DE2401475A1

DE2401475A1 - Verfahren zur messung der relativlageaenderung

Info

Publication number: DE2401475A1
Application number: DE19742401475
Authority: DE
Inventors: Fromund Dipl Phys Hock; Joerg Dipl Ing Willhelm
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH; Ernst Leitz GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1974-01-12
Filing date: 1974-01-12
Publication date: 1975-07-17
Also published as: JPS50115057A; JPS6238644B2; NL7500312A; DE2401475C2; GB1485584A

Description

24OU75 ERNSt ILEiITZ GJUtBH

Unier Zeichen: Λ 1yjö/ß 2.ilO 633 Wetzlar, den, 7· Januar 1'»7'<

Pat Se/Hz

Verfahren zur Messung der ReIativLageänderung

Die Erfindung betrifft Veri'aliieii zur vorzugsweise vorzeichenrichtigen optischen oder t'otoeLektrischen Messung der KelativgeschwindigkeiS oder iieLativlageänderung oder Relativiage nach einer oder mehreren Koordinaten zwischen in optisch zueinander v.uinindcst annähernd konjugiert; liegenden Ebenen angeordneten liehtböugeiidea, gegenüber der Feldgrüße kleinen Strukturen, durch die Erzeugung von mindestens zwei miteinander verketteten, modulationsphasenverschobeueii, interferenzmodulierten Licht- oder liuhtelektrischen Signalen in Teilquerschnitten von einem oder mehreren interferenzmodulierten Lichtbündein, die durch die kohärente Überlagerung von Paaren von zwischen den beugenden Strukturen ziimindestetis in einem Bündelquerschnitt getrennt verlaufenden, zumindest teilkohärenten, durch ihre Winkelbeziehungen vor den konjugierten Ebenen jeweils in den konjugierten Ebenen eine ürtsfrequenz festlegenden Tt?i!bündelpaaren entstehen, sowie Einrichtungen zu dereu Durchführung.

Bekannt sind fotoelektrische Schrittgeber zur Messung der Verschiebung von Objekten, üabei werden zwei Gitterstrukturen entweder* mitteis einer Abbildungsoptik oder direkt einander überlagert und aus der Modulation der aus der Überlagerung resultierenden Lichtflüsse die interessierenden Bewegungsgrolien bestimmt. Auch wurden schon Einrichtungen bekannt, ■'-5 bei denen eine der Gitterstx'ukturen durch eine beliebige Objekt-Struktur der Umgebung ersetzt und mit denen die Winkelgeschwindigkeit dieser Objekte in Bezug auf die Abbildungsoptik bestimmt wird. Das Gitter wirkt dabei als Filter für Lichtflüsse in seiner Gitterkonstante entsprechenden

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-z-

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BeugungsOrdnungen, welche am Objekt entstehen, so daß aus dem Ortsfrequenzspektrum des Objektes eine bestimmte Gitterkonstante herauskorreliert wird.

Sieht man innerhalb des abbildenden Systems eine zu Eingriffen räumlich zugängliche Fläche vor, die mit einer Fourierebene der Abbildung genügend nahe zusammenfällt, so kann man durch Einfügen einer Blende mit mindestens zwei Öffnungen in diese Fläche eine Unterdrückung nicht zu korrelierender Ortsfrequenzkomponenten des Objektes erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei fotoelektrischen Systemen der genannten Art in besonders wirtschaftlicher und technisch einfacher Weise die Relativbewegung von Meßkopf und Objekt in an sich bekannte, miteinander verkettete, phasenverschobene photoelektrische Signale umzusetzen, welche zur Richtungskennung und Gegentaktbildung geeignet sindο

Diese Aufgabe wird gemäß einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

a) nach Wahl des Verhältnisses der kleinsten und der größten an der Erzeugung von diskreten Signalen mit nicht vernachlässigbarer Leistung beteiligten Lichtfrequenzen kleiner als 1 : 2

b) und unter Verwendung zumindest einer lichtbeugenden Struktur, welche das Licht nur in diskrete den Gitterbeugungsgesetzen für ein- oder zweidimensionale Gitter entsprechende Richtungen beugt,

c) hinter der jeweiligen, die zumindest teillcohärenten Teilbündelpaare in gleiche Richtungen beugenden Struktur mindestens ein überlagertes Doppelbild des Gebietes zwischen den lichtbeugenden Strukturen so erzeugt wirdj daß Teilbündelquerschnitte, die in diesem Gebiet getrennt nebeneinander liegen, sich im Bild in einem gemeinsamen Teilgebiet überlagern, daß

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d) In zumindest einem der beiden nach c) überlagert abgebildeten Teilbündelquerschnitte der Teilbündelpaare zumindest einer dieser Querschnitte in zumindest zwei Teilflächen aufgespalten wird, die in dem gemeinsamen Teilgebiet der Überdeokungsbilder enthalten sind, daß die Schwingungsphase des Lichtes in zumindest einer Teilfläche annähernd homogen über die Teilfläohe um Beträge ungleich 21Γ gegenüber der (den) hinter der zweiten beugenden Struktur als Bild überlagerten Teilfläche (n) verschoben wird} und

e) daß die in dem ttberlagerungsbild der Teilbündelquerschnitte (nach c) in den Teilflächen entstehenden phasenverechobenen Lichtmodulationen entweder zur visuellen Auswertung (Halbsohattenmethode) dargestellt oder den phasenverschobenen Teilflächen entsprechend zur Auswertung fotoelektrischen Empfängern zugeführt werden»

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der sohematischen Zeichnungen beschrieben« Diese Einrichtungen werden alle in Ortsfrequenzfilterflachen einer Objektivbrennebene nach dem ersten Durchgang des Lichtes durch eine annähernd ebene, in der objektseitigen Schärfenebene des nachfolgenden Objektivs liegende beugende bzw. streuende Struktur angeordnet. Diese Struktur muß zusammen mit einer genügend kleinen spektralen Breite des wirksamen Beleuchtungslichtes und einer genügend kleinen Beleuchtungsapertur dafür sorgen, daß jeweils zwl homologe Punkte in den Durchlaßflächen der Ortsfrequenzfilterebene, die durch den zweiten Beugungs- bzw« Streuvorgang übereinander geschert werden, noch eine für die photoelektrisohe Modulationserkennung in den Flächenelementen der Bilderpaare der Ortsfrequenzfilter ausreichende Teilkohärenz aufweisen.

Es werden durch in der Objektivbrennebene« also in der Ortsfrequenzfilterf läohe angeordnete phasenschiebende Mittel (dielektrische oder Spiegelstufen) mindestens zwei Teilflächen in mindestens einer Öffnung der Ortsfrequenzfilter-

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blende gekennzeichnet, womit in mindo zwei Teilflächen alLe Bildebenen verschiedener BeugungsOrdnungen der Ortsfrquenzfilterblenden in der zur Filterfläche konjugiert liegenden Empfängerebene eine Kennzeichnung durch die Phase der Helligkeitsmodulation verbunden ist. Teilflächen mit gleichen Modulationsphasen können zur Signalverarbeitung optisch oder elektrisch zusammengefaßt werden.

Die Phasenschieber werden bevorzugt so dimensioniert, daß für gleiche Bewegungskoordina'ten Signalpaare mit ungleich 180 Phasenverschiebung entstehen, die zirkuläre oder elliptische elektrische Drehfelder definieren.

Es werden mindestens zwei verkette ortsperiodische photoelektrische Signale benötigt, mit drei Signalen gleicher Amplitude 12o phasenverschoben, ist bereits die G-leichstrommittelwertunterdrückung möglich, genauso bei vier Signalen₉ je 9o phasenverschoben. Größere Zahlen von Signalen oder Signalpaaren erlauben einfache elektrische Signalperiodenunter teilungstechnikeη„

Um die Verhältnisse der Drehfeldkomponentenamplituden zueinander möglichst unabhängig von den Eigenschaften der Lichtquelle zu machen wird bevorzugt eine Leuchtfeldlinse in die Ortsfrequenzfilterebene abgebildet, um auszunutzen, daß die einer Lichtquelle zugeordnete Intensitäts-Richtungsverteilung meist stabiler ist» als die Intensitäts-Orts verteilung.

Es zeigen!

Fig» 1 einen fotoelektrischen Schrittgeber, Fig. 2 Ortsfrequenzfilterblende und Empfängerebene bei

einem Zweikoordinatengeber, Figo 3 eine Variante von Figo 2,
Fig. 4 eine weitere Variante von Figo 2, Figo 5 eine Variante von Fig. k,

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Fig. 6 Anordnungsmöglichkeiten für Phasenschieber, Fig. 7 eine weitere Variante von Fig. 4,

Fig. 8 eine weitere Anordnungsmoglichext der Phasenschieber,

Figo 9 - 12 Anordnungen für Einkoordinatengeber» Fig. 13 eine Anordnung für einen Zweikoordinatengeber mit zwei laminaren Phasengittern zur Rückmischung,

Fig. 14 eine Variante von Fig. 131 für ein Kreuzliniengitter als Meßstruktur,

Fig. 15 eine Variante von Fig«, 4 für ein Kreuzliniengitter als Meßstruktur,

Fig. 16 eine Variante von Fig«. 15·

In Fig. 1 ist ein beispielsweiser fotoelektrischer Schrittgeber schematisch dargestellt. Eine Lichtquelle 1 beleuchtet eine Kreiszweieckblende 2, welche sich in der vorderen Brennebene einer Linse 3 befindet. Hinter der Linse 3 befindet sich die regelmäßig oder unregelmäßig streuende Meßstruktur 4, deren Verschiebung transversal zur optischen Achse ate des Schrittgebers gemessen werden soll. Auf die Struktur folgt im Abstand ihrer Brennweite eine zweite Linse 5· In der hinteren Brennebene dieser Linse 5 liegt eine, der Struktur 4 zugeordnete Fourier-Ebene, in welcher zwei mit den erfindungsgemäßen Phasenschiebern 6 versehene kreiszweieckförmige Öffnungen der Ortsfrequenzfilterblende angeordnet sind. Auf die Fourier-Ebene folgt im Abstand ihrer Brennweite eine dritte Linse 7» in deren zur Meßstruktur ^ konjugiert gelegener hinterer Brennebene ein mit seiner Teilung zu den Meßkoordinaten orientiertes laminares Phasengitter mit -τ Phasenhub zur Rückmischung der am Objekt 4 abgebeugten Lichtflüsse liegt» Eine vierte Linse 9, nach dem Gitter 8 angeordnet, sammelt das Meßlicht auf eine in ihrer hinteren Brennebene angeordnete fotoelektrische aus sechs Empfängern bestehende Empfängergruppe 1o, deren Ausgangssignale für die Bewegung der Struktur 4 charakteristische sinusförmige phasenverschobene Modulationen aufweisen _a

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7.1 .1974

Die Fig. 2 zeigt in überlagerter Darstellung vier Blendendurchlässe 11, 12, 13, 14 einer Ortsfrequenzfilterblende und die Lage der helligkeitsmodulierten Lichtbiindel 17 bis 25 im Schnitt auf der fotoelektriscben Empfängergruppe bei einem Zweileoordinatengeber · ¥ie dargestellt, ist in homologen Halbfeldern der Durchlässe 11 und 14 je ein j- -Phasenschieber 15» 16 angeordnet. In den Querschnitten der Lichtbündel 17 bis 25 bzw. in deren Halbfeldern sind die momentanen Helligkeitsphasen angegeben, bezogen auf einen Hell-Dunkel-Zyklus von 360 , Als Rückmischglied zu dieser Blendenkonfiguration ist ein Schachbrettphasengxtter geeignet.

In Fig= 3 ist eine Variante des in Fig. 2 Dargestellten gezeigt, welche ebenfalls bei einem Zweikoordinatengeber mit einem Schachbrettphasengitter als Rückmischglied Verwendung findet. Dadurch,daß die η- -Phasenschieber 15» 16 hierbei in zueinander senkrecht stehenden HaIbfelderα der Durchlässe 11 und 14 liegen, ergeben sich in den Lichtbündeln 17 bis 25 die in der Fig. 3 angegebenen Helligkeitsphasen.

Auch in Fig. 4 ist eine Variante des in Fig. 2 Gezeigten dargestellt, die sich für einen Zweikoordinatengeber in Verbindung mit einem Schachbrettphasengitter als Rückmischglied eignet. Statt zweier sind hier vier Phasenschieber g*to*rx35» 36, 37» 3& vorgesehen, von denen jetzt jeder einen Phasensprung von 77 bewirkt. Diese in homologen Halbfeldern erzeugten Sprünge in der Lichtphase haben in der Empfängerebene (io, Fig» l) die in den Feldern der Fig» 4 angegebenen momentanen Helligkeitsphasen zur Folge.

Fig. 5 stellt eine Variante des in Fig. 4 Gezeigten dar» Hierbei sind in komplementären Halbfeldern der Blenden-

λ 3λ

durchlässe 11 und 13 ein ττ - bzw. ein §— -Phasenschieber

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7.1. .

In Pig. 6 sind vier Anordnungmöglichkeiten für Phasenschieber in den Ortsfrequenzfilterblenden dargestellt. Durch die kombinatorische Überlagerung von jeweils zwei Ortsfrequenzfilterblenden kann sich die effektive Flächenzahl erhöhen»

Bei der Ortsfrequenzfilteranordnung gemäß Pig. 7 sind wie in Fig. k vier ττ -Phasenschieber 35, 36, 37, 38 vorgesehen und zwar jeweils in homologen Halbfeldern diagonal gelegener Blendendurchlässe 11, 13 bzw. 12, 14, wobei die Halbfelder der einen Diagonalen 11, 13 zu denen der anderen 12, 14 senkrecht liegen. Die resultierenden Helligkeitsphasen der Lichtbündel in der Ebene der fotoelektrischen Empfängergruppe (io s. Fig. 1) sind wiederum durch die entsprechenden Gradwerte angegeben.

Eine weitere Anordnungsmöglichkeit der vier ττ -Phasenschieber 35 his 38 zeigt Fig. 8. Hier sind sie in homologen Halbfeldern jeweils zweier benachbarter Blendendurchlässe 11, 14 bzw. 12, 13 vorgesehen, wobei die Halbfelder des einen Paares 11, 14 zu denen des anderen 12, 13 senkrecht liegen.
Die Gradwerte geben Helligkeitsphasen an.

Im Gegensatz zu den Fig. 2 bis 8 zeigen die Fig. 9 bis 12 Anordnungen für Einkoordinatengeber mit einem einkooordinatigen Laminargitter als Rückmischglied (8 in Fig. 1). Jedoch sind auch hier vier Blendendurchlässe 11 bis 14 in der Ortsfrequenzfilterblendeflache (6 in Fig. 1) vorhanden, denen in der Darstellung eine Draufsicht auf die zugehörige Potoempfängerebene (1o in Fig. 1) überlagert ist. Nur im Durchlass 11 ist hier ein j- -Phasenschieber 15 angeordnet, welcher nur die Helligkeitsphasen der ihm in Meßrichtung zugeordneten Lichtflüsse 17» 18, 19 in der angegebenen Weise beeinflußt. Gegenüber diesen weisen die aus den Durchlässen 13 und Ik resultierenden Lichtflüsse eine Verschiebung von 9o auf, so daß eine Riohtungskennung der Bewegung der Meß-

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7.1.1974

struktur (4 in Fig. 1) gegeben ist.

Eine solche Richtungskennung wird auch bei der in Fig. 1o dargestellten Variante der Anordnung von Fig. 9 erreicht. Hierbei ist jedoch in komplementären, in der Meßrichtung gelegenen Halbfeldern der Blendendurchlässe 11, 12 je ein τ- -Phasenschieber angeordnet.

Die Fig. 11 und 12 zeigen weitere Auführungsformen für Einkoordinatengeber mit einem einkoordinatigen Laminargitter als Rückmischglied. Gemäß Fig. 11 ist in den Blendendurchlässen 11 und 12 je ein ·& -Phasenschieber vorgesehen, in den Durchlässen 13 > 14 hingegeben kein Phasenschieber, so daß die aus den beiden Blendenpaaren resultierenden Lichtflüsse zur Richtungskennzeichnung wie angegeben wiederum 9o Phasenverschiebung haben.

Gemäß Figo 12 wird eine analoge Phasenverschiebung durch je einen rr -Phasenschieber in den Durchlässen 11 und 13 erreicht .

In Fig. 13 sind wiederum für einen Zweikoordinatengeber vier Blendendurchlässe 11, 12, 13 und 14 in ihrer Relativlage und daneben die den Paaren 11, 13 bzw. 12, 14 zugeordneten LichtbündeLji nach der Rückmischung dargestellt. Die Meßrichtungen x* und y* sind hierbei parallel zu den Diagonalen 12, 14 bzw. 11, 13 orientiert. Bei dem Geber in dieser Ausführung wird für jede Meßrichtung aus der Brennebene ein Paar von sekundären Lichtquellen abgetrennt und durch je ein lineares laminares Phasengitter in einer zum Objekt konjugierten Ebene rüokgemischt_o Zu den Querschnitten der Lichtbündel sind für einen gegebenen Moment die Helligkeitsphasen angegeben. Diese sind verursacht durch Phasenschieber in homologen Halbfeldern der Blendendurchlässe der Ortsfrequenzfilterflache und zwar befindet sich in der Öffnung 11 und 13 je ein ττ -Schieber, in der Öffnung 14 ein τ- -Schieber und in der Öffnung 12 kein Phasenschieber. Bei

— 9 —

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Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 13 als Gittergeber ist als bewegte Meßstruktur ein Schachbrettgitter geeignet O

Fig. 14 zeigt eine Variante der Einrichtung gemäß Fig. 13 in analoger Darstellung. Bei Verwendung dieser Variante als Gittergeber ist ein Kreuzliniengitter als Meßstruktur geeignet« Die Form der Blendendurchlässe 11, 12, 13, 14 ist hierbei zur optimalen Auenutzung der korrigierten Objektivapertur A durch Kreisabschnitte vom Radius A begrenzt. Die Durchlässe 11 und 13 sind in komplementären Halbfeldern mit -7 -Phasenschiebern versehen und in dem bezüglich Ulende 11 homologen Halbfeld der Blende 14 befindet sich ein r- -Schieber. Die Meßrichtungen χ und y sind wieder den Diagonalen 12, i4 bzw. 11, 13 parallel orientiert.

in Fig. 15 ist eine Variante des zu Fig» k Beschriebenen dargestellt. Im Gegensatz zu Fig. k sind die Meßrichtungen hierbei diagonal in Richtung der Blendenverbindung 11, 13 bzw. 12, 14 orientiert, und zur Rückmischung ist ein Kreuzliniengitter vorgesehen» In homologen Halbfeldern je eines Blendenpaares, welche in Richtung der Meßkoordinatenrichtung liegen ist je ein τ? -Phasenschieber angeordnet. Die resultierenden Helligkeitsphasen der nach Rückmischung in der Ebene der photoelektrischen Empfänger (1o in Fig. 1) anfallenden, in der Fig. 15 den Blenden 11 bis 14 überlagert dargestellten Meßlichtflüsseyi sind in der Fig. 15 angegeben.

Die in Fig. 16 dargestellte Variante der Anordnung gemäß Fig. 15 weist statt vier 77 -Phasenschiebern zwei 7- -Schieber auf, die sich in Halbfeldern der Blendendurchlässe 11 und befinden, welche jeweils in der zugeordneten Meßriohtung liegen. Die hierbei resultierenden Helligkeitsphasen sind angegeben. Selbstverständlich ist die Orientierung des als Rückmischglied dienenden Kreuzliniengitters der Lage der Meßrichtungen angepaßt.

- Io -

£ η Q ft 7 q / Π 7 9 Ö

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- 1ο -

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7.1.

Sowohl durch das Rückmischglied Kreuzliniengitter als auch durch andere Formen von Rückmischgliedern, wie Kreisscheiben-Phasengitter, welche mit kubischer oder hexagonaler Anordnung der Kreisscheiben verwendet werden können, sind die optimalen Formen der Ortsfrequenzfxlterblenden in der Brennebene des abbildenden Objektivs festgelegt. Die Blendenflachen kunnen entsprechend den vorstehend beschriebenen Schemata, welche alle kombinatorische Fortsetzungen der in den Fig. 5» 8, 11 und 12 dargestellten Anordnungen sind, durch Phasenschieberstufen in einzelne wirksame Teilflächen zerlegt und als Teilflächen photoelektrischen Empfängern zugeordnet werden.

Verwendet man zur Abbildung Hohlspiegelsysteme, so sind die Phasenschieber besonders einfach als Spiegelstufen geeigneter Höhe durch zusätzliche Bedampfungen der Spiegelfläche durch Maskeabieaden, hindurch erzeugbar.

Bei den bisher beschriebenen Einrichtungen wurden keine Voraussetzungen über die Polarisation des Lichtes gemacht. Insbesondere bei den in den Fig. 15 und 16 dargestellten Anordnungen ist es zweckmäßig, die Meßlichtflüsse schon vor der Empfängerebene nach ihrer Koordinatenzugehörigkeit räumlich zu trennen. Unter Ausnutzung der Polarisation bietet die Erfindung dazu folgende Lösungen:

a) Man strahlt mit linear polarisiertem Licht ein und ordnet vor zwei, einer Meßkoordinate zugehörigen Blendenöffnungen (,z.B. 11 und 13 in Fig. 15 und 16) jeweils ein j -Plättchen an, welche bewirken, daß das dieser Meßkoordinate zugeordnete LxGht eine um 9o im Azimut gedrehte Schwingungsrichtung erhält. Werden bei Hohlspiegelsystemen die Blendenöffnungen zweimal durchsetzt,so sind analog zwei j- -Plättchen vorzusehen,, Die Koordinatentrennung ist dann mit eine^m polarisierenden Teiler möglich.

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b) Man strahlt mit zirkulär polarisiertem Licht ein und ordnet vor allen vier Blendenöffnungen (i1_f 12, 13 _f 14 in Figo 15» i6j τ" -Plättchen, bzw» bei Hohlspiegelsystemen rr -Plättchen, deren Achsen so orientiert sind, daß man jeweils linear polarisiertes Licht erhält und zwar SO₉ daß die den Koordinatenrichtungen zugeordneten Lichtflüsse senkrecht zueinander polarisiert sind. Die Koordinatentrennung geschieht dann wie bei a).

c) Man strahlt mit zirkulär polarisiertem Licht ein und ordnet vor zwei, dergleichen Meßkoordinate zugeordneten Blendenöffnungen (z.B. 11, 13 in Fig. 15 und 16) — -Plättchen, bzw. bei Spiegelsystemen τ- -Plättchen an, so daß eine Koordinatenkennung durch zirkuläre Polarisation von rechtem bzw. linkem Drehsinn entsteht. Die Koordinatentrennung ist dann mit einem polarisierenden Teiler für zirkulär polarisiertes Licht möglich.

d) Es wird mit natürlichem, unpolarisiertem Licht beleuchtet. Vor den Blenden in der Ortsfrequenzebene befinden sich linear polarisierende Folien, deren Durchlassrichtungen der jeweiligen Koordinate entsprechend senkrecht zueinander stehen. Nach der Rückmischung stecken im Lichtfluß der nullten Ordnung Signale der x- und y-Meßkoordinate« Die polarisierende Beeinflussung gestattet, die der jeweiligen Koorinatenrichtung zugehörigen Signale mittels eines polarisierenden Teilers der richtigen Empfängergruppe zuzuordnenο Derartige Empfängergruppen sind als Diodenmatrizen handelsüblich«,

Unter Ausnutzung der Lichtfarbe bietet die Erfindung zur Koordinatentrennung folgende Lösungen?

e) Man strahlt mit Licht zweier sich praktisch nicht überlappender Spektralbereiche ein, welche zueinander kohärent oder inkohärent sein können und macht die Ortsfrequenzfilterflache jeweils für das Strahlenpaar einer Meß-

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!coordinate nur für eine Lichtwellenlänge durchlässige bzw« reflektierend. Zur Koordinatentrennung wird ein dichromatischer Teiler verwendet. Für die Lichterzeugung sind folgende Möglichkeiten vorgesehens

1. FrequenzVerdoppelung,

2. Lasermoden ausreichenden Frequenzabstandes(kurzer Festkörperlaser),

3· Gasentladungslampen,

h. optische Überlagerung zweier Spektralquellen (z.B. zwei Lumineszenzdioden),

5. Ausfilterung aus einem Kontinuum oder einem Spektralliniengemisch mit Absorptionsfiltern oder Interferenzfiltern.

13 -

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Claims

-VJ- 2bi6 AHSPRUChE 7.1 .

1./Verfahren zur vorzugsweise vorzeichenrichtigen optischen oder fotoelektrischen Messung der Relativgeschwindigkeit oder Relativlageätiderung oder Relativlage nach einer oder mehreren Koordinaten zwischen in optisch zueinander zumindest annähernd konjugiert liegenden Ebenen angeordneten lichtbeugenden, gegenüber der Feldgröße kleinen Strukturen, durch die Erzeugung von mindestens zwei miteinander verketteten, modulatxonsphasenverschobenen, interferenzmodulxerten Licht- oder lichtelektrischen Signalan in Teilquerschnitten von einem oder mehreren interferenzmodulierten Lichtbündeln, die durch die kohärente Überlagerung von Paaren von zwischen den beugenden Strukturen zumindestens in einem Bünde!querschnitt getrennt verlaufenden, zumindest teilkohärenten, durch ihre Winkelbeziehungen vor den konjugierten Ebenen jeweils in den konjugierten Ebenen eine Ortsfrequenz festlegenden Teilbündelpaarer. entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) nach Wahl des Verhältnisses der kleinsten und der größten an der Erzeugung von diskreten Signalen mit nicht vernachlässigbarer Leistung beteiligten Lichtfrequenzen kleiner als 1 i 2

c) hinter der jeweiligen, die zumindest teilkohärenten Teilbündelpaare in gleiche Richtungen beugenden Struktur mindestens ein überlagertes Doppelbild des Gebietes zwischen den lichtbeugenden Strukturen so erzeugt wird, daß Texlbundelquerschnxtte, die in diesem Gebiet getrennt nebeneinander liegen, sich im Bild in einem gemeinsamen Teilgebiet überlagern, daß

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d) in zumindest einem der beiden nach c) überlagert abgebildeten Teilbündelquerschnitte der Teilbündelpaare zumindest einer dieser Querschnitte in zumindest zwei Teilflachen, aufgespalten wird, die in dem gemeinsamen Teilgebiet der Überdeckungsbilder enthalten sind, daß die Schwingungsphase des Lichtes in zumindest einer Teilfläche annähernd homogen über die Teilfläche um Beträge ungleich 2TT gegenüber der (den) hinter der zweiten beugenden Struktur als Bild überlagerten Teil-Fläche (n) verschoben wird; und

e) daß die in dem Überlagerungsbild der Teilbündelquerschnitte (nach e) in den Teilflachen entstehenden phasenverschobenen Lichtmodulationen entweder zur visuellen Auswertung (Halbschattenmethode) dargestellt oder den phasenverschobenen Teilflächen entsprechend zur Auswertung fotoelektrischen Empfängern zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung in beiden Querschnitten der Teilbündelpaare so erzeugt wird, daß sich zumindest in einer Teilfläche des ÜbetLagerungsbildes die Phasenverschiebungen in der Interferenzmodulation nicht aufheben.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisch anisotroper Phasenschieber verwendet wird, und daß das Licht nach der bündelvereinigenden beugenden Struktur entsprechend den Schwingungsrichtungen der linearen Polarisationskomponenten vor der Auswertjuag der Signale nach linearen oder zirkulären Polarisationskomponenten aufgretrennt wird.

kο Verfahren nach den Ansprüchen 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß als die erste beugende Struktur beleuchtendes Licht polarisiertes Licht festen oder modulierten Schwingungszustandes verwendet wird.

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t: η η Q -j a / CM §{\

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7.1.1974

5· Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der relative Phasenunterschied zwischen zwei Teilflächen jeweils eines Teilbündelpaares (2n + 1) τ- gewählt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3j dadurch gekennzeichnet, daß das vereinigte Teilbündelpaar in drei phasenverschobene Teilflächen zerlegt wird, die vorzugsweise von gleichen Intensitäten der Lichtflüsse durchsetzt werden und um
einander verschoben sind.

durchsetzt werden und um + 12o in der Phase gegen-

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Anspruch 1e) definierten jeweils einem Empfänger zugeordneten Teilflächen in zwei oder mehr zur jeweiligen Meßkoordinate senkrecht gelegene Streifen zerlegt werden, die ihrerseits jeweils einem Empfänger zugeordnet werden und daß die Signale der Empfänger einer Teilfläche sowohl als Summensignal entsprechend der Aufgabenstellung des Anspruchs zusammenwirken als auch als Differenz oder Quotientensignale zur Auswertung der Abweichung von der konjugierten Lage der ersten und zweiten streuenden Struktur ausgewertet werden.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Phasenverschiebung im Bündelquerschnitt mindestens ein optisches Bauteil mit zwischen den TEiI-flächen stufenweise unterschiedlicher optischer Dicke vorhanden ist.

0 Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel für die Phasenverschiebung zwischen den Teil-. flächen eine unterschiedliche Höhenlagen oder Phasensprünge aufweisende Spiegelfläche vorhanden ist»

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7.1.1^74

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 zur Messung einer Koordinatenrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Paar homologer Teilbünde!querschnitte vorhanden ist, wobei

die Differenz der Phasenverschiebungen je Paar vor-

k— 1
zugsweise λ beträgt, k die Nummer des jeweils

betrachteten Paares und η die Anzahl der homologen
Paare bezeichnet.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, 3 oder 5> dadurch gekennzeichnet, daß
die den Meßkoordinaten zugeordneten Paare von Lichtbündeln durch zueinander komplementäre Polarisationszustände gekennzeichnet und gemäß dieser Kennung abtrennbar sindo

12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß jedes
einer Meßkoordinate zugeordnete Paar von Lichtbündeln durch einen praktisch diskreten Spektralbereich gekennzeichnet und gemäß dieser Kennung abrennbar ist.

13· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Meßkoordinate zumindest zwei Paare von Lichtbündeln unterschiedlicher diskreter Spektralbereiche vorhanden sind, die nach der zweiten beugenden Struktur entsprechend den Spektralbereichen getrennt werden.

14. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch konjugierten Ebenen durch eine zumindest bezüglich einer Ebene telezentrischen Abbildung einander zugeordnet werden»

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7.1.1974

15· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischji konjugierten Ebenen durch ein afokales abbildendes System einander zugeordnet werden.

16. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungssysteme aus lichtbrechenden und/ oder spiegelnden Bauelementen bestehen«

17· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortsfrequenzfilterflache spiegelnd ausgebildet ist.

18. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch Polarisationsfilter in den Blendenöffnungen der Ortsfrequenzfilter, wobei die Durchlassrichtungen für die Einzelkoordinaten aufeinander senkrecht stehen und gekennzeichnet durch polarisierende Teiler, welche die Lichtflüsse nach der Rückmischung für jede Meßkoordinate einzeln getrennten Abtastorten eines fotoelektriechen Empfängersystems zuführen.

19. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch k, welche mit zirkulär polarisiertem Licht beleuchtet wird, gekennzeichnet durch doppelbrechende Tj- -Plättchen bzw» bi Hohlspiegelsystemen durch dopelbrechende j- -Plättchen in den Ortsfrequenzfilterüffnungeu der einen Meßkoordinate und durch polarisierende Teiler für rechts- bzw. linkszirkular polarisiertes Licht, welche die Lichtflüsse nach der Rückmischung für jede Meßkoordinate einzeln getrennten Abtastorten eines fotoelektrischen Empfängersystems zuführen.

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A 1956/B 2816 48 7.1.1973

20. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, bei welcher mit zirkulär polarisiertem Licht beleuchtet wird, gekennzeichnet durch doppelbrechende η- -Plättchen, bzw. bei Hohlspiegelsystemen durch doppelbrephende 77 -Plättchen, welche mit ihren Achsen in den Ortsfrequenzfilteröffnungen so orientiert sind, daß die Lichtflüsse für die Einzelkoordinaten zueinander senkrecht linear polarisiert werden und gekennzeichnet durch polarisierende Teiler, welche die Lichtflüsse nach der Rückmischung für jede Meßkoordinate einzeln getrennten Abtastorten eines fotoelektrischen Empfängersystems zuführen.

21. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, bei welcher mit linear polarisiertem Licht beleuchtet wird, gekennzeichnet durch doppelbrechende rr -Plättchen, bzw. bei Hohlspiegelsystemen durch doppel-

λ
brechende j· -Plättchen in den Ortsfrequenzfilteröffnungen der einen Meßkoordinate, welche so orientiert sind, daß die Lichtflüsse für die Einze!koordinaten zueinander senkrecht linear polarisiert werden und gekennzeichnet durch polarisierende Teiler, welche die Lichtflüsse nach der Rückmischung für jede Meßkoordinate einzeln getrennten Abtastorten eines fotoelektrischen Empfängersystems zuführen»

22. Einrichtung nach Anspruch 2.SL^. 12, bei welcher das Beleuchtungslicht zwei sich praktisch nicht überlappende Spektralbereiche aufweist, die zueinander kohärent oder inkohärent sein können, gekennzeichnet durch den Spektralbereichen entsprechende Farbfilter in den Ortsfrequenzfilteröff nungen derart, daß das Strahlenpaar einer Koordinate nur Lichtwellenlängen des einen Spektralbereiches aufweist und gekennzeichnet durch einen Farbteiler, welcher die Lichtflüsse nach der Rückmischung für jede Meßkoordinate einzeln getrennten Abtastorten eines fotoelektrischen Empfängersystems zuführt.

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S09829/079Ö

A 1956/B 2816 7.1.197²»-

23. Einrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die an sich bekannte Verwendung polarisierender optischer Mittel zur Richtungskennzeichnung.

2k. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der beiden Spektralbereiche durch Frequenzverdoppelung entsteht.

25. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Lichtes der beiden Spektralbereiche mindestens ein Laser mit Moden ausreichenden Frequenzabstandes vorgesehen ist.

26. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für das Licht der beiden Spektralbereiche eine Gasentladungslampe vorgesehen ist.

27. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des üeleuchtungslichtes zwei Spektrallichtquellen vorgesehen sind, deren Strahlungen einander optisch überlagert werden.

28. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Erzeugung des Beleuchtungslichtes Absorptions- oder Interferenzfilter vorgesehen sind, welche aus einem kontinuierlichen oder diskreten Spektrum entsprechende Anteile ausfiltern.

29. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1o bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß optische Mittel zum Aufbringen gleichtaktig modulierter Lichtbündel auf gleiche fotoelektrische Empfänger vorgesehen sind.

30. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1o bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß gleichtaktig modulierte Lichtbündel auf unterschiedliche Flächen des fotoelektrischen Empfängersystems geleitet werden, wobei Flächen, die gleichtaktige Signale erzeugen, elektrisch miteinander verbunden sind-

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609829/0790

240H75

A 1956/B 2816

JtO 7.1.191h

31· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander konjugierten Ebenen mit den beiden lichtbeugenden Strukturen in einer gemeinsamen Kaumebene liegen«

32. Einrichtung zur .Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander konjugierten Ebenen zusammenfallen, sodaß die gleichen Strukturfläche oder nebeneinander liegende Teile der Strukturfläche die erste und die zweite Lichtbeugung verursachen»

509829/Ü79Q

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