DE2431551C2

DE2431551C2 - Anordnung zur Messung von Bewegungen und Geschwindigkeiten

Info

Publication number: DE2431551C2
Application number: DE2431551A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ing.(Grad.) 6336 Solms Kaul; Jörg Dipl.-Ing. 6331 Nauborn Willhelm
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1974-07-01
Filing date: 1974-07-01
Publication date: 1981-09-17
Also published as: US4091281A; DE2431551A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Linear- oder Winkelbewegungen sowie Linearoder Winkelgeschwindigkeiten, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels, mit einem ersten lichtbeugenden Gitter, das das Lichtstrahlenbündel in mindestens zwei auseinanderlaufende Teilstrahlenbündel zerlegt, mit mindestens einem weiteren lichtbeugenden Organ, das die gebeugten Teilslrahlenbündcl wieder zusammenführt, mit einem letzten lichtbeugenden Gitter, das unterschiedliche Teilstrahlenbündel in dieselbe Richtung lenkt, so daß sie miteinander interferieren können, und mit fotoelektrischen Mitteln zur Auswertung unterschiedlicher Phasenlagen mindestens eines der bei einer gegenseitigen transversalen Bewegung der Gitter bzw. Organe durch Interferenz modulierten Strahlenbündel.

Aus J. of Scie. Instr., VoI 36, (May 1959), S. 227-230, ist ein Interferometer bekannt, bei dem zur Aufspaltung und Wiedervereinigung eines parallelen Lichtstrahlen= bündeis drei in Lichtrichtung aufeinanderfolgende Beugungsgitter verwendet werden. In eines der aufgespaltenen Strahlenbündel wird das Testobjekt eingebracht. Die Abstände und Gitterkonstanten der Gitter sind so gewählt, daß am ersten Gitter aufgespaltene Strahlen acif dem letzten Gitter in einem Punkt wiedervereinigt und /ur Interferenz gebracht werden.

In Appl. Optics, VoI 6, No 11, (Nov 1967), S. 1861-1865, wird eine aus zwei Gittern bestehende Auflichteinrichtung zur Messung linearer Verschiebungen beschrieben. Das in Lichtrichtung erste Gitter dient zur Aufspaltung der Lichtstrahlen und nach deren Reflektion am zweiten Gitter auch zur Wiedervereinigung. Die Gitterkonstanten beider Gitter stehen im Verhältnis ganzer Zahlen zueinander und der Abstand ist so gewählt, daß aufgespaltene Strahlen in einem Punkt wieder zusammentreffen und miteinander interferieren,

Eine gleiche Meßanordnung ist auch in Optical" Technology, VoI 38, NoIO (Oct. 1971). S. 588—590, beschrieben. Die aufeinanderfolgenden drei Beugungsvorgänge werden hier jedoch an drei Reflektionsgittern durchgeführt.

Die miteinander interferierenden Lichtstrahlenbündel werden in unterschiedliche Beugungsordnungen gelenkt und erzeugen dort zueinander um 180° phasenverschobene Liciitmodulationen, die mit einem fotoelektrischen Empfängersystem in elektrische Gegentaktsignale umgewandelt werden können. Es fehlen aber zusätzliche, um vorzugsweise 90° oder ungeradzahlig Vielfache dazu phasenverschobene Signale als weitere Komponenten eines elektrischen Drehfeldes. Aus der Drehrichtung des zugehörigen Drehfeldvektors könnte dann in bekannter Weise die relative Bewegungsrichtung der beugenden Gitter ermittelt werden.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung der vorgenannten Art zu schaffen, mit der alle für ein elektrisches Drehfeld benötigten phasenverschobenen Signale erzeugt werden können und die eine einfachere Signalauswertung zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Nach einer Fortbildung der Erfindung ist auch dann eine Aufspaltung erzielbar, wenn die Ebenen mindestens zweier Gitter in einem Winkel zueinander stehen.

Der besondere Vorteil der neuen Anordnung ergibt sich daraus, daß es mit ihr gelingt, aus einem einzigen Gitterfeld alle zur Bestimmung eines elektrischen Drehfeldes erforderlichen Signale gleichzeitig zu gewinnen.

In den Zeichnungen sind schematisch Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Es zeigen

Fig.) und 2 eine Durchlichtanordnung mit Gittern in unterschiedlichen Abständen,

Fig. la ein Beispiel für ein fotoelektrisches Empfängersystem,

Fig. 3 eine Durchlichtanordnung mit sich in ihren Gitterkonstanten unterscheidenden Gittern und

Fig.4 eine Auflichtanordnung mit gegeneinander geneigten Gittern.

Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, wird das von einem Gitter 11 in verschiedenen Richtungen /_±i gebeugte Licht / von einem Gitter 12 umgelenkt und an einem Gitter 13 wieder interferentiell vereinigt, das — im Fall gleicher Gitterkonstante aller Gitter — um eine Strecke id/längs der optischen Achse verschoben ist.

Der nach dem Gitter 13 interferierende .Strahlenverlauf hat einen Abstand 5, und in der Brennebene 14 einer Optik 15 entstehen Interferenzstreifen gleicher Neigung. Phasenverschobene Signale kann man erhalten, wenn man in der Ebene 14 ein fotoelektrischcs limpfängersystem (Fig. la) anbringt, auf dessen einzelnen Empfängerflächen a, b, c, (/die Interferenzstreifen /' unterschiedlich auftreffen und so elektrische Drehfeldsignalc erzeugen.

Durch die Aufspaltung der Strahlenführung wird eine örtliche Helligkeitsmodulation der Lichtquellenbilder in der hinteren Brennebene erzeugt,

Fig.3 zeigt einen iin Prinzip ähnlichen Aufbau, bei dem die Gitter 11, 12 und 13 gleiche Abstände zueinander haben, während sich die Gitterkonstante d<\ und du oder du so voneinander unterscheiden, daß am letzten Gitter die gewünschte Strahlenaufspaltung in den Abstand serzielt wird.

Neben den phasenverschobenen Signalen sind auch in der Empfängerebene 14 in unterschiedlichen Abständen von der optischen Achse aus anderen Beugungsordnungen herrührende Lichtflüsse meßbar, wie dies in Fig.3 angedeutet ist.

Ein Ausführungsbeispiel mit Auflicht zeigt Fig.4. Hier sind die unterschiedlichen Abstände zwischen den Gittern durch Kippung der Ebene des Gitters 12 gegen die Ebene des Gitters 11 um einen Winkel ε erreicht.

Es bleibt zu erwähnen, daß sich die gewünschte Strahlaufspaltung um den Betrag sauch auf anderen als den hier gezeigten Wegen erreichen läßt. Es sei hierzu beispielsweise auf optische Keile zwischen parallelen Gittern oder Radialgittern als Markenträger mit örtlich unterschiedlicher Gitterkonstante hingewiesen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung von Linear- oder Winkelbewegungen sowie Linear- oder Winkelgeschwindigkeiten, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels, mit einem ersten lichtbeugenden Gitter, das das Lichtstrahlenbündel in mindestens zwei auseinanderlaufende Teilstrahlenbündel zerlegt, mit mindestens einem weiteren lichtbeugenden Organ, das die gebeugten Teilstrah- m lenbündel wieder zusammenführt, mit einem letzten lichtbeugenden Gitter, das unterschiedliche Teilstrahlenbündel in dieselbe Richtung lenkt, so daß sie miteinander interferieren können, und mit fotoelektrischen Mitteln zur Auswertung unterschiedlichen Phasenlagen mindestens eines der bei einer gegenseitigen transversalen Bewegung der Gitter bzw. Organe durch Interferenz modulierten Strahlenbündel, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände uDcfoder die Gitterkonstanten der lichtbeugenden, im wesentlichen parallel zueinander bewegbaren Gitter bzw. Organe so gewählt sind, daß die von einem Punkt des ersten lichtbeugenden Gitters (11) ausgehenden Lichtstrahlen (l_+], /_i) am letzten lichtbeugenden Gitter (11; 13) an mindestens zwei nebeneinander liegenden Prnkten auftreffen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gitter (11, 12, 13) mit untereinander unterschiedlichen Gitterkonstanten vorgesehen sind. to

3. Anordnuv.j nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstfnde zwischen den Gittern (11, 12, 13) sich voneinander unterscheiden.

4. Anordnung nach Anspruch '· oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen mindestens zweier r, Gitter (11, 12) in einem Winkel zueinander stehen (F ig. 4).