DE2309698C3

DE2309698C3 - Vorrichtung zur Ansteuerung und Stabilisation von Längenpositionen

Info

Publication number: DE2309698C3
Application number: DE19732309698
Authority: DE
Inventors: Heinz Ewald Dipl.- Phys. 8000 Muenchen Parsche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-02-27
Filing date: 1973-02-27
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE2309698B2; DE2309698A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung und Stabilisation von Längspositionen, insbesondere für die Fourierspektroskopie, bestehend aus einem Zweistrahlinterferometer mit Referenzlichtstrahl der Wellenlänge λ, einer fotoelektrischen Meßanordnung, einem Sollwertzähler und einem Istwertzähler für Interferenzstreifen, einem Vergleicher zur Gewinnung des Grobregelsignals und einem Stellglied zur Grobeinregelung eines Interferometerspiegels.

Bei der Fourierspektroskopie mißt man die Lichtin

tensität am Ausgang eines Zweistrahlinterferometers als Funktion des zweckmäßigerweise Schritt für Schritt veränderten Gangunterschiedes. Die Sollpositionen des Interferometerspiegels müssen extrem genau eingeregelt werden, damit das fouriertransformierte Meßergebnis möglichst ungestört das gesuchte Spektrum liefert Für den sichtbaren Spektralbereich ist eine Genauigkeit in der Ansteuerung besser als 0,0015 μ und eine Schrittweite von etwa 0,15 μ erforderlich.

ίο Es ist bekannt, daß zur Erfüllung der geringeren Forderungen bei der Fourierspektroskopie im nahen und fernen Infrarot überwiegend lineare Inkrement Meßwerke (Moire-Systeme) benutzt werden (Zeitschrift »Meßtechnik«, 79. Jahrgang 1971, Heft 11, Seite

'S 247 bis 253). Nachteilig ist, daß diese Systeme mehr zum Messen als zum Regeln geeignet sind: die Spiegelbewegung erfolgt kontinuierlich, bei der richtigen Position wird ein Impuls abgegeben, wodurch der Meßwert in nur diesem Moment erfaßt wird. Die übrige Zeit der

m> Spiegelbewegung ist verlorene Meßzeit Interferometrisch kontrollierte Spiegelbewegungen sind bekannt, soweit es sich um das Zählen von Interferenzstreifen in minimal möglichen Abständen von etwa einer viertel Referenzwellenlänge handelt (Zeitschrift »Laser«,

1. Jahrgang 1969, Heft 3, Seite 39 bis 43).

Durch die DT-OS 1 09 954 ist eine Stellvorrichtung, insbesondere für eine Werkzeugmaschine, bekannt, bei der ein Laserinterferometer mit einer Zählvorrichtung verwendet wird, um mehrere Bewegungen in verschiedenen Achsen einer Werkzeugmaschine zu messen. Hierbei wird ein einziger kontinuierlicher Ausgangsund Rückkehrstrahl mehrmals reflektiert und entlang der verschiedenen Bewegungsachsen gerichtet, wobei der zurückkehrende Strahl dann wieder mit einem einzigen Bezugsstrahl kombiniert wird, um zwei Lichtdetektoren betätigende Interferenzmuster zu schaffen.

In der ■ Zeitschrift »Industrie-elektrik+elektronik«, 17. Jahrgang 1972, Nr. 15/16, ist auf den Seiten 385 bis 387 ein Laser-Interferometer als Weg-Meßsystem an Werkzeugmaschinen gezeigt und beschrieben, bei dem in einem Regelkreis der Istwert mit dem Sollwert ständig verglichen und die Regelgröße so lange verändert wird, bis der Istwert dem Sollwert gleicht.

Ferner ist aus der US-PS 35 01 683 ein interferometrisches Positioniergerät bekannt, das einen Motor zur Grobeinstellung und einen elektromechanischen Übertrager zur Feineinstellung aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

Interferometerspiegel in kleinstmöglichen Schritten von λ/4 (λ: Referenzwellenlänge, z.B. HeNe-Laser λ = 0,6328 μ) kontrolliert mit einem Digitalzähler zu verschieben und mit einer Genauigkeit von mindestens λ/100 auf vorgegebene Sollwerte zu stabilisieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung zwischen Grob- und Feinregelung abhängig von der Istwertstellung der Grobregelung oder dem Arbeitspunkt der Feinregelung, automatisch gesteuerte Umschalteinrichtungen zur Gewinnung vorzeichenrichtiger Regelkennlinien im minimalen Abstand Λ/4 aus einem über das Interferometer erzeugten Spannungsverlauf, der als Funktion des Gangunterschiedes ein Einphasenfeld oder ein Zweiphasendrehfeld darstellt und einen Regler mit Stellglied zur Feinregelung des Spiegels damit.

Bei einer derartigen Vorrichtung wird mittels eines Zweistrahlinterferometers, zunächst durch Vergleich

eines digitalen Sollwertes mit dem Stand eines Istwertzählers für Interferenzstreifen einer Referenzlichtquelle der Wellenlänge λ ein Regelsigna! zur Grobeinstellung eines Interferometerspiegels gewonnen. Ferner wird eine Umschalteinrichtung, welche die Grob- und eine zusätzliche Feinregelung wechselweise freigibt, von dem Istwertstand oder dein Arbeitspunkt der Feinregelung gesteuert Mit dem Referenzlichtstrahl, der durch das Interferometer geführt wird, werden mittels einer fotoelektrischen Anordnung Spannungsverläufe erzeugt, die als Funktion des Gangunterschiedes ein Einphasenfeld oder ein Zweiphasendrehfeld darstellen. Durch automatisch gesteuerte Umschalteinrichtungen werden hieraus vorzeichenrichtige Regelkennlinien im minimalen Abstand von A/4 für die Feinregelung eines Interferometerspiegels gewonnen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung bestehen die Umschalteinrichtungen zur Gewinnung vorzeichenrichtiger Regelkennlinien aus mechanischen oder elektronischen Schaltern, die durch den digitalen Sollwert oder bzw. und durch das Zweiphasendrehfeld selbst gesteuert werden. Das Zweiphasendrehfeld wird zweckmäßigerweise dadurch gewonnen, daß ein Interferometerspiegel mit einer Frequenz /und einer gegen die Referenzwellenlänge λ sehr kleinen Amplitude schwingt. Die Intensität am Interferometerausgang wird dadurch moduliert; ihr 1 /- und 2 /-Anteil liefern als Funktion des Gangunterschiedes das Zweiphasendrehfeld.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erziellaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Wegpositionen in kleinstmöglichen Schritten von einer viertel Referenzwellenlänge in relativ einfacher Weise bei hoher Genauigkeit angesteuert werden können.

Ein Ausfühmngsbeispiel ist in F i g. 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. (Die Buchstaben in den Kreisen in F i g. 1 beziehen sich auf die Kurvenverläufe in F i g. 2.) Eine monochromatische Referenzlichtquelle LA (Wellenlänge λ) liefert am Ausgang des Michelsoninterferometers (Endspiegel 51, 52) aks Funktion des Gangunterschiedes χ einen sinusförmigen Intensitätsverlauf l(x) (Kurve A) der durch den Photomultiplier PM, nachgewiesen wird. Hieraus werden die Regelsignale (Grob- und Feinregelung) zur Ansteuerung der Extrem- und Wendepunkte in /M als Sollwerte für die Spiegelposition gewonnen.

Die grobe Ansteuerung der Sollstellung erfolgt mit dem Stellmotor M; seine vorzeichenrichtige Steuerung wird über den Vergleicher VZ aus dem Vorzeichen der Differenz zwischen den Zählständen des Sollwertzählers SZ und des Istwertzählers IZ gewonnen; der Sollwertzähler wird entsprechend dem gewünschten zeitlichen Ablauf der Messung von dem Programmgenerator PG schrittweise fortgeschaltet; in den Istwertzähler wird bei Änderung von χ um ±A/4 ein positiv oder negativ zu zählender Impuls geliefert, dessen Gewinnung im Anschluß an die Feinregelung kurz erläutert wird. Stimmen Soll- und Istwertzähler überein, so weicht die tatsächliche Spiegelposition um weniger als ±λ/8 von der Sollstellung ab.

Die Feinregelung erfolgt über die Piezokeramik KE und ermöglicht eine Ansteuerung auf besser als A/100. Hierzu wird l(x) moduliert, indem ein Spiegel des Interferometers mit der Frequenz /und einer Amplitude <λ schwingt Die Detektorspannung enthält damit

ίο verschiedenfrequente harmonische Anteile, jene der Frequenzen 1 / und 2 / werden synchron zur Spiegelschwingung gleichgerichtet; (Synchrongleichrichter 5GyI; man erhält damit die vorzeichenrichtigen Amplituden (Kurve C, D) welche als Funktion von χ ein Zweiphasendrehfeld bilden. Aus C und D werden die Rege-kennlinienscharen G und H (gestrichelt gezeichnet) gewonnen, und zwar durch Invertieren der Kurventeile mit positivem Anstieg. Dieses Invertieren erfolgt z. B. durch die Polarität der Amplitude des jeweils anderen Kanals, also z. B. für die Kurve C durch den Pegel K. Eine erhöhte Störsicherheit erreicht man durch die Steuerung des Polaritätsumschalters mit dem Sollwertzähler SZ: Jedem Sollwert ist eine bestimmte Polarität zuzuordnen; dies wiederholt sich in einem Viererzyklus. Geregelt wird auf Spannung Null der jeweiligen Kennlinie, indem der Regler Pi eine vorzeichenrirhtige Spannung auf die Piezokeramik KE gibt. Die Kennlinienscharen G bzw. H dienen also zur Einregelung auf die Extremwerte bzw. Wendepunkte von I(x). Die Umschaltung von G nach H erfolgt durch den Stand des Sollwertzählers SZ, je nachdem dieser gerade oder ungerade ist

Zur Gewinnung des Zählimpulses für den Istwertzähler wird die Wechselspannung im 1 /-Kanal direkt gleichgerichtet (Kurve B) und mit einem Gleichstrompegel L verglichen. Jeweils beim Über- oder Unterschreiten dieser Schwelle entsteht ein Zählimpuls, also etwa in Abständen von λ/4 (Stufe zur Zählimpulsgewinnung ZGJl Die Vorzeicheninformation für den lstzählimpuls wird ähnlich bekannten Verfahren aus dem Zweiphasendrehfeld (Kurve C und D) anhand einer Logikschaltung aus den Spannungspegeln E₁ F und K gewonnen.

Die Umschaltung zwischen Grob- und Feinregelung

kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bei Steuerung durch den Vergleicher VZ wird immer bei pbereinstimmendem Soll- und Istwertzählerstand die Feinregelung freigegeben. Ihr Regelbereich fängt nun z. B. thermische Driften auf. Wird der Sollwertzähler weitergeschaltet, so wird zunächst die Feinregelung wieder auf Regelbereichmitte gebracht, dann erst regelt der Stellmotor wieder auf gleichen Zählerstand. Bei Steuerung durch den Arbeitspunkt der Feinregelung wird die Grobregelung nur dann eingeschaltet, wenn die Feinregelung an einem der beiden Enden des Feinregelbereiches angelangt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ansteuerung und Stabilisation von Längenpositionen, insbesondere für die Fourierspektroskopie, bestehend aus einem Zweistrahlinterferometer mit Referenzlichtstrahl der Wellenlänge A, einer fotoelektrischen Meßanordnung, einem Sollwertzähler und einem Istwertzähler für Interferenzstreifen, einem Vergleicher zur Gewinnung des Grobregelsignals und einem Stellglied zur Grobregelung eines Interferometerspiegels, gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung zwischen Grob- und Feinregelung abhängig von der Istwertstellung der Grobregelung oder dem Arbeitspunkt der Feinregelung, automatisch gesteuerte Umschalteinrichtungen zur Gewinnung vorzeichenrichtiger Regelkennlinien (G. H) im minimalen Abstand λ/4 aus einem über das Interferometer erzeugten Spannungsverlauf (A, C, D) der als Funktion des Gangunterscheides ein Einphasenfeld oder ein Zweiphasendrehfeld darstellt und einen Regler (PI) mit Stellglied (KE) zur Feinregelung des Spiegels (S 1) damit

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtungen zur Gewinnung vorzeichenrichtiger Regelkennlinien (G, H) aus mechanischen oder elektronischen Schaltern bestehen, die Kurventeile des Einphasenfeldes oder Zweiphasendrehfeldes mit positiver oder negativer Steigung, gesteuert durch den Stand des Sollwertzählers (SZ), invertieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtungen zur Gewinnung vorzeichenrichtiger Regelkennlinien (G, //Jaus mechanischen oder elektronischen Schaltern bestehen, die Kurventeile des Zweiphasendrehfeldes mit positiver oder negativer Steigung, gesteuert durch das Zweiphasendrehfeld selbst, invertieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Umschalteinrichtung zur Auswahl des einen oder anderen Spannungsverlaufes des Zweiphasendrehfeldes zur Regelkennliniengewinnung mechanische oder elektronische Schalter vorgesehen sind, die durch den Sollwertzähler (SZ), je nach dem, ob eine gerade oder eine ungerade Zahl eingegeben ist, umschaltbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Einrichtung vorgesehen ist, mit der das Einphasenfeld oder das Zweiphasendrehfeld aus der durch eine Modulation des Gangunterschiedes hervorgerufenen Intensitätsmodulation am Interferometerausgang gewonnen wird.