SE458153B - Optiskt vinkelmaetdon - Google Patents

Description

f? 458-153 10 15 20 25 30 35 vid detta slag av interferometriska metoder är det de innersta interferensringarna som är av intresse. Uppfinningen utnyttjar 1 stället företrädesvis högre ordningars interferenser, vilka kan studeras, om etalongen vrides bort från det vanliga fallet med vinkelrät incidens. De fransar som då kan iakttas blir, l motsats till de vanliga Fabry-Perot-interferenserna, i stort sett räta linjer, samt överensstämmer terminologiskt snarast med vad som kallas Haidingers fransar eller 'fransar för lika lutning'.

Interferometriska mätningar är i och för sig allmänt kända, när det gäller längdmätning. Man kan hänvisa till exempelvis Michelson-interferometern och liknande konstruktioner, vilka genom framkomsten av lasern med dess stora koherenslängd bli- vit praktiskt användbara även för mätning av relativt långa avstånd. Aven användning av två Fabry-Perot-etalonger som under inbördes parallellitet flyttas relativt varandra har ut nyttjats, se US-A-4 558 950. Föreliggande uppfinning avser emellertid att utnyttja en motsvarande etalong såsom vinkel- avkännare, varvid de Haidingers fransar som erhålles vid vrid ning utgör ett slags naturliga, förbi en detektor sig förflyt tande 'skalstreck'. Dessa 'skalstreck' definerar en monoton men icke-linjär skala för vridningen av en planparallell plat ta i förhållande till en ljuskägla från en laseranordning.

Vid en normal Fabry-Perot-interferometer är mellanrummet mel- lan de båda delvis reflekterande ytorna av luft, innebärande att de är uppburna på var sin svagt kilformad glasplatta. Då emellertid våglängdens absolutvärde vid uppfinningen ej är av intresse, utnyttjar man företrädesvis en planparallell glas- platta, sådan som kan erhållas i handeln och utnyttjas som interferensfilter. I vissa fall utnyttjas även mycket tjocka glasplattor, t.ex. med tjockleken 100 mm, i det att vinkelupp- lösningen då blir mycket stor. Som kommer att framgå är den precisa parallelliteten mindre viktig än vid en Fabry-Perot- -interferometer.

Principen för fransbildningen framgår av Fig. 1. Ett inkomman- de strålknippe (bara en stràle har ritats) kommer efter bryt 10 15 20 25 30 35 458 153 ning 1 plattans l yta (brytningsindex utanför nu nära l 1 luft. brytningsindex i plattan n') att reflekteras upprepade gånger och ge upphov till utgående strålknippen, vilka för vissa vinklar 6, 9' kommer att förstärka varandra. Elementära geometriska förhållanden ger vid handen att, då plattans tjocklek är h och vakuumvåglängden för det nonokromatiska lju- set är ko. så blir fasskillnaden (i radianer) mellan två successiva strålar 4¶ , 6 = X0 n h cos 0' (1) eller, såsom funktion av infallsvinkeln 6, h 5 = -â%-- (n'2 - sinz 9)* (2) Konstruktiv interferens erhålles då 6 = n - 2n, där m är interferensens ordning (heltal). Ur detta erhålles vinkelnê såsom funktion av interferensordningen enligt uttrycket \ sin e = 11-2 _ 1113) m 2h vinkeln mellan två successiva fransar blir A =6m -6m_1 (4) att hämta ur föregående uttryck: Uttrycket (3) visar att man har ett icke-linjärt men monotont förhållande mellan vinkeln 9 och ordningstalet n. Ordningstalet n är naturligen ett högt 1.5, kommer lägsta värdet på m där någon frans kan observeras att bli av storleksordningen 47 000. tal. Hed exempelvis h = 10 nn, X0 = 632 nn och n' = Genom derivering av ekv. (3) kan man erhålla ett nått på av~ ståndet A6 mellan inbördes närliggande fransar. Ägm . 1 ”_75- :rara (5) Derivatan härav med avseende på 6 är (-1/sine). 458 155 10 15 20 25 30 35 Hârav framgår utan vidare att vinkeln mellan tva fransar kraf- tigt varierar mellan nära normalvinkeln. där den är mycket stor, och strykande infall. där den är väsentligt mindre. Vid vinklar skilda från normalt infall är emellertid skalföränd- ringen relativt måttlig. Vidare är interferensfransarna nära normalt infall krokiga och av den anledningen inte särskilt ändamålsenliga för mätning. vid representativa utföringsformer av uppfinningen kan detta innebära ett hopp i detektionen för vinkelområdet t.ex. -S° < 6 < +5°. Hed en interferensplatta av tjockleken l0 mm kan man räkna med ett intervall mellan suc- cessiva fransar om typiskt 30 bågsekunder mellan 10' och 60°.

Den upplösning i vinkel som uppnås beror av använd detektor.

Om denna har ett eller tvâ element. blir alltså vinkelupplös- ningen av samma storleksordning. En linjärdetektor med god upplösning kan öka upplösningen med en faktor 500. om visibl- liteten är tillräcklig. Detta förutsätter emellertid bl.a. mycket smala linjebredder. Hed användning av en laserdiod är interpolationsmöjligheten sämre, men 30 bågsekunders upplös- ning kan ändâ relativt lätt uppnås.

Visibiliteten är beroende av de reflekterande ytornas reflek- tivitet - ju högre reflektivitet, desto smalare fransar. Hed reflektiviteten 90% erhålles 20° < 6 < 50' och plattjockleken 12.7 mm en fransbredd motsvarande 2 bàgsekunder.

Den nämnda nackdelen med dålig observationsnöjlighet vid och nära normalt infall kan enligt en utföringsforn av uppfinning en elimineras därigenom att man anordnar två olika laserstrå- lar mot etalongen, vilka träffar densamma utefter olika vink- lar. Genom att anordna två laserstrålar med t.ex. 45° vinkel i fast montering, med var sin fransdetektor för transmission, jämte detektorer i reflexion för att detektera direkt reflexioh. såsom noggranna kalibreringsdetektorer och tillika gränslägesomkopplare mellan de båda strålgångarna är det möj- ligt att bibehålla hög upplösning och mäta kontinuerligt från O° till 360°. 10 15 20 25 30 35 458 153 Uppfinningens princip har beskrivits med utgångspunkt från förhållandena vid den teoretiskt välkända Fabry-Perot-inter- ferometern. Emellertid är förhållandena i praktiken mera komp- licerade. Haidinger-fransar är nämligen teoretiskt sett fran- sar på oändligt avstånd. vilka alltså bara skulle kunna iakt- tas sedan parallella strålar fokuserats till punkten på en skärm. Vid den uppfinningsmässiga anordningen har emellertid visat sig att de observerade fransarna låter sig observeras direkt på en skärm, samt att man genom att ställa skärmen snett kan få dem med god skärpa men med ökat inbördes avstånd betraktningsbara på en skärm. Det är då ändamålsenligt att ställa en dylik skärm med en vinkel motsvarande strykande in- fall (=ä85°) i den utgående strålen och lägga en bild därav på en mångkanalig eller eljest lägeskänslig elektrisk detektor.

Det antages orsaken till att de vid uppfinningen iakttagna fransarna icke enligt klassisk teori ligger på oändligt av- stånd utan kan uppfångas på en skärm på godtyckligt avstånd, är att ljuskällan är en laser. Tidigare teorier utgår nämligen från att ljuskällor som inte är punktformiga. måste anses sam- mansatta av sinsemellan inkoherenta, punktformiga ljuskällor.

Hed en laser erhålles däremot s.k. icke-lokaliserade interfe- rensfransar.

Som nämnts, kan man redan med en platta med tjockleken 10 mm erhålla ett inbördes fransavstånd motsvarande 30 bågsekunder. vilket genom en lägeskänslig detektor kan ge säker interpole- ring av läget till en 500-del därav, motsvarande 6 hundradelar av en bâgsekund. Med hänsyn till att en god cirkelskala, nor- malt graderad med en delning om 5 bågminuter. ger ett tillfäl- ligt mätfel om 0,2-0,5 bågsekunder men ett systematiskt del- ningsfel om l-3 bågsekunder, (Kohlrausch. 'Praktische Physik', Stuttgart l968, sid 109), är det tydligt att uppfinningen möj- liggör en reproducibel vinkelmätning som är minst en storleks- ordning bättre än den bästa kända klassiska metoden, samt en kalibrering till uppnâende av samma noggrannhet som reproduci- bíliteten är en arbetskrävande uppgift. Emellertid är en sådan noggrannhet inte alltid nödvändig, utan uppfinningen har an- vändning även vid betydligt lägre precisionsgradern Om då eta- 458 153 10 15 20 25 30 35 longtjockleken göres mindre och alltså fransavstândet större, kan vid den lägre noggrannheten särdeles enkla mätinstrument åstadkommas. där en automatisering âr lätt att genomföra.

Interpolation mellan fransar kan också erhållas utan läges- känslig detektor genom att i stället vrida etalongen med kän- da, små vinklar. Exempelvis kan man låta etalongen vrida sig med konstant vridningshastighet och använda en serie därmed synkrona klockpulser. vilka kan utnyttjas för interpolationen.

Ehuru uppfinningen i första hand kan betraktas son en gonio- meter, är det möjligt att ned densamma bygga upp andra typer av instrument och mätanordningar. Exenpelvis är det möjligt att utnyttja uppfinningen för en beröringsfri avstândsnätare. vid en första sådan avstândsnätare låter man en laserstrâle träffa ett föremål. vars läge i strâlens riktning önskas. Den träffade punkten avger strålning åt olika håll. Han uppställer etalongen något förskjutet i förhållande till laserstrålen samt låter den belysta punkten på objektet utgöra etalongens strâlningskälla och kan då bestämma strâlvinkeln och därigenom genom 'triangulering' det önskade avståndet.

En andra typ av avståndsnätare utnyttjar en särskild mätljus- stråle. vars infallsriktning nätes genon att vrida den i en laserstrâle anordnade etalongen till dess lätljusstrâlen genom reflexion i etalongen kunnat'bringas att falla på en fast ljusdetektor, varvid etalongens vridningsvinkel bestännes.

Enligt en särskild utföringsforn av uppfinningen kan man ha två vinkelförskjutna etalonger, medförande täckning av vinkel- intervallet 0-360°.

Uppfinningen skall nu beskrivas utifrån icke-begränsande ut- föringsexempel, visade i ritningarna.

Pig. 1. redan beskriven, visar principen för de vinkelberoende interferenser, varpå uppfinningen bygger. Fig. 2 visar schema- 10 15 20 25 30 35 458 153 tiskt en uppställd vinkelmätande goniometer. Fig. 3 visar en tillämpning för avståndsmätning. Fig. 4 visar en annan till- lämpning för avståndsmätning. Fig. 5 och 6 visar en vidareut- veckling av en vinkelmätanordning. Pig. 7 visar hur stegläng- den mellan fransar varierar med vinkeln. med särskild tillämp- ning på exemplet enligt fig. 5 och 6.

Själva principen för mätningen har redan beskrivits med sär- skild hänvisning till fig. 1. Fig. 2 visar mycket schematiskt en goniometer, fungerande enligt uppfinningen. En laser L av- ger en koherent ljusstråle, som genom en lins 2 och en blända- re 3 träffar en etalong E. som är vridbar och vars vridning man vill mäta. En genomgående sträle genom etalongen E upp- fângas på en snedställd skärm S. Här föreligger tydliga, med ögat uppfattbara interferensfransar, vilka man med hjälp av en lins 4 kan avbilda på en detektor D, som bör vara en posi- tionskänslig detektor. Olika sorters dylika är kända, t.ex. diodarrayer. Som visas vid sidan av detektorn D. erhålles en intensitetsfördelning med toppar och dalar. Visibiliteten för fransarna. motsvarande deras intensitetsfördelnings skärpa, är beroende av etalongytornas reflexionsförmâga.

Vid en provad etalong med tjockleken 12,7 mm och reflektivite- ten 90% motsvarande fransarnas bredd c:a 2' vid infallsvinklar om 20-50", och ett avstånd om cza 30' inbördes. Genom att ställa skärmen S snett kan dessa 30' utbredas till omkring 3 mm innan detektionen. Allmänt föredrages interferensplattor med tjocklekar om l-25 mm och diametrar om l-100 mm.

Låg reflektivitet ger svårighet att få tillräckligt kontrast- -rika fransar, särskilt för vinklar under cza 30°. Därför föredrages i allmänhet reflektiviteter om 60-99,9% vid trans- missionsfallet. Emellertid kan fransar även studeras i reflexion, dock svagare, varvid emellertid fransarna kan ses vid väsentligt lägre reflektivitet (dt). Större infallsvinklar ger dålig intensitet i reflexionsfallet om R = 4%, varför man i allmänhet föredrar att arbeta med transmission genom eta- longen. Fransdetektorn kan sitta fast monterad i transmis- 458 153 10 15 20 25 30 35 sionsfallen. då optiska axeln bara flyttar sig ¿ någon mm när etalongen vrids.

Pig. 3 visar en tillämpning för avstândsmätning. En laserstrâ- le riktas med lasern L mot ett objekt. vars läge utefter strå- len önskas bestämt. Objektet 6 kommer att utsända ljus från en liten, betrålad punkt. vilket träffar etalongen E under en av läget för objektet entydigt bestämd vinkel. Pâ samma sätt som vid fig. 2 uppfângas interferensfransar på en snedställd skärm S, som projiceras på den lägeskänsliga detektorn D. Man inser att det är möjligt att mäta ändringar 1 avståndet mellan la- sern L och objektet 6 genom att betrakta antalet fransar som rör sig förbi på skärmen S. Vidare framgår ur enkla trigonio- metriska överväganden att minskningen av steglängden mellan successiva fransar med ökande infallsvinkel i avsevärd mån kompenseras av att vinkeländringen för en viss sträckförflytt- ning i mm blir mindre och mindre ju längre objektet 6 förflyt- tas frân lasern, innebärande en kompensationseffekt i lineari- serande riktning.

Fig. 4 visar en annan anordning för avstândsbestämning, där man använder två lasrar L och L'. Vid den i fig. 3 visade ut- föringsformen är man nämligen för intensitetens skull hänvisad till att objektet måste återkasta ganska mycket av påstrâlad laserstrâlning. Enligt fig. 4 däremot påstrâlar man objektet 6 med en fast laser L' och använder etalongen E som en spegel för att spegla in mot en detektor Di. vilket sker genom en icke visad servomekanism. Den utförda vridningen av den så- lunda vridna etalongen E mätes då medelst en annan, likaså fast laserstrâle från lasern L, som efter transmission ger upphov till fransar på skärmen S. Kombinationen mellan lasern L, etalongen E och skärmen S med detektorn D fungerar här som en ren goniometer, liknande till resultatet en vanlig cirkel- skala. Emellertid är denna goniometer särdeles lämpad för automatisk dataupptagning. För att erhålla en referensvinkel är det lämpligt att låta en referensmarkering på etalongen E kunna observeras medelst en detektor D2 via ett linssystem 7.

Detta system kan i stället vara ett autokollimationssystem. 10 15 20 25 30 35 '458 153 Pig. 5 och 6 åskådliggör en mera komplett goniometer. Eta- longen E belyses av två laserstrålar 51, 52, från var sin laser Ll. L2. Strålarna bildar en vinkel om 45° till varandra samt är förskjutna i höjdled med ett avstånd d, såsom framgår av fig. 6. Interferensfransarna i de båda transmitterade strå- larna uppfångas på skärmar S1 och S2 och studeras med fransde- tektorer Dl och D2. Vidare finns fyra reflexionsdetektorer 60- -63. vardera med en skärm. ett objektiv och en ljusdetektor. och vilka är placerade i planet för strålen 52.

Avståndet mellan två närliggande fransar är nämligen i vinkel- mått ganska stort vid 90° infall samt där kraftigt varierande med vinkeln. Vidare är kravet på parallellitet mellan eta- longens E båda ytor stort. om dessa fransar skall vara synli- ga. Vidare är dessa fransar krokiga. Därför vill man undvika dessa vinklar och uppdelat därför intervallet mellan de båda laserstrålarna/detektoruppsättningarna. Omkoppling sker me- delst detektorerna 60-63. I fig. 5 antages således goniome- terns inställning vara 0° (jämför fig. 7), och det är laser- strålen 51 som detekteras med Sl och Dl, med en infallsvinkel om 45°. När bordet S0 vrides i positiv led (moturs), inträffar efter en vridning med 45' att laserstrålen 51 blir normal mot etalongen. Dessförinnan och efter en vridning i positiv led med 22,S° kommer emellertid strålen 52 att träffa detektorn 61. varvid detektionen bringas att byta från strålen 51 till strålen 52. På samma sätt kommer en vridning med 22.S° i nega- tiv led att medföra att strålen 52 reflekteras till detektorn 62 för motsvarande byte. På motsvarande sätt kommer vid +67.5° strålen 52 att aktivera detektorn 60, liksom vid ungefär -67,S° strålen 52 kommer att reflekteras till detektorn 63.

Andra detektorkonfigurationer är givetvis möjliga. och huvud- saken är att man övergår från den ena strålen till den andra vid sådana vinklar som gör att de nära normala infalls- vinklarna mot etalongen E undvikes. Av fig. 7 framgår hur fransavståndet därmed kan hållas under 30'. jämte lägena för omkopplingarna.

Denna uppsättning visar att den uppfinningsmässiga principen 458 153* 10 15 lO^ är användbar även för en helvarvig goniometer, trots svårighe- terna med det normala infaliet.

(Strângt taget täcker den be- skrivna signalföljden bara vinklar över l80°, men detektorerna 60-63 möjliggör förstås att man kan mäta över ett helt varv och t.o.m. över flera varv.) Hed hänsyn till möjligheten att använda snabba detektorer, som dessutom på i och för sig känt sätt kan evalueras så att in- terferensfransarnas passageriktning kan bestämmas. kan de rent mekaniska svårigheter som har att göra med lagringen av den vridbara etalongen övervinnas, så att den vinkelupplösning som den interferometriska metoden själv medger även rent faktiskt kan utnyttjas. Därmed kan man uppnå en mätning av vridnings- vinkeln som går långt utöver vad som tidigare varit möjligt. både med hänsyn till precision och noggrannhet.

Claims (6)

10 15 20 25 30 458 153 ll Patentkrav

1. Vínkelmätdon. vari en vinkel mätes mellan en stråle av elektromagnetisk strålning och ett mätdon. k ä n n e - t e c k n a t av att strâlen är en koherent, monokromatísk stråle och mätdonet omfattar en planparallell platta (E) av ”” för strålningen transparent medium. avgränsad av tvâ väsent- ligen parallella. speglande skikt jämte en interferensfrans- detektor (D) för detektion av i den planparallella plattan genom den koherenta strâlen alstrade ínterferensfransar. varvid de detekterade fransarna utgör motsvarighet till del- streck på en vinkelskala.

2. Vinkelmätdon enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a t av att den planparallella plattan (E) och ínterferensfransdetek- torn (D) är inbördes fast monterade för mätning av ljusstrå- lens ínfallsvinkel mot den planparallella plattan. k ä n n e t e c k n a t av att däri ingår fast förenade en laserstrâle avgivande laser

3. Vínkelmätdon enligt krav l, (L) samt ínterferensdetektorn (I). samt att den planparal- lella plattan (E) är anordnad roterbar kring en axel, som är parallell med dess speglande skikt och vínkelrät emot laser- strâlen.

4. Vínkelmätdon enligt något av föregående krav. k ä n - n e t e c k n a t av att den planparallella plattan (E) är en platta av glas eller liknande. på motsatta sidor försedd med reflekterande skikt med en reflektivitet om 60-99.9%.

5. Vínkelmätdon enligt krav 3. k ä n n e t e c k n a t av att två laserstrålar (5l.52) är anordnade i var sitt í plat- tans rotatíonsaxels riktning inbördes förskjutna plan samt var sin ínterferensfransdetektor (S1.Dl;S2.D2) är anordnad för detekteríng av genom resp. laserstrålar alstrade inter- ferensfransar, varjämte medel (60.63) är anordnade för att 458 153' 10 15 12 íntervallvis detektera resp. interferensfransar under und- vikande av intervall då resp. laserstrâle träffar plattan under nära normal ínfallsvinkel samt strykande infallsvinkel. 6. Vínkelmätdon enligt något av föregående krav, K ä n - n e t e c k n a t av att interferensfransdetektorn omfattar en i förhållande till en från densamma mot plattan riktad normal linje snedstålld skärm (Sl.S2). ett optiskt avbild- níngselement (4) samt en i dettas skärmen avbildan de bildplan anordnad. lägeskänslig detektor (D). 7. Vínkelmâtdon enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a t av att laserstrâlen är anordnad genom en laserdiod och ett fram- för denna beläget linssystem.

6. Vínkelmätdon enligt krav 1, k ä n n e t e c K n a t av att en detektor (7.D2) är anordnad för att fastställa ett referenslâge för den vridbart anordnade plattan (E).