elektrooptisohe Modulatoren und deren Treibergeneratoren eingespart werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Lichtstrahlenbündel mit rotierender Polarisationsebene erzeugt wird, welches in zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisende Komponenten aufgespalten wird, deren Intensitäten sich demzufolge paarweise periodisch zueinander im Gegentakt ändern, daß diese Komponenten gleichzeitig sowohl auf das Meßobjekt als auch auf mindestens eine fotoelektrisohe Referenzempfängerstufe geleitet werden, daß diese Komponenten teilweise sowohl vor als auch nach Beeinflussung durch die einzufangende Objektstruktur in elektrische Referenz- bzw. Meßsignale umgesetzt werden, daß diese Meßsignale bezüglich

409810/0605 _₃.

A.1877/B 27^7 11. 8. 1972

der Referenzsignale phasenempfindlich gleichgerichtet werden und daß mittels der sich, nach der Gleichrichtung ergebenden Signale das aus der Quelle austretende Lichtstrahlenbündel über mindestens ein im Strahlengang liegendes, optisch ablenkendes Mittel so lange verschoben wird, bis die gewünschte Objektstruktur eingefangen ist.

Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zeichnen sich durch die in den Ansprüchen 2 bis 6 dargelegten Kennzeichen aus.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigens

Fig. 1 eine Einrichtung zum ■ Kanteneinfang nach einer Koordinatenrichtung,

Fig. 2 eine Einrichtung zum. Kanteneinfang nach zwei Koordinatenrichtungen,

Fig. 3 eine Einrichtung mit Zweimoden-TEM. -Laser.

In Fig. 1 ist ein Laser 1 dargestellt, dessen Strahl eine rotierende Polarisationsebene aufweist und einen Strahlaufweiter 3» ^ durchläuft. Die Rotationsfrequenz der Polarisationsebene ist durch den Betrag der Feldstärke einer magnetischen Einrichtung 2 bestimmt. Anschließend an den Strahlaufweiter 3> ^ durchläuft der Laserstrahl eine Schiebelinse 5 zur Neigung seiner-Achse. Sodann wird er durch ein zur Wahl der Meßrichtung drehbares Yollastonprisma 6. in zwei Komponenten mit orthogonalen Polarisationsrichtungen .aufgespalten,, Nach Durchlaufen eines geometrischen Strahlenteilers 7 und eines MikrοObjektivs 9 erzeugen diese Komponenten auf dem als Maskenplatte ausgebildeten Durchlichtobjekt 8 zwei Abtastpunkte, welche infolge der Rotation der Polarisationsebene des Laserstrahles ab-

A 0 98 1 0/0605 ·.-.*.:■-■■■

A Ί877/Β 2747 11. 8. 1972

wechselnd aufleuchten. Der von den Maskenstrukturen des Objekts 8 durchgelassene Lichtanteil wird.an einem Hilfsspiegel 23 reflektiert und gelangt nochmals durch Objekt 8, Mikroobjektiv 9 und Strahlenteiler 7 über eine sammelnde Optik 10 auf einen fotoelektrischen Empfänger 11. Der Teiler 7 spaltet außerdem aus den vom Laser 1 her kommenden Strahlen einen Referenzanteil ab, welcher über eine sammelnde Optik 12 und eine polarisierende Kalkspat-Teilerplatte 13 zur Komponententrennung auf zwei fotoelektrische Empfänger 14, 15 gelangt. Bei der Wahl der Meßrichtung soll die Teilerplatte 13 zum Wollastonprisma 6 synchron gedreht werden. Die Ausgangssignale der fotoelektrisohen Empfänger Ik, 15 gelangen über einen Differenzverstärker 16, diejenigen des Empfängers 11 über einen Verstärker 17 auf einen phasenempfxndlichen Gleichrichter 18, dessen Ausgangssignale in bekannter Weise einer Zielanzeige 19» einem Servoverstärker 20, einer Meßanzeige 21 und einem Antrieb 22 für die Schiebelinse 5 zugeführt werden.

Liegen nun im Bereich der Aufspaltungsstrecke der Abtastpunkte Objektstrukturen, welche für die beiden Strahlkomponenten verschiedene Transmission bewirken, so entstehen im Empfänger 11 Dxskrxminatorsxgnale, deren weitere Verarbeitung in Verbindung mit dem vom Verstärker 16 abgegebenen Referenzsignal in bekannter Weise vollzogen wirdο

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des soeben Beschriebenen zum Kanteneinfang nach zwei Koordinatenrichtungen. Dabei weisen gleiche Bezugszeichen auf einander entsprechende Bauelemente hin. Um nunmehr vier Abtastpunkte zu erhalten, ist außer dem Wollastonprisma 6 ein zweites, zum ersten vorzugsweise um 90 verdrehtes Wollastonprisma 6' vorgesehen. Dieses würde zunächst die beiden schon vorhandenen Abtastpunkte nur senkrecht zu ihrer Verbindungslinie verschieben und daher wieder nur zwei Strahlen ergeben. Um

409b10/0605

A Ί877/Β 2747 11 . 8. 1972

vier Abtastpunkte zu erhalten, müssen die beiden dem zweiten Prisma 6» angebotenen Strahlen jeder für sich schon zwei orthogonal polarisierte Komponenten aufweisen. Deshalb ist zwischen beide Prismen 6, 6^f noch eine 7- -Platte 24 gesetzt, welche die beiden linear polarisierten Strahlen nunmehr zirkulär polarisiert. Durch entsprechende Drehung dieser jr -Platte 24 kann ihre Wirkung aufgehoben werden. Dies ist beim Übergang vom zweikoordinatigen zum einkoordinatigen Einfang wesentlich. Von den vier Abtastpunkten leuchten immer abwechselnd zwei auf derselben Rechteckseite gelegene geimeinsam auf. Durch das Wollastonprisma 6^f wird die zirkuläre Polarisation wieder in lineare Polarisation umgesetzt. Nach Durchgang durch den Teiler 7» das Mikroobjektiv 9 und das Objekt 8 gelangen je zwei gleichpolarisierte Meßstrahlen auf je einen ihnen zugeordneten fotoelektrischen Empfänger 11, 11^!, deren Ausgangssignale über Verstärker I7» 17' auf den phasenempfindlichen Gleichrichter 18 gelangen. Das dazugehörige Referenzsignal zur Kennzeichnung der augenblicklichen Lage der Polarisationsebene erhält man entweder durch Abzweigung von Licht durch ein Neutralteilerprisma 7¹ oder durch Auswertung des den Laser 1 rückwärts durch das Fenster 25 verlassenden Strahles. Dabei werden die Lichtstrahlen mittels einer Kalkspatplatte 13 bzw. 6" und einer sammelnden Linse 12 bzw. 12¹ auf je zwei fotoelektrische Empfänger 14, 15 bzw. 14«,# 15« geleitet.

In Fig. 3 ist eine Variante des in Fig. 1 Dargestellten gezeigt. Sie dient zum Kanteneinfang nach einer Koordinatenrichtung und weist einen Zweimoden-TEM -Laser 1^f auf. Auch hier weisen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 auf Bauelemente hin, welche den dort beschriebenen entsprechen. Der Laser 1» ist mit einem Frequenzstabilisierungskreis 2" versehen, der die beiden Lasermoden auf gleicher

409810/060 5

A 1877/B 27^7 11. 8. 1972

224H43

Energie hält. Außerdem bewirkt ein quer angebrachter Permanentmagnet 2^f, daß die Polarisationswinkel der beiden Moden sich nicht ändern bzw. nicht umlaufen. Aus diesen beiden orthogonal linear polarisierten Komponenten werden mittels einer entsprechend orientierten jr -Platte 2k* zwei gegensinnig zirkuläre Komponenten erzeugt, die sich zu dem gewünschten Strahl mit rotierender Polarisation zusammensetzen. Das Referenzsignal wird hierbei durch eine unter dem Brewsterwinkel zum Laserstrahl und unter k5 zu den Modenpolarisationen orientierte Glasplatte 26 und einen Analysator 2hⁿ in Verbindung mit einem fotoelektrischen Empfänger 14 und Verstärker 16 erzeugt.

4098 10/06Ob

Claims

A T877/B 27^7 11. 8. 1972

224M43

Ansprüche

1. j Verf afar en zum automatischen iotoelektrischen Einfang von lokalen Änderungen optisch- wirksamer Objektstrukturen,

cder Schlierenobjekien

z.B. von Markenynach einer oder zwei Ko ordinat enrich tungen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Lichtstrahlenbündel mit rotierender Polarisationsebene erzeugt wird, daß '

b) dieses Bündel in zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen aufweisende Komponenten aufgespalten wird, daß

c) diese Komponenten gleichzeitig sowohl auf das Objekt als auch auf mindestens eine fotoelektrische Referenzempfängerstufe geleitet werden, daß

d) diese Komponenten teilweise sowohl vor als auch nach Beeinflussung durch die einzufangende Objektstruktur in elektrische Referenz- bzw. Meßsignale umgesetzt werden, daß

e) diese Meßsignale bezüglich der Referenzsignale phasenemp'findlich gleichgerichtet werden und daß

f) mittels der sich nach der Gleichrichtung ergebenden Signale das aus der Quelle austretende Lichtstrahlenbündel über mindestens ein im Strahlengang liegendes, optisch ablenkendes Mittel so lange verschoben wird, bis die gewünschte Objektstruktur eingefangen ist.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch zum automatischen Einfangen nach einer Koordinatenrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Lichtquelle verwendeten Laser (l) mit frequenzaufspaltender magnetischer Einrichtung (2) ein Strahlaufweiter (3» ^)> ein optisch

409Ö10/06U&

A 1877/B 27^7 11. 8. 1972

22AUA3

ablenkendes Mittel (5)» ein strahlaufspaltendes polarisierendes Bauteil (6), sowie ein Strahlenteiler (7) nachgeschaltet sind, wobei diesem Strahlenteiler (7) in Richtung auf das vor einem Hilfsepiegel (23) befindliche Objekt (8) ein Mikroobjektiv (9) folgt, seiner zweiten Austrittsfläche über eine sammelnde Optik (IO). ein fotoelektrischer Empfänger (11) mit nachgeschaltetem Verstärker (17), sowie seiner dritten Austrittsfläche über eine weitere sammelnde Optik (12) sowie einen polarisierenden Teiler (13) zwei fotoelektrische Empfanger (1k, I5) naohgeschaltet sind, deren Ausgänge an den Eingängen eines Differenzverstärkers (16) liegen und daß die Ausgänge der Verstärker (16, I7) mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter (18) verbunden sind, dem ein Anzeigeinstrument (19) naohgesehaltet ist, daß ferner dem phasenempfindlichen Gleichrichter (18) über einen Servoverstärker (20) ein weiteres Meßgerät (21), sowie die Antriebsstufe (22) für das optisch.ablenkende Mittel (5) nachgeschaltet ist.

3· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Referenzzweig anstelle der Bauelemente (13 bis 16) im Strahlengang aufeinanderfolgend ein Polarisationsfilter, ein fotoelektrischer Empfänger und ein Einkanalverstärker angeordnet sind.

k. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch zum automatischen Einfangen nach zwei Koordinatenrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Lichtquelle verwendeten Laser (1) mit frequenzaufspaltender magnetischer Einrichtung (2) ein Strahlaufweiter (3, k), ein optisch ablenkendes Mittel (5)» ein strahlaufspaltendes polarisierendes Bauteil (6) sowie eine r- -Platte (2k) nachgeschaltet sind, wobei dieser j* -Platte (24) ein zweites zum ersten orthogonales strahlaufspaltendes polarisierendes Bauteil (6*) sowie ein Strahlenteiler (7) folgen, dem in Richtung

40981 0/0605 " ⁹ "

A 1877/B 27^7 11. 8. 1972

auf das vor einem Hilfsspiegel (23) befindliche Objekt (8) ein Mikroobjektiv (9) folgt und seiner zweiten Austrittsflache über einen polarisierenden Teiler (I3^f) und eine Sammeloptik (1O) zwei fotoelektrische Empfänger (11» 11») mit zwei nachgeschalteten Verstärkern (17, 17'), daß der zweiten Austrittsfläohe eines zweiten, zwischen Bauteil (5) und (6) eingefügten Neutralteilers (7*) über eine sammelnde Optik (12) und einen polarisierenden Teiler (13) zwei fotoelektrische Empfänger (ik, 15) nachgeschaltet sind, deren Ausgänge an den Eingängen eines Differenzverstärkers (16) liegen, und daß die Ausgänge der Verstärker (16, I7, 17¹)-mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter (18) verbunden sind, dem ein Anzeigeinstrument (19) nachgeschaltet und daß ferner dem phasenempfindlichen Gleichrichter (18) über einen Servomverstärker (20) ein weiteres Meßgerät (/21) sowie die Abtriebsstufe (22) für das optisch ablenkende Mittel (5) nachgeschaltet ist.

5· Einrichtung nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß dem hinteren Ausgang (25) des Lasers (1) ein strahlaufspaltendes polarisierendes Bauteil (6"), eine .Sammeloptik (12¹) und dieser zwei fotoelektrische Empfänger (1*M, 15') nachgeschaltet sind, deren Ausgänge an den Eingängen eines Differenzverstärkers (16 * ) liegen und daß anstelle des Verstärkers (16) der Verstärker (16·) mit dem phasenempfind- ₍ liehen Gleichrichter (i8) verbunden ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Zweimoden-TEM Laser (1·) mit Frequenz-Stabilisierungskreis (2") und magnetischer Moden-Stabilisierungseinrichtung (t^r) verwendet wird, dessen Ausgang eine r¹ -Platte (2kⁱ) nachgeschaltet ist.

409810/0605