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Interferometrische Einrichtung zum Messen von Abständen
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und Abstandsänderungen Die Erfindung betrifft eine interferometrische
Einrichtung zum Messen von Abständen und Abstandsänderungen eines Ob-Objektes im
Bezug auf einen Fixpunkt, insbesondere für Feinmeßgeräte.
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Aus der DE-OS 2012.946 ist eine interferometrische Vorrichtung zur
Bestimmung des Abstandes eines Objektes im Bezug auf eine definierte Lage mittels
einer von einer Lichtquelle ausgesandten Strahlung bekannt, die nach einer Wechselwirkung
mit dem Objekt zusammen mit einer, einem Referenz strahlengang durchlaufenen Strahlung
einem fotoelektrischen Empfänger zugefUhrt wird. Die von der Lichtquelle ausgehende
Strahlung ändert die Frequenz um einen Mittelwert. Die interferometrische Vorrichtung
besitzt in einem der zwei Arme einen mit dem Objekt mechanisch fest verbundenen
Reflektor. Die Strahlung ist polarisiert und mindestens einer der Arme der Vorrichtung
enthält mindestens eine2 - Platte.
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Diese Einrichtung besitzt jedoch den Nachteil, daß Messungen des Abstandes
des Objektes von einer definierten Lage nur möglich sind, wenn diese Lage in der
optischen Achse oder in deren unmittelbaren Nähe des den Meßstrahlengang umfassenden
Armes ist. Liegt die definierte Lage außerhalb der optischen Achse, was bei derartigen
Messungen meistens
der Fall ist, so sind diese interferometrischen
Messungen nicht durchführbar, Es ist deshalb Zweck der Erfindung, die Nachteile
des Standes der Technik zu beseitigen und die Möglichkeiten interferometrischer
Längenmessungen zu erweitern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische
Einrichtung zum Messen von Abständen und Abstandsänderungen eines in beliebiger
Richtung außerhalb der optischen Achse verschobenen Objektes zu einem Fixpunkt zu
schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer solchen Einrichtung,
umfassend eine monochromatische Lichtquelle, strahlenteilende Elemente, einen Meß-
und einen Referenzstrahlengang und fotoelektrische Empfänger, dadurch gelöst, daß
im Meßstrahlengang optische Elemente zur Erzeugung eines divergierenden Lichtbündels
im Objektraum und im Referenzstrahlengang abbildende und steuernde optische Elemente
zur Erzeugung eines dem vom Objekt reflektierten Liehtbündel in Apertur und Richtung
äquivalenten Vergleiohsbündels vorgesehen sind, und daß ein aus fotoaktiven Einzelelementen
zusammengesetzter, flächenhafter und Gleiehlichtanteile unterdrückender fotoelektrischer
Empfänger vorgesehen ist.
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Vorteilhaft ist, wenn sowohl im Meß- als auch im Referenzetrahlengang
strahlenaufweitende afokale optische Systeme und diesen zugeordnete Mattscheiben
vorgesehen sind, wobei diese Mattscheiben in der lichtquellenseitigen Brennebene
einer die eine Mattscheibe auf der fotoelektrischen Empfänger und einer die andere
Mattscheibe in Richtung auf einen mit dem Objekt verbundenen Retroreflektor projizierenden
Linse angeordnet sind.
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Zur Erzeugung der beiden Strahlengänge ist es vorteilhaft, daß im
Beleuchtungsstrahlengang eine optoakustische Zelle oder ein anderes elektro-optisches
Bauelement zur Aufspaltung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels in eine
0.- und 1.-Ordnung angeordnet ist, wobei das BUndel O.-Ordnung für den Meß-und das
BUndel 1,-Ordnung fUr den Referenzstrahlengang vorgesehen sind.
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Es ist ferner vorteilhaft, daß der Retroreflektor im Meßstrahlengang
auf die halbe mittlere Meßlänge f-'-5m fokussiert ist, wobei die Apertur des Retroreflektor
so bemessen ist, daß die Unparallelität der interferierenden Wellenfronten W nicht
Ubersteigt und daß im Meßstrahlengang eine amplitudenmodulierende Zelle angeordnet
sind.
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FUr manche Anwendungszwecke kann es gUnstig sein, daß der mit dem
Objekt verbundene Retroreflektor mit einer konvexen Reflexionsfläche versehen ist.
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Zum Erfassen der den Abständen und den Abstandsänderungen analogen
Signale besitzt der fotoelektrische Empfänger eine kreuzrasterförmige fotoaktive
Schicht, deren fotoaktive Einzelelemente durch ein gemeinsames kapazitives Kopplungsmittel
mit einem gemeinsamen Leiter verbunden sind, wobei der fotoelektrische Empfänger
auf festgelegte Frequenzen der einfallenden Strahlung abgestimmt ist.
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Diese interferometrische Einrichtung hat den Vorteil, daß Abstandemessungen
zwischen einem Objekt und einem Fixpunkt ermöglicht werden, auch wenn das Objekt
richtungsverschoben, d.h. außerhalb der optischen Achse des Meßstrahlenganges liegt.
Es entfallen somit mechanische und regelungstechnische Mittel, mit denen der Meßstrahlengang
auf das Objekt bei außeraxialer Lage desselben gerichtet werden mUßte. Es wird ferner
der Anwendungsbereich derartiger Einrichtungen erweitert.
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Die Erfindung soll nachstehend an AusfUhrungsbeispielen erläutert
werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig. 1 den Strahlengang einer interferometrischen
Einrichtung als Laser-Doppler-Zweistrahlinterferometer, Fig. 2 im Prinzip die Schaltung
des fotoelektrischen Empfängers, Fig. 3 den Aufbau des Empfängers, Fig. 4 ein Signalflußbild
der Signalverarbeitung, Fig. 5 eine Kleinausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung
und Fig. 6 eine Einrichtung mit konvexem Retroreflektor.
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Die interferometrische Einrichtung nach Fig. 1 besteht aus einer festen
Basis 1 eines Zweistrahlinterferometers und einem mit einem nicht dargestellten
Objekt verbundenen Retroreflektor 2 der vorzugsweise aus einem Hohlspiegel und einer
Linse besteht. Mit e ist der zu messende Abstand zwischen den Hauptpunkten 3 und
4 der Linsen 5 und 6 bezeichnet.
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Bei dieser Einrichtung beleuchtet eine als Laser ausgebildete Lichtquelle
7 eine opto-akustische Zelle 8, welche das LichtbUndel 9 in eine Anzahl von BeugungsbUndeln
beugt, wovon das BUndel O.-Ordnung (10) für den Meßstrahlengang und das BUndel 1.-Ordnung
11 für den Referenzstrahlengang vorgesehen sind. Das Bündel O.-Ordnung 10 dient,
weil es den größten Energieanteil besitzt, zur Beleuchtung des Objektraumes und
schwingt mit der von der Lichtquelle 7 (Laser) erzeugten Frequenz R . Die Frequenz
des BUndels 1.-Ordnung 11 ist Uber die in die opto-akutische Zelle 8 einsteuerbare
Schallenergie (Trägerfrequenzf modulierbar. Sie beträgt somit pefro Zwei afokale
optische Systeme 12; 13 und 14; 15, dargestellt durch Linsen,weiten die Bündel 10
und 11 auf. Diesen afokalen Systemen nachgeschaltete lichtstreuende Elemente in
Form von Mattscheiben 16 und 17 geben den Bündeln 10 und 11 die fUr die nach-
folgende
Meßoptik erforderliche Divergenz. Zum besseren Verständnis wurden diese Mattscheiben
16 und 17 hinter den afokalen Systemen angeordnet, besitzen sie jedoch eine ausgeglichenere
Wirkung. Ein Strahlenteiler 18 leitet das Bündel 0. Ordnung 10 der als Meßlinse
dienenden Linse 5 zu, die das Licht unter Abbildung eines Flächenelementes der Mattscheibe
16 nach Unendlich in den Objektraum zerstreut. Das vom Retroreflektor 2 erfaßte
Licht des Bündels 10 wird in sich zurUckgefUhrt und durch die Linse 5 einem fotoelektrischem
Empfänger 19 zugeführt. Im Referenzstrahlengang mit dem BUndel 1.-Ordnung 11 projizieren
eine Linse 2 und ein Strahlenteiler 21 das Licht auf den fotoelektrischen Empfänger
19, wobei das Licht dieses Bündels 11 in Apartur und Richtung mit dem vom Retroreflektor
2 zurückgeworfenon Licht Ubereinstimmt. Beide Bündel 10 und 11 interferieren. Am
Bildort der Interferenzen empfängt der foto elektrische Empfänger 19 die eingesteuerte
Trägerfrequenz fv und die der Objekt verschiebung proportionale Dopplerfrequenz
k Wie weiter unten näher im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 erläutert wird,
ist der Empfänger 19 gegenüber Gleichlichtanteilen unempfindlich.
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Wie Fig. 2 zeigt, besitzt der fotoelektrische Empfänger 19 auf einem
Träger 25 eine fotoaktive Schicht 26, die durch gekreuzte rasterartige Zonen 27
in viele Einzelelemente 28 geteilt ist, welche durch kapazitive Koppelelemente 29,
mit einem gemeinsamen Leiter 30 verbunden sind.
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Wegen des kapazitiven Widerstandes der Koppelelemente 29 werden Gleichlichtanteile
unterdrückt, Wechsellichtsignale jedoch,auf deren Frequenz die Kapazität abgestimmt
ist, werden an den Ausgang des Leiters 30 geführt, auch wenn sie nur von einzelnen
Elementen 28 der fotoaktiven Schicht 26 des Empfängers 19 stammen. Die durch Gleichlichtanteile
beaufschlagten Elemente 28 liefern dagegen kein elektrisches Signal an den Leiter
30.
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Bei dem in Fig, 3 dargestellten Empfänger 19 ist z.B, als Leiter 30
eine mit einer durchlässigen Metallschicht überzogene Glasplatte vorgesehen. Diese
Glasplatte besitzt ein als Schicht aufgebrachtes Dielektrikum 31, dessen Dicke auf
die von der Größe der Einzelelemente 28 und der Trägerfrequenz 8Rerforderlichen
Kapazität abgestimmt ist. Die Einzelelemente des Empfängers können auch auf integrierter
Basis und unter Verwendung abgestimmter Schwingkreise aufgebaut sein.
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Das Signalflußbild nach Fig. 4 zeigt schematisch die Verarbeitung
der mit der Trägerfrequenz I behafteten Dopplerfrequenz +» zu einem weiterverarbeitbaren
Signal, Es ist ein Sinusgenerator 35 und eine Mischstelle 36 dargestellt. Der Sinusgenerator
35 gibt seine Modulations-oder Trägerfrequenz {* auf die opto-akustische Zelle 8
und die Mischstellek36. Der Empfänger 19 ist für Signale der Lichtfrequene v zu
träge, nimmt jedoch Signale mit der um die Dopplerfrequenz b verschobenen Frequenz
t+ sa auf und leitet sie der Mischstelle 36 zu. Hier wird nun die Dopplerfrequenz
f. von der Trägerfrequenz ti getrennt.
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Das von der Trägerfrequenz h befreite Signal mit der Dopplerfrequenz
5 kann einem nicht dargestellten Impulszähler zur Weiterverarbeitung zugeführt werden,
um die Position des Objektes zu ermitteln.
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Das in Fig, 5 dargestellte Laser-Doppler-Zweistrahlinterferometer
umfaßt eine Basis 41 und einen Retroreflektor 42, der mit dem Objekt verbunden ist.
Das von einer nicht dargestellten Lichtquelle ausgehende Lichtbündel passiert eine
Blende 43 und wird durch einen Strahlenteiler 44 in einem Meß- und einen Referenzstrahlengang
geteilt. Der Referenzstrahl trifft auf einen schwach reflektierenden Referenzspiegel
45 und wird über den Strahlenteiler 44 auf den fotoelektrischen Empfänger 46 gerichtet.
Der Meßstrahl durchläuft eine amplitudenmodulierende Zelle 47 und wird über die
Meßlinse 48 in Form von Kugelwellen in den Objektraum verstreut.
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Bei dieser Einrichtung besitzen Meß- und Referenzstrahlengang die
gleiche Frequenz 3 . Ein Teil des gestreuten Lichtes im Meßstrahlengang gelangt
auf den nicht auf Unendlich fokussierten Retroreflektor 42. Dieser ist auf die Brennweite
f'=lm fokussiert, wobei em die mittlere 2 Meßlänge ist. Die Apertur des Retroreflektors
42 ist so bemessen, daß die Unparallelität der interferierenden Wellenfronten nicht
überschreitet, wobei2die Wellenlänge des Lichtes ist.
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Der Meßstrahl läuft in sich zurück und ist durch die Retroreflektorbewegung
nach R + fw dopplerverschoben. Nach nochmaligem Passieren der Zelle 47 wird die
volle Ampli tudenmodulation erreicht. Die Frequenz verändert sich nicht. An der
Teilerfläche des Strahlenteilers 44 erfolgt Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahlengang.
Der Empfänger 46 nimmt an der Auftreffstelle des vereinigten interferierenden Bündels
die mit der Dopplerfrequenzifa amplitudenmodulierte Strahlung der Trägerfrequenz
ts auf.
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Das vom Empfänger 46 erzeugte Signal wird einer Auswerteeinrichtung
zur Gewinnung eines der Meßstrecke e analogen Meßwertes zugeführt. Die Meßstrecke
elbefindet sich, wie Fig. 5 zeigt zwischen dem Fokus 49 der Meßlinse 48 und dem
äußeren Hauptpunkt 50 des Retroreflektors 42.
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Das Messen von Abständen mit Retroreflektoren ist im wesentlichen
an räumliche Paralleischiebungen gebunden.
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Es gibt jedoch Zustellbewegungen, die drehend um eine oder mehrere
Achsen erfolgen und die Anwendung dieser Retroreflektoren nicht gestatten. Hier
ist der Einsatz sphärischer mit konvexer Reflexionsfläche versehener Reflektoren
gemaß Fig. 6 vorteilhaft. Sie besitzen neben der Drehunempfindlichkeit den Vorzug,
daß durch Wahl des Radius'der reflektierenden Fläche der Meßpunkt in gewünschte
Ebenen, Achsen und Punkte gelegt werden kann, so daß EinflUsse von Drehlagefehlern
des Systemes Objekt-Reflektor vermieden werden. Desweiteren sind derartige Einrichtungen
in der Strömungsmeßtechnik einsetzbar.
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Gemäß Fig. 6 sind die Grundeinheiten einer solchen Einrichtung die
Basis 61 und ein sphärischer Reflektor 62.
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Die monochromatisches Licht liefernde Lichtquelle 7 erzeugt über den
schwach reflektierenden Strahlenteiler 63 einen Meß- und einen Referenzstrahlengang
64 und 65. Ein elektro-optisches Bauelement 66 verschiebt die Frequenz des Meßstrahlenganges
64 auf # + fv . Von einer Linse 67 wird das Licht des Meßstrahlenganges 64 gestreut
und von einem Prisma 68 so abgelenkt, daß der virtuelle Ursprung der Kugelwellen
im objektseitigen Hauptpunkt 3 der Linse 5 liegt. Ein Teil des vom Reflektor 62
reflektierten Lichtes wird von der Linse 5 als otreukreis auf dem Empfänger 19 abgebildet.
Das Licht des Meßstrahlenganges 64 besitzt an dieser Stelle aufgrund der Objektverschiebungen
die Frequenz>Ptfa. Im Referenzstrahlengang 65 streuen Linse 69 und Prisma 70
so, daß das Licht vom Hauptpunkt 4 einer Linse 71 auszugehen scheint. Linse 72 und
Reflektor 73 haben die Aufgabe, Referenzbündel bereitzustellen, die in allen vorkommenden
Positionen des Objektes mit dem Meßstrahlengang 64 in Richtung, Bildart und näherungsweise
auch in der Apertur übereinstimmen, Das Licht des Meß- und des Referenzstrahlenganges
64 und 65 interferiert am Strahlenteiler 63. Der Empfänger 19 nimmt die Schwebungsfrequenz
fv#fn auf. Die Gewinnung des Signals mit der Frequenz #f, zur Ermittlung von Wegen
und Geschwindigkeiten erfolgt, wie bei Fig. 4 gezeigt über eine Mischstelle.
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L e e r s e i t e