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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Instrument zur
Feststellung der Verschiebung einer Skala, welches die
Lichtinterferenz ausnutzt, insbesondere auf ein Instrument,
das eine Vielmoden-Halbleiterlaservorrichtung als Lichtquelle
verwendet
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Unter den verschiedenen optischen Instrumenten zur Messung
einer Verschiebung, welche Veränderungen in der Lage (Länge
einer Verschiebung) eines optischen Gitters feststellen
können, indem sie das gebeugte Licht veranlassen zu
interferieren, wobei ein sich verschiebendes optisches Gitter
als Skala verwendet wird, ist ein Instrumententyp bekannt, für
den im wesentlichen Veränderungen in der Wellenlänge erlaubt
sind, und in dem die Feststellung der Verschiebung durch
Verwendung der Interferenz zwischen gebeugten Lichtstrahlen
der gleichen Ordnung und unterschiedlichen Vorzeichen, Plus
und Minus, ausgeführt wird, wie er in der Veröffentlichung des
japanischen Gebrauchsmustermodells Nr. 85510/1982 oder der
einstweiligen Veröffentlichung des japanischen Patents Nr.
191907/1983 offenbart ist, und ebenso ein anderer
Instrumententyp, in welchem die Feststellung der Verschiebung
durch die Verwendung der Interferenz zwischen den gebeugten
Lichtstrahlen der ersten Ordnung durchgeführt wird, wie er in
der japanischen Patentanmeldung Nr. 205956/1983 offenbart ist.
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Da alle diese bekannten optischen Instrumente zur Messung
einer Verschiebung so ausgeführt sind, daß ihr optisches
System keinen Einflüssen ausgesetzt ist, wie z. B.
zerstörerischen Interferenzen usw., verursacht durch
Veränderungen in der Wellenlänge der Lichtquelle innerhalb
eines zulässigen Bereichs, haben sie den Vorteil, daß es
möglich ist, eine Lichtquelle zu verwenden, welche bezüglich
der Stabilität der Wellenlänge mangelhaft, aber nicht teuer
ist, wie z. B. eine Halbleiterlaservorrichtung.
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Andererseits jedoch ist es notwendig, damit diese optischen
Systeme ihre gewünschten Charakteristiken beweisen können,
diese in einer Art einzustellen, daß die optischen Weglängen
der zwei Strahlen, welche mittels eines Strahlenaufteilers
oder eines optischen Gitters in dem Interferometer aufgeteilt
werden, gebeugt und anschließend interferiert werden, sich
immer gleich verändern. Der Grund, warum dies absolut
notwendig ist, ist folgender. Wenn ihre optischen Weglängen
sich voneinander unterscheiden, würden Phasenveränderungen in
den Interferenzsignalen durch Veränderungen in der Wellenlänge
zur gleichen Zeit hervorgerufen wie die Phasenveränderungen
infolge der Verschiebung des optischen Gitters, welche
gemessen werden soll, was eine Erhöhung der Meßfehler ergeben
würde.
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Um solch einen Nachteil zu vermeiden, sollte die Genauigkeit
der Einstellung der optischen Weglängen der zwei oben
erwähnten Strahlen z. B. von mehreren Zehntel von um bis
mehreren Hundertstel von um in dem Fall liegen, in dem eine
Halbleiterlaservorrichtung ohne Temperaturkompensation
verwendet wird, obwohl es nicht möglich ist, allgemeine
Aussagen zu treffen, da es von den Veränderungen in der
Wellenlänge abhängt, welche erlaubt werden, und von der
erforderlichen Genauigkeit, ebensogut wie von der Länge der
Verschiebung des optischen Gitters, mit welcher eine Periode
der Interferenzsignale korrespondiert.
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Es ist überlegt worden, daß für diesen Zweck ein
Hochpräzisionsträger für ein optisches System oder eine
Führungsvorrichtung für die Positionierung notwendig wäre.
Ersteres war teuer und das Letztere verursachte Probleme, so
daß eine hohe Genauigkeit für die Einstellung erforderlich
war, und daß, wenn Befestigungsmittel, wie z. B. Schrauben,
gelockert wurden, oft Schwierigkeiten in dem optischen System
hervorgerufen wurden, was Meßfehler verursachte. Weiterhin war
es in dem Fall, daß eine gute kohärente Lichtquelle, wie z. B.
ein Einzelmodenlaser usw. benutzt wurde, notwendig, teuere
nicht reflektierende Überzüge auf optischen Teilen vorzusehen,
da befürchtet wurde, daß eine Phasenverschiebung in den
Interferenzsignalen aufgrund der Überlagerung von unnötig
reflektiertem Licht, welches von Oberflächen von optischen
Teilen kommt, erzeugt werden könnten.
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Trotz dieser Gegenmaßnahmen war es schwierig, die
Einstellungsgenauigkeit innerhalb eines gewissen Bereichs zu
halten.
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Das Dokument EP-A-0 065 429 offenbart ein optisches Instrument
zur Messung einer Verschiebung, wobei das Instrument eine
Laservorrichtung als Lichtquelle, ein optisches Gitter,
auf welches ein aus dem Laser heraustretender Lichtstrahl
projiziert wird, und Reflektoren umfaßt, welche die zwei
Strahlen erster Ordnung, welche durch das optische Gitter
gebeugt worden sind, reflektieren und diese auf das optische
Gitter zurückleiten, wobei die reflektierten Beugungsstrahlen
erster Ordnung wiederum durch die genannten Beugungsstrahlen
gebeugt werden, und die so gebeugten zwei Beugungsstrahlen
erster Ordnung durch den Strahlenaufteiler veranlaßt werden,
miteinander zu interferieren.
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Die Erfindung ist getätigt worden, um Maßnahmen gegen die oben
genannten Probleme zu ergreifen, und es ist Aufgabe der
Erfindung, ein optisches Instrument zur Messung einer
Verschiebung anzugeben, welches die oben beschriebenen
Einstellungsschwierigkeiten vermeidet.
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Gemäß der Erfindung, wie sie beansprucht ist, ist ein
optisches Instrument zur Messung einer Verschiebung
vorgesehen, mit einer Lichtquelle, bestehend aus einer
Halbleiterlaservorrichtung, einem Strahlenaufteiler zum
Aufteilen eines aus der genannten Lichtquelle heraustretenden
Strahls in zwei aufgeteilte Strahlen, einem optischen Gitter,
auf welches die aufgeteilten Strahlen projiziert werden, und
Reflektoren, welche die zwei Strahlen erster Ordnung
reflektieren, die durch das optische Gitter gebeugt worden
sind, und diese auf das genannte optische Gitter
zurückleiten, wobei die reflektierten Beugungsstrahlen erster
Ordnung wieder durch das genannte optische Gitter gebeugt
werden und die zwei so wiedergebeugten Beugungsstrahlen erster
Ordnung veranlaßt werden, miteinander durch den genannten
Strahlenaufteiler zu interferieren.
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Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen unter Verwendung einiger bevorzugter
Ausführungsbeispiele ausführlicher beschrieben.
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Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht, die ein Beispiel
des Aufbaus eines optischen Instruments zur Messung einer
Verschiebung gemäß dieser Erfindung zeigt;
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Fig. 2 ist ein Diagramm eines Beispiels der
charakteristischen Kurve, welche eine Beziehung zwischen der
Amplitude der Interferenzsignale und der Differenz zwischen
zwei optischen Weglängen angibt;
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Fig. 3 ist ein Grundriß, welcher eine Anordnung von
Signaldetektoren zeigt, welche in einem optischen Instrument
zur Messung einer Verschiebung gemäß der Erfindung benutzt
werden können;
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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der in Fig. 3
gezeigten Signaldetektoren;
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Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Löschschaltung, die mit den
in Fig. 3 gezeigten Signaldetektoren verbunden ist;
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Fig. 6 (A) und (B) zeigen Wellenformen an den Ausgängen der
in Fig. 3 gezeigten Signaldetektoren;
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Fig. 7 ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel des konkreten
Aufbaus des in Fig. 3 gezeigten Photodetektors zeigt;
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Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung zur Erklärung des
Arbeitsprinzips eines optischen Instruments zur Messung einer
Verschiebung gemäß der Erfindung;
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Fig. 9 und 10 sind schematische Darstellungen zur Erklärung
des gleichen Arbeitsprinzips wie jenes von Fig. 8 für zwei
unterschiedliche Fälle;
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Fig. 11 ist eine schematische Darstellung zur Erklärung des
Arbeitsprinzips eines anderen optischen Instruments zur
Messung einer Verschiebung gemäß dieser Erfindung;
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Fig. 12 und 13 sind schematische Darstellungen zur
Erklärung des gleichen Arbeitsprinzips wie jenes von Fig. 11
für zwei verschiedene jeweils den Fig. 9 und 10
entsprechende Fälle;
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Fig. 14 ist eine schematische Ansicht, welche das Innere
eines Hologramms zeigt, welches als optisches Gitter in einem
optischen Instrument zur Messung einer Verschiebung gemäß
dieser Erfindung benutzt wird;
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Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht, die ein konkretes
Beispiel des Aufbaus der in Fig. 11 gezeigten Anordnung
zeigt; und
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Fig. 16 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der Schaltung
zeigt, welche die Differenz der optischen Weglängen in dem in
Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels anzeigt und einen Alarm
und Anhaltesignale erzeugt.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, welche den Aufbau
eines optischen Instruments zur Messung einer Verschiebung
gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt, wobei das
Bezugszeichen 1 eine Lichtquelle bezeichnet, welche aus einer
Vielmoden-Halbleiterlaservorrichtung besteht, 2 stellt einen
Strahlenaufteiler zum Aufteilen eines Lichtstrahls in zwei
dar; 3 ist ein optisches Gitter, welches als Skala benutzt
wird; 4, 7 und 13 sind λ/4 Scheiben; 5 und 6 sind ein Paar von
Spiegeln; 8 ist ein Halbspiegel; 9 und 12 stellen
polarisierende Scheiben dar; und 10 und 11 sind
Photodetektoren.
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In der oben beschriebenen Vorrichtung tritt ein von der
Vielmoden-Halbleiterlaservorrichtung 1 ausgestrahlter
Lichtstrahl in den Strahlenaufteiler 2 ein und wird am Punkt A
in zwei Strahlen aufgeteilt, welche weiter in Richtung B und C
auf dem optischen Gitter 3 fortschreiten. Jeder der
Lichtstrahlen, die auf das optische Gitter 3 auftreten, wird
gebeugt und durch eine λ/4-Scheibe 4 oder 7 auf einen Spiegel
5 oder 6 projiziert. Jeder Strahl wird bei D oder E
reflektiert und trifft wieder auf das optische Gitter 3. Die
durch das optische Gitter 3 nochmals gebeugten Strahlen kehren
zum Strahlenaufteiler 2 zurück und interferieren dort
miteinander. Danach werden sie durch die Halbspiegel 8 auf die
Photodetektoren 10 und 11 projiziert, welche die
Interferenzintensität feststellen. Auf diese Weise wird die Verschiebung
des optischen Gitters 3, welches als eine Skala benutzt wird,
gemessen.
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Allgemein wird die Sichtbarkeit von Interferenzerscheinungen
in einem Interferometer durch die Kohärenz der Lichtquelle und
durch den Unterschied zwischen den optischen Weglängen der
zwei interferierenden Strahlen bestimmt. Bei einer guten
kohärenten Lichtquelle, wie z. B. einer Laservorrichtung, in
welcher eine Einmodenoszillation stattfindet, geht die
Sichtbarkeit nicht verloren, selbst wenn die Differenz
zwischen den zwei optischen Weglängen groß ist. Andererseits
ist es bekannt, in dem Fall, in welchem eine Lichtquelle
benutzt wird, deren Kohärenz nicht so gut ist, daß die
Sichtbarkeit der Interferenzerscheinungen sich verändert, wenn
sich die Differenz zwischen den zwei optischen Weglängen
ändert.
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Diese Erfindung ist ausgeführt worden durch Anwendung dieses
Prinzips auf das optische Instrument zur Messung einer
Verschiebung.
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In der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist es notwendig,
damit keine Fehler durch eine Veränderung in der Wellenlänge
der Vielmoden-Halbleiterlaservorrichtung 1 hervorgerufen
werden können, daß der Weg A→B→D und der Weg A→C→E der
Lichtstrahlen, welche durch den Strahlenteiler 2 aufgeteilt
werden, so eingerichtet werden, daß ihre Längen gleich sind.
In diesem Fall hängt die Genauigkeit dieser Einstellung von
den Temperaturbedingungen der Umgebung ab, in welcher das
optische System plaziert ist.
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Z. B. besitzt ein handelsüblicher Halbleiterlaser Kennlinien
von Wellenlänge zu Temperaturänderungen, welche ungefähr 0,3
nm/ºC betragen. Angenommen, daß der Bereich der
Temperaturänderungen ±10ºC beträgt, und daß die Wellenlänge
780 nm ist, so beträgt die Teilung des optischen Gitters in
diesem optischen System annähernd 0,55 um.
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Weiterhin angenommen, daß die geforderte Genauigkeit 0,1 um
beträgt, sollte die Differenz Δl zwischen den zwei optischen
Weglängen innerhalb des Bereichs liegen, welcher derart
bestimmt ist, daß die Beziehung
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0,1 um> Δλ/λ2 *2* Δl * P/4
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erfüllt ist, in welcher
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λ: die Wellenlänge der Lichtquelle
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P: die Teilung des Gitters ist.
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In diesem Falle beträgt die Toleranz von Δl ungefähr 70 um.
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Damit diese Differenz überwacht werden kann, ist es notwendig,
eine Lichtquelle zu verwenden, die es erlaubt, die
Veränderungen von Δl in dieser Größenordnung festzustellen und
darüber hinaus eine geeignete Kohärenz aufweist, für welche
die Sichtbarkeit für ein Δl, das kleiner als dieser Wert ist,
nicht zu sehr variiert, da es schwierig ist, die Einrichtung
zu beeinflussen, wenn sie auf Δl zu empfindlich reagiert.
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Wenn eine geeignete Vielmoden-Halbleiterlaservorrichtung gemäß
dieser Erfindung verwendet wird, werden diese Bedingungen
erfüllt, und es ist möglich, Veränderungen in der Modulation
für geeignete Veränderungen von Δl zu erreichen, d. h.
Veränderungen in der Differenz zwischen den zwei optischen
Weglängen als Veränderungen bei der Modulation zu detektieren.
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Fig. 2 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der
Differenz Δl zwischen den zwei optischen Weglängen und der
Amplitudenmodulation der Interferenzsignale zeigt, die
experimentiell mittels einer Vorrichtung, die, wie in Fig. 1
gezeigt ist, angeordnet ist, erhalten worden ist.
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Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, versteht es sich, daß die
Einstellung der optischen Weglängen mit deutlich hoher
Genauigkeit durchgeführt werden kann.
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Für ein optisches System mit einer geringeren Genauigkeit kann
eine Vielmoden- Halbleiterlaservorrichtung mit weniger
Schwingungsmoden, wie oben beschrieben, benutzt werden. In
diesem Fall erhält man charakteristische Kurven, die sich
langsamer als jene in Fig. 2 gezeigten verändern. Wenn die
Verwendung einer Einzelmodvorrichtung erwünscht ist, wird eine
Vielmoden-Laservorrichtung nur während der Einstellung des
optischen Systems verwendet und nach Abschluß der Einstellung
kann diese durch die originale Einmoden-Lasereinrichtung
ersetzt werden.
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Außerdem kann man in dem Fall, in welchem eine Vielmoden-
Halbleiterlaservorrichtung verwendet wird, wenn eine Differenz
zwischen den zwei optischen Weglängen durch irgendeinen Grund
hervorgerufen wird, da die Differenz sich selbst als
Verringerung der Ausgangssignale manifestiert und festgestellt
werden kann, es vermeiden, diese zu benutzen, ohne zu wissen,
daß Fehler aufgrund der Veränderungen in der Weglänge
hervorgerufen worden sind. Ferner können, da nur eine
Interferenz selektiv zwischen zwei Strahlen mit kleinem Δl
detektiert werden kann, Interferenzsignale vermieden werden,
welche durch die Interferenz mit durch die Oberflächen von
optischen Teilen unnötig reflektiertem Licht verändert werden,
und auf diese Weise kann die Genauigkeit verbessert werden.
Außerdem, da es nicht möglich ist, nicht reflektierende
Beschichtungen auf optischen Teilen zu verwenden, können
optische Teile, welche nicht teuer sind, benutzt werden. Es
ist auch möglich, das S/N-Verhältnis bezüglich jenem zu
verbessern, welches erhalten wird, wenn eine Einmoden-
Halbleiterlaservorrichtung benutzt wird.
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Fig. 16 stellt ein Blockdiagramm dar, welches ein Beispiel
der Schaltung zeigt, welche die Differenz der optischen
Weglängen in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform anzeigt
und einen Alarm und Anhaltesignale erzeugt.
Detektionssignale, welche durch Verwendung einer Photodetektorschaltung
101, welche die Photodetektoren 10 und 11 umfaßt, erhalten
werden, werden durch eine Verstärkerschaltung 102 zu einer
Zählerschaltung 109 gesendet werden, deren Ausgangssignale
eine Verschiebungs-Anzeigeschaltung 110 ansteuern, auf welcher
die Größe der Verschiebung angezeigt wird. Gleichzeitig
werden die Detektionssignale von der Verstärker-Schaltung 102
über eine Spitzenwert-Halteschaltung 107 zu einer
Anzeigeschaltung 108 für die optische Wegdifferenz geschickt, welche
die Differenz zwischen den optischen Weglängen der zwei
Strahlen anzeigt. Außerdem werden die Detektionssignale ebenso
von der Verstärkerschaltung 102 zu einer Abtastschaltung 103
gesendet, deren Abtastausgangssignale über eine
Vergleichsschaltung 104 zu einer Alarmerzeugungsschaltung 105 übertragen
werden, welche Alarmsignale erzeugt. Die Abtastausgangssignale
steuern ebenfalls eine Anhalte-Schaltung 106, welche die
Vorrichtungen, die zum Meßsystem gehören, anhält.
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Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, welche ein Beispiel
des konkreten Aufbaus eines Signaldetektors zeigt, welcher in
einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung angewendet werden
kann. Die Bezugszeichen 28 und 29 bezeichnen polarisierende
Strahlenaufteiler und 30 bis 33 stellen Photodetektoren dar.
Fig. 4 zeigt einen konkreten Aufbau der polarisierenden
Strahlenaufteiler 28 und 29 und der Photodetektoren.
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Ein durch die zwei Strahlen erzeugter Interferenzlichtstrahl
21 wird mittels eines Halbspiegels 22 in zwei, 21A und 21B,
aufgeteilt, und danach wird jeder der aufgeteilten Strahlen
21A und 21B mittels eines polarisierenden Strahlenaufteilers
28 oder 29 weiterhin in zwei Strahlen aufgeteilt, welche in
zwei sich um 90º voneinander unterscheidende Richtungen
gerichtet sind und auf Photodetektoren 30, 31 oder 32, 33
projiziert werden. D.h., nach der Interferenz treten parallel
zu dem Papier der Figur verlaufende Komponenten in Richtung
auf den Photodetektor 30 hin aus und senkrecht zu dem Papier
verlaufende Komponenten treten in Richtung auf den
Photodetektor 31 hin aus.
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In diesem Fall unterscheiden sich die Phasen der zwei
Interferenzsignale in der Phase um 180º untereinander und ihre
Intensitäten sind fast gleich.
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Andererseits ist die Beziehung zwischen den zwei aufgeteilten
Strahlen, welche aus dem durch den Halbspiegel 22
reflektierten Lichtstrahl abgeleitet werden und durch eine
λ/4-Scheibe 25 durchgetreten sind und in Richtung der
Detektoren 32 und 33 gerichtet sind, die gleiche wie jene
zwischen den aufgeteilten Strahlen, welche in Richtung der
Detektoren 31 und 30 gerichtet sind.
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Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Löschschaltung, welche in der
Vorrichtung gemäß dieser Erfindung verwendet wird, in welcher
D&sub3; und D&sub4; Photodioden darstellen und AMP einen Verstärker
bezeichnet. Es werden zwei solcher Löschschaltungen,
entsprechend den polarisierenden Strahlenaufteilern 28 und 29,
vorgesehen.
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Als ein Beispiel soll der polarisierende Strahlenaufteiler 28
erklärt werden. Die erste Photodiode D&sub3; ist an einer Position
für den Photodetektor 30 angeordnet, und die zweite
Photodiode D&sub4; ist an einer Position für den Photodetektor 31
angeordnet. Außerdem sind diese ersten und zweiten
Photodioden D&sub3; und D&sub4; in Reihe miteinander verbunden, und
gleichzeitig ist ihr Verbindungspunkt mit dem Eingangsanschluß des
Verstärkers AMP verbunden. Mit den ersten und zweiten Dioden
D&sub3;, D&sub4; sind entgegengesetzte Vorspannungsquellen verbunden.
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Bei der oben beschriebenen Schaltung wird, da die
Gleichstromkomponenten der ersten und zweiten Photodioden D&sub3;, D&sub4; an
dem Verbindungspunkt G zwischen diesen gleichzeitig aufge-oben
werden, die Amplitude verdoppelt und es können große
Detektionssignale, wie in Fig. 6(a) gezeigt ist, am Ausgang
des Verstärkers AMP erhalten werden.
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Da der polarisierende Strahlenaufteiler 29 auf die gleiche
Weise wie der oben beschriebene arbeitet, können große
Detektionssignale, dessen Phase sich um 90º gegenüber jenen in
Fig. 6(a) angegeben unterscheidet, wie in Fig. 6(b)
gezeigt, an dem Ausgangsanschluß erhalten werden.
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Bei dieser Erfindung ist es nützlich, wenn die Kennlinien der
zwei in Serie verbundenen Photodioden identisch sind und die
an den Eingang des Verstärkers AMP angelegten Signale keine
unnötigen Komponenten wie z. B. einen Gleichstromanteil,
Dunkelstrom usw. enthalten und mit einem hohen
Verstärkungsfaktor verstärkt werden. Dadurch ist es möglich, große
Ausgangssignale zu erhalten. Überdies ist es möglich, wenn die
zwei Photodioden auf dem gleichen Substrat ausgebildet sind,
wie in Fig. 7 gezeigt ist, Ausgangssignale mit einer noch
höheren Qualität zu erhalten.
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Wie oben erklärt, können, wenn der Signaldetektionsteil wie
oben angegeben aufgebaut ist, große Detektionssignale erhalten
werden.
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Gemäß dieser Erfindung ist es möglich, da die
Gleichstromanteile mit nur wenigen Teilen durch Kombination extrem
einfacher optischer Teile mit einer Löschschaltung unterdrückt
werden können, Detektionssignale zu erhalten, welche nicht nur
groß sondern ebenso von hoher Qualität sind, wobei auf diese
Weise die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert wird.
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Fig. 8 zeigt ein anderes Beispiel für den Aufbau des
optischen Instruments zur Messung einer Verschiebung gemäß
dieser Erfindung, in welcher das Bezugszeichen 41 ein
optisches Gitter, welches als Skala benutzt wird, darstellt;
42 und 43 stellen ein Paar von Spiegeln dar; 52 und 53 sind
ein anderes Paar von Spiegeln; 44 stellt eine Lichtquelle dar;
45 ist ein Photodetektor; 54 stellt einen Strahlenaufteiler
zum Aufteilen des aus der Lichtquelle heraustretenden
Strahls in zwei dar; und 55 bezeichnet eine Senkrechte zum
optischen Gitter 41.
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Bei der Anordnung der oben beschriebenen Vorrichtung wird der
aus der Lichtquelle 44 und auf den Strahlenaufteiler 54
projizierte Lichtstrahl 46 in zwei aufgeteilt, d. h. in den auf
den Spiegel 42 gerichteten Lichtstrahl 46A und den auf den
Spiegel 43 gerichteten Lichtstrahl 46B. Die Lichtstrahlen 46A
und 46B werden jeweils über die Spiegel 42 und 43 auf das
optische Gitter 41 mit gleichen Einfallswinkeln auf beiden
Seiten der senkrechten Achse 55 projiziert. Das optische
Gitter ist so eingerichtet, daß der Beugungsgittervektor
horizontal auf das Papier der Figur gerichtet ist, und daß die
Richtung der zu messenden Verschiebung des optischen Gitters
41, welches als Skala benutzt wird, mit der Richtung des
Beugungsgittervektors übereinstimmt. Auf diese Weise wird der
von dem Spiegel 42 reflektierte Lichtstrahl 46A weiterhin
derart gebeugt, daß er auf den Spiegel 52 projiziert wird, und
gleichzeitig wird der durch den Spiegel 43 reflektierte
Lichtstrahl 46B weiterhin so gebeugt, daß er auf den Spiegel
53 projiziert wird. In diesem Fall werden die einfallenden
Lichtstrahlen 46A und 46B so gebeugt, daß die optische Achse
eines der gebeugten Lichtstrahlen 47A oder 47B mit der
optischen Achse des anderen einfallenden Lichtstrahls
zusammenfällt.
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Anschließend werden die gebeugten Lichtstrahlen 47A, 47B durch
die Spiegel 52, 53 reflektiert und wiederum auf das optische
Gitter 41 projiziert. Hier werden sie erneut gebeugt. Auf
diese Weise wird der von dem Spiegel 52 kommende gebeugte
Lichtstrahl 47A auf den Spiegel 42 projiziert und der von dem
Spiegel 53 kommende gebeugte Lichtstrahl 47B wird auf den
Spiegel 43 projiziert. Dort werden sie reflektiert und kehren
zu dem Strahlenaufteiler 54 zurück. In diesem
Strahlenaufteiler 54 fällt die optische Achse des
übertragenen Lichtstrahls von jenem durch den Spiegel 42
reflektierten mit jenem reflektierten Lichtstrahl von jenem,
welcher durch den Spiegel 43 reflektiert worden ist, zusammen,
und sie interferieren miteinander. Daher wird die Verschiebung
des optischen Gitters 41, welches als Skala benutzt wird,
durch die Feststellung dieser Interferenzintensität mittels
des Photodetektors 45 gemessen. In diesem Fall stehen die
Detektionssignale und die Verschiebung wie folgt in Beziehung.
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Die komplexen Amplituden (außer dem Ausdruck, der sich mit der
Zeit verändert) E&sub1;, E&sub2; der zwei einfallenden Strahlen, welche
durch den Ursprung hindurchtreten, nachdem sie durch die
Spiegel 42, 43 reflektiert worden sind, können wie folgt
ausgedrückt werden.
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E&sub1; = A&sub1;ei(ksinR x - kcosR y - Φ1)h (1)
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E&sub1; = A&sub2;ei(-ksinR x - kcosR y - Φ2) (2)
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wobei R den Einfallswinkel bezeichnet; k stellt die Wellenzahl
der verwendeten Lichtquelle dar; und Φ&sub1; und Φ&sub2; stellen
Veränderungen in der Phase auf den optischen Wegen während des
Intervalls vom Punkt 0, wenn der Originalstrahl durch den
Strahlenaufteiler in zwei aufgeteilt wird, bis zu dem Moment,
wenn die aufgeteilten Strahlen auf das optische Gitter
projiziert werden.
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Außerdem kann der Übertragungskoeffizient T durch die folgende
Gleichung ausgedrückt werden:
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T = cos (Kx - ψ) (3)
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wobei K der Beugungsgittervektor des optischen Gitters ist,
2π/Λ (Λ ist die Wellenlänge des optischen Gitters) die Phase
des Beugungsgitters darstellt.
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Setzt man K = 2ksinR, so daß der Beugungsvektor K die oben
beschriebene Beugungsbedingung erfüllt, kann die Gleichung (3)
wie folgt umgeformt werden.
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T = ei(2kxsinR - ψ) + e-i(2kxsinR ψ)/2(4)
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Der gebeugte Lichtstrahl wird durch das Produkt von E&sub1;, E&sub2; und
T ausgedrückt und auf diese Weise werden E&sub1;&sub1; und E&sub2;&sub1;, welche
das jeweils gebeugte Licht erster Ordnung darstellen, wie
folgt ausgedrückt.
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E&sub1;&sub1; = A&sub1;&sub1;{ei(-ksinR x - kcosR y - Φ&sub1; + ψ)} (5)
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E&sub2;&sub1; = A&sub2;&sub1;{ei(ksinR x - kcosR y - Φ&sub2; + ψ)} (6)
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Wenn als Gitter ein Hologramm vom Volumentyp verwendet wird,
erscheint beinahe kein Licht, außer für das gebeugte Licht der
nullten Ordnung und jenes der ersten Ordnung. In diesem Fall
fallen die Ausbreitungsrichtung des einen der zwei gebeugten
Lichtstrahlen mit der einfallenden Richtung des anderen
zusammen und ihre Phasen unterscheiden sich voneinander durch
P, ausgedrückt durch die folgende Gleichung.
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P = -Φ&sub1; + ψ -(-Φ&sub2;-ψ) = Φ&sub2; - Φ&sub1; + 2ψ (7)
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Setzt man nun jeweils Φ&sub3; und Φ&sub4; für die Phasenveränderungen
dieser gebeugten Lichtstrahlen von dem Moment, wenn diese
gebeugten Lichtstrahlen durch die Spiegel 52 und 53
reflektiert werden bis zu dem Moment, wenn sie jeweils auf das
optische Gitter 41 projiziert werden, können die komplexen
Amplituden E&sub1;&sub2;, E&sub2;&sub2; der Strahlen, kurz bevor sie zu dem
optischen Gitter 41 zurückkehren und darauf projiziert werden,
wie folgt ausgedrückt werden.
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E&sub1;&sub2; = A&sub1;&sub2;{ei(ksinR x + kcosR y - Φ&sub1; - Φ&sub3; + ψ)} (8)
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E&sub2;&sub2; = A&sub2;&sub3;{ei(-ksinR x + kcosR y - Φ&sub2; - Φ&sub4; + ψ)} (9)
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E&sub1;&sub3; und E&sub2;&sub3;, welche komplexe Amplituden der gebeugten
Lichtstrahlen der ersten Ordnung der wieder auf das optische
Gitter 41 projizierten und durch diese jeweils gebeugten
Strahlen sind, können in der gleichen Weise wie die oben
erwähnten Gleichungen (5) und (6) wie folgt berechnet werden.
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E&sub1;&sub3; = A&sub1;&sub3;{ei(-ksinR x + kcosR y - Φ&sub1; - Φ&sub3; + 2ψ)} (10)
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E&sub2;&sub3; = A&sub2;&sub3;{ei(ksinR x + kcosR y - Φ&sub2; - Φ&sub4; - 2ψ)} (11)
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Überdies ist zu erkennen, wenn man die Aufmerksamkeit nur auf
die gebeugten Lichtstrahlen der ersten Ordnung richtet, daß
diese Wellen sind, welche sich in die entgegengesetzte
Richtung entlang der gleichen Wege wie jene der einfallenden
Lichtstrahlen sich ausbreiten.
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Wenn diese Wellen in den Strahlenaufteiler 54 eintreten,
laufen die durch den Spiegel 42 reflektierten Lichtstrahlen
geradlinig weiter und andererseits wird jener durch den
Spiegel 43 reflektierte Strahl derart reflektiert, daß diese
zwei Strahlen die gleiche optische Achse besitzen. Setzt man
Φ5 und Φ6 für die Phasenveränderungen der zwei Strahlen bis zu
diesem Moment ein, können E&sub1;&sub4; und E&sub2;&sub4;, welche komplexe
Amplituden der zwei Strahlen darstellen, wenn sie zu
interferieren beginnen durch die folgenden Gleichungen
ausgedrückt werden.
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E&sub1;&sub4; = A&sub1;&sub4;{ei(ksinR x + kcosR y - Φ&sub1; - Φ&sub3; - Φ&sub5; + 2ψ)} (12)
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E&sub2;&sub4; = A&sub2;&sub4;{ei(ksinR x + kcosR y - Φ&sub2; - Φ&sub4; - Φ&sub6; - 2ψ)} (13)
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Weiterhin kann die Interferenzintensität wie folgt dargestellt
werden.
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I = (E&sub1;&sub4; + E&sub2;&sub4;) (E&sub1;&sub4; + E&sub2;&sub4;)*
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= {A&sub1;&sub4;² + A&sub2;&sub4;² + 2A&sub1;&sub4;A&sub2;&sub4;cos(Φ&sub2; + Φ&sub4; + Φ&sub6; - Φ&sub1; - Φ&sub3; - Φ&sub5; - 4ψ)} (14)
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wobei C = (Φ&sub2; + Φ&sub4; + Φ&sub6; - Φ&sub1; - Φ&sub3; - Φ&sub5;) eine Konstante ist,
welche sich nicht ändert, selbst wenn sich das als Skala
benutzte optische Gitter bewegt. Wenn die optische Weglänge
der zwei Strahlen gleich ist, dann ist C = 0, und in diesem
Fall kann die Interferenzintensität I wie folgt ausgedrückt
werden.
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I = A&sub1;&sub4;² + A&sub2;&sub4;² + 2A&sub1;&sub4;A&sub2;&sub4; cos(-4ψ) (15)
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Überprüft man diese Gleichung, so ist zu verstehen, daß
Phasenveränderungen, welche viermal so groß wie die
entsprechenden Phasenveränderungen der Skala sind, in den
Interferenzsignalen erscheinen. Setzt man 1 für die
Verschiebung der Skala ein, kann die Phase des optischen
Gitters ψ durch die folgende Gleichung berechnet werden.
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ψ = 1 K = 1 2ksinR = 1·2 2π/λ sinR (16)
-
In diesem Fall kann durch Verwendung der Beziehung 2π = 4Φ
= 4 * 2 * π2/λ sinRL, wobei die Verschiebung L einer Periode
des Interferenzsignales entspricht, durch die folgende
Gleichung ausgedrückt werden.
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L = λ/8 sinR = Λ/4 (17)
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Als ein Beispiel wird angenommen, daß λ = 7800 Å, R = 45º, und
unter Anwendung von Gleichung (17) erhält man
L = 0.78/8sin45º = 0.78/8*0.707 = 0.138um.
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In dem Fall, in dem vorausgesetzt wird, daß dieser Wert ein
Standardwert ist, wobei die Periode durch 10 und etwas geteilt
wird, ist es möglich, eine Verschiebung in einer Größenordnung
von 1/100 um zu messen. Außerdem sind, wenn die optischen
Weglängen der zwei Strahlen gleich sind, selbst wenn die
Wellenlänge der Lichtquelle wechselt, die Phasenveränderungen
auf den optischen Wegen ebenfalls gleich. Auf diese Weise ist
C = 0, und es werden Interferenzsignale erhalten, welche
gegenüber Veränderungen in der Wellenlänge der Lichtquelle
unveränderlich sind. Weiterhin ist es möglich, selbst in dem
Fall, in dem eine Lichtquelle, deren Bereich der
Oszillationswellenlänge groß ist und welche nicht kohärent
ist, benutzt wird, wenn C klein ist, Interferenzsignale zu
erhalten.
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Bei dem Instrument gemäß dieser Erfindung verändern sich, wie
es aus den oben beschriebenen Tatsachen offensichtlich ist,
selbst wenn die Wellenlänge der Lichtquelle sich verändert,
die optischen Weglängen der zwei Strahlen auf gleiche Weise.
Folglich ist das Instrument gemäß dieser Erfindung so
aufgebaut, daß die Differenz zwischen den optischen Weglängen
C immer auf dem Wert 0 aufrechterhalten wird. Dieser Zustand
wird auch aufrechterhalten, wenn die Skala (das optische
Gitter) sich vertikal bewegt.
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Fig. 9 stellt ein Beispiel dar, welches die optischen Wege
zeigt, wobei die gestrichelten Linien optische Wege in dem
Fall zeigen, in welchem sich die Wellenlänge der Lichtquelle
44 verändert. Wie die Figur erkennen läßt, erscheinen keine
Veränderungen in der Differenz zwischen den optischen
Weglängen, da die optischen Wege der zwei Strahlen sich
symmetrisch verändern, und daher wird die Interferenz nicht
gestört, da winklige Verschiebungen an den Enden der optischen
Wege ebenfalls gleich sind.
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Weiterhin werden, obwohl die Stelle der zweiten Beugung auf
dem optischen Gitter in der Figur verschoben ist, die
Einflüsse der Veränderung in den optischen Weglängen
gegeneinander aufgehoben, da die optischen Wege sich
symmetrisch in der horizontalen Richtung mit Bezug auf jene
vor der Veränderung in der Wellenlänge verändern, und auf
diese Weise verursachen sie keinerlei Phasenveränderungen in
den Detektionssignalen.
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Außerdem ist diese Verschiebung extrem klein, obwohl die
Position des aus dem Strahlenaufteiler 54 austretenden
Interferenzstrahls mehr oder weniger verschoben ist, wenn der
Bereich der Veränderungen in der Wellenlänge klein ist.
Folglich werden keinerlei Probleme erzeugt, wenn der
Photodetektor 45 bezüglich der Verschiebung ausreichend breit ist.
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Fig. 10 stellt eine schematische Darstellung dar, in welcher
das optische Gitter 41 vertikal bewegt wird. In diesem Fall
verändert sich die Lage der Beugung symmetrisch in der
gleichen Weise wie für die Veränderungen in der Wellenlänge
oben beschrieben wurde, selbst wenn das Beugungsgitter von 41
(A) nach 41 (B) verschoben wird, und die optischen Weglängen
sich wie durch die unterbrochenen Linien gekennzeichnet,
verändern, wobei Einflüsse der vertikalen Verschiebung des
optischen Gitters gegeneinander aufgehoben werden.
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Fig. 11 stellt eine schematische Darstellung dar, welche den
Aufbau eines anderen optischen Instruments zur Messung einer
Verschiebung gemäß dieser Erfindung zeigt, welches so
aufgebaut ist, daß die gebeugten Strahlen durch ein Paar von
Spiegeln 63, 64 reflektiert werden und ein Strahlenaufteiler
54 diese veranlaßt, miteinander zu interferieren.
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Die Fig. 12 und 13 stellen schematische Darstellungen dar,
wenn Veränderungen in der Wellenlänge der Lichtquelle 44
erzeugt werden, und wenn das optische Gitter 41 jeweils
vertikal in der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung verschoben
wird. Da die Einflüsse dieser Veränderungen, aus dem gleichen
Grunde wie dem bei den Fig. 10 und 11, sich gegenseitig
aufheben, verursachen sie auch in diesen Fällen keine
Probleme.
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Als weitere Kennzeichen des Instruments gemäß dieser Erfindung
können als Beispiel angeführt werden, daß der Einfallswinkel R
und der Beugungswinkel R' der beiden Strahlen gleich sind. Aus
diesem Grund kann die Beugung der zwei Strahlen neben der
Gittergleichung, welche zusammengesetzt ist aus
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ksinR - ksinR' = Kx = K (18)
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einer anderen Gleichung genügen.
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kcosR - kcosR' = Ky = 0 (R=R') (19)
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Dies bedeutet, daß bei zwei Beugungen durch ein Gitter mit
einem Gittervektor in der X-Richtung der zwei Strahlen beide
jeweils der Bragg's-Bedingung genügen. Folglich ist es
möglich, eine hohe Beugungseffizienz durch Verwendung eines
Hologramms vom Volumentyp zu erhalten.
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Fig. 14 stellt eine schematische Darstellung dar, die das
Innere eines Hologramms während der Aufnahme zeigt, wenn ein
Hologramm vom Volumentyp verwendet wird, in welcher das
Bezugszeichen 65 eine kohärente ebene Welle bezeichnet; 66
stellt ein Aufnahmemedium dar; und 67 ist eine vergrößerte
Ansicht, welche das Innere des Hologramms zeigt. Die
Gitteroberfläche steht senkrecht zur Oberfläche des
Hologramms. Es ist möglich, durch geeignete Auswahl eines
Materials für das optische Gitter und durch Verwendung eines
optischen Gitters von einer Dicke von einigen Mikrometern eine
hohe Beugungseffizienz zu erhalten, welche fast 100% beträgt.
Außerdem wird die Herstellung der Skala leichter, da
Veränderungen in dem Gitterabstand aufgrund der Deformation
des Materials, welche oft während der Herstellung eines
Hologramms erzeugt werden, aufgrund der Tatsache, daß die
Gitteroberfläche senkrecht steht, klein sind.
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Fig. 15 stellt eine perspektivische Ansicht dar, welche einen
konkreten Aufbau einer in Fig. 9 gezeigten Anordnung zeigt,
in welcher das Bezugszeichen 71 eine
Halbleiterlaservorrichtung kennzeichnet; 72 und 73 stellen
Kondensorlinsen dar; 44 ist ein polarisierender
Strahlenaufteiler; 75 ist ein Gitter zur Aufteilung der
einfallenden Welle; 76, 77 und 78 sind λ/4-Scheiben; 79 und 80
sind polarisierende Scheiben; 81, 82 und 83 sind jeweils
Photodetektoren für sinusförmige Wellen, zur Überwachung und
für kosinusförmige Wellen; 84 und 85 sind Spiegel; und 86 ist
eine aus einem Hologramm vom Volumentyp bestehende Skala.
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Bei diesem Beispiel wird eine Halbleiterlaservorrichtung 71
als Lichtquelle verwendet; ein polarisierender
Strahlenaufteiler wird als ein Strahlenaufteiler verwendet, und der
Signallichtstrahl wird von dem einfallenden Strahl mittels
einer λ/4-Scheibe abgetrennt. Außerdem wird der
Signallichtstrahl mittels eines Gitters in drei geteilt, welches so
angeordnet ist, daß die Richtung des Gittervektors senkrecht
zu dem Hologramm für die Skala ausgerichtet ist, und auf diese
weise werden sinusförmige Signale, kosinusförmige Signale und
Überwachungssignale erhalten.
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Bei dem so aufgebauten Instrument ist es möglich, da ein Teil
des einfallenden Lichtes, welcher proportional zu dem Quadrat
der Beugungseffizienz ist, als Signallicht erhalten wird, z. B.
bei Verwendung einer Skala mit einer Beugungseffizienz von
90%, ein Signallicht zu erhalten mit einer Intensität von
80% bezüglich jener des einfallenden Lichtes. Obwohl es
bekannt ist, daß zu der Halbleiterlaservorrichtung
zurückkehrendes Licht ein Geräusch verursacht, gibt es in diesem
Fall beinahe kein zurückkehrendes Licht.
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Wie oben erklärt wurde, da ein optisches Instrument zur
Messung einer Verschiebung, welches wie oben angegeben,
aufgebaut ist, eine Lichtquelle, einen Strahlenaufteiler zum
Aufteilen des aus der Lichtquelle heraustretenden Strahls in
zwei, ein optisches Gitter, auf welches diese zwei
aufgeteilten Strahlen projiziert werden, Reflektoren, auf welche
zwei durch das optische Gitter gebeugte Lichtstrahlen
projiziert werden und welche die gebeugten Lichtstrahlen in
Richtung des optischen Gitters zurückschicken, und Detektoren
zur Detektion des Interferenzlichts dieser zwei gebeugten
Lichtstrahlen umfaßt, und so konstruiert ist, daß die zwei
gebeugten Lichtstrahlen durch den Strahlenaufteiler veranlaßt
werden, zu interferieren und Veränderungen in der Lage des
optischen Gitters durch Messen der Interferenzintensität
mittels der Detektoren, können folgende Effekte erreicht
werden:
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1. Veränderungen in der Wellenlänge der verwendeten
Lichtquelle verursachen keine Verschlechterung der
Detektionssignale und Meßfehler.
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2. Es ist möglich, Messungen auszuführen, welche unabhängig
von den Verschiebungen des optischen Gitters in zwei
orthogonal zum Beugungsgittervektor liegenden Richtungen sind.
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3. Ein optisches Gitter mit einer hohen Beugungseffizienz, wie
z. B. ein Hologramm eines Volumentyps, kann als Skala verwendet
werden, so daß Detektionssignale von hoher Qualität erhalten
werden können.
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4. Da es möglich ist, einen großen Winkel zwischen dem
gebeugten Lichtstrahl der 0-ten Ordnung und jenem der ersten
Ordnung zu verwenden, wird das Auflösungsvermögen verbessert.
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Außerdem ist es möglich, wenn eine Vielmoden-
Halbleiterlaservorrichtung als Lichtquelle in einem optischen Instrument
zur Messung einer Verschiebung benutzt wird, welche diese
Erfindung verkörpert, in welche ein bewegbares optisches
Gitter als eine Skala verwendet wird und eine Verschiebung des
optischen Gitters durch Verwendung von Interferenzsignalen der
gebeugten Lichtstrahlen gemessen wird, da nicht reflektierende
Überzüge auf optischen Teilen unnötig sind, optische Teile,
welche nicht teuer sind, zu verwenden. Außerdem wird das S/N-
Verhältnis bezüglich jenem, das bei Verwendung einer
Einmodenlaservorrichtung erhalten wird, verbessert. Neben
diesen Vorteilen können die folgenden Effekte erhalten werden:
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1. Da die Differenz zwischen der optischen Weglänge der zwei
Strahlen festgestellt werden kann, ist es möglich, eine
Justierung der optischen Weglängen leicht mit einer hohen
Genauigkeit durchzuführen.
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2. Da die Einstellungszustände überwacht werden können, kann
vermieden werden, daß man Messungen durchführt, ohne zu
wissen, daß Veränderungen in der Wellenlänge der Lichtquelle
Fehler verursachen.
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3. Es wird verhindert, daß sich Interferenzsignale aufgrund
von unnötigem Licht verändern.
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4. Außerdem ist es durch den Aufbau der Detektorschaltung, wie
in Fig. 3 und 5 gezeigt ist, möglich, große Ausgangssignale
zu erhalten, und DC-Anteile des Signals können mit wenigen
Komponenten und mit einer Löschschaltung aufgehoben werden, um
auf diese Weise mehr Zuverlässigkeit zu erreichen.
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Es wird auf unsere schwebende Anmeldung Nr. 84 307 484.0
hingewiesen, von welcher die vorliegende Anmeldung geteilt
wurde.