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Vorrichtung zum Bestimmen der relativen Verschiebung eines Objektes
unter Verwendung eines verschiebbaren Rasters Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Verschiebung eines Gegenstandes unter Verwendung
eines zusammen mit dem Gegenstand verschiebbaren Rasters mit senkrecht zur Verschiebungsrichtung
verlaufenden Rillen und einer Lichtquelle, deren Strahlen das Raster und ein zugehöriges
optisches System ein oder mehrere Male durchläuft und danach auf zwei photoelektrische
Elemente fällt, in denen bei Verschiebung ein Signal erzeugt wird, wobei die Signale
gegenseitig einen Phasenunterschied aufweisen, der von einem ganzen Vielfachen von
180' verschieden ist, und wobei die Größe und die Richtung der Verschiebung durch
Aufzeichnung der Periodizität dieser Signale in einer Zählvorrichtung gemessen werden.
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Das im vorliegenden Fall angewendete Abtastprinzip mit Phasenmodulation
der lageempfindlichen Signale ist bei solchen Vorrichtungen an sich bekannt.
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Bei einer anderen elektrooptischen Vorrichtung für Zwecke des Messens
von Längen- bzw. Lagegrößen, die nach dem Interfermometerprinzip aufgebaut ist,
wird ebenfalls von der Phasenmodulation Gebrauch gemacht, und zwar in der Weise,
daß mindestens eines der interferierenden Strahlenbündel phasenm oduliert wird.
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Gegenüber diesen vorbekannten Ausführungen zeichnet sich die Vorrichtung
nach der Erfindung dadurch aus, daß das optische System das Raster umgekehrt an
sich abbildet und einen Spiegel aufweist, der um eine Achse in Vibration gesetzt
wird, die sich im wesentlichen parallel zu den Rasterrillen, wie diese vom Spiegel
aus betrachtet werden, erstreckt derart, daß die beiden Signale auf gleiche Weise
phasenmoduliert werden, und daß Mittel vorhanden sind, um aus den modulierten Signalen
unmodulierte Signale abzuleiten.
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Gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik besteht der Vorteil
der gekennzeichneten Vorrichtung darin, daß auf einfache Weise eine Phasenmodulation
zweier Signale erhalten wird, nämlich durch Schwingung eines Spiegels, der einen
Teil des optischen Systems bildet. Ein solches optisches System fehlt bei der bekannten
Vorrichtung. Andererseits tritt bei der letzterwähnten bekannten Vorrichtung keine
Phasenmodulation zweier Signale im Sinne der gekennzeichneten Erfindung auf.
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In anderen bekannten Vorrichtungen dieser Art besteht der auf die
photoelektrischen Elemente auffallende Lichtstrom aus einem mehr oder weniger konstanten
Teil, dem Untergrund, dem ein im wesentlichen sinusförmiger, von der Rasterlage
abhängiger Teil überlagert ist und wobei der Photostrom eine
entsprechende Form hat.
Die Periodizität der Signale wird dann durch Anwendung der Nulldurchgänge des sinusförmig
veränderlichen Teiles des Photostromes aufgezeichnet. Dies wird jedoch dadurch erschwert,
daß der Untergrund des Lichtstromes unerwünschte Änderungen aufweisen kann und daß
außerdem bei den üblichen halbleitenden photoempfindlichen Elementen der Untergrund
im Photostrom noch zusätzlich durch den sogenannten Dunkelstrom des Elements verstärkt
wird, der stark von der Temperatur abhängig ist. Diese unerwünschten Änderungen
können vergleichbar mit oder sogar größer werden als der bzw. die Amplitude des
sinusförmig veränderlichen Teiles, wodurch die Bestimmung von Nulldurchgängen ungewiß
oder sogar unmöglich wird. Dieser störende Gleichstromteil darf auch nicht von Filtern
entfernt werden, weil die Frequenz des Wechselstromteiles bei geringen Verschiebungsgeschwindigkeiten
sich Null nähern kann.
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In einem älteren Vorschlag ist beschrieben, wie durch eine Vibrationsbewegung
eines der Elemente des dem Raster zugehörigen optischen Systems ein sinusförmig
mit der Zeit phasenmoduliertes Signal erhalten wird, das in Kombination mit einem
von der Vibration abgeleiteten, sinusförmig mit der Zeit verlaufenden Signal alle
Informationen aufweist, um die Richtung und die Größe der Verschiebung zu bestimmen,
wobei der Gleichstromteil des photoelektrischen Signals unschädlich ist.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß es schwierig ist bei hohen
Verschiebungsgeschwindigkeiten zu messen. Die höchstzulässige Verschiebungsgeschwindigkeit
wird nämlich durch eine Anzahl von Umständen begrenzt.
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An erster Stelle beträgt die maximale Anzahl der Verschiebungsperioden,
die pro Sekunde zurückgelegt werden darf, die Hälfte der Modulationsfrequenz. Die
Verwirklichung einer genügend hohen Modulationsfrequenz kann mechanische Nachteile
liefern.
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Weiter wird die maximale Verschiebungsgeschwindigkeit durch die maximale
Frequenz (Grenzfrequenz) bestimmt, auf die das photoelektrische Element noch reagiert,
und zwar ist das theoretische Maximum der Anzahl der Verschiebungsperioden pro Sekunde
nur das Fünftel dieser Grenzfrequenz, da in dem phasenmodulierten Signal bei maximaler
Verschiebungsgeschwindigkeit eine Frequenz des 2,5fachen der Modulationsfrequenz
auftritt, die also durch das photoelektrische Element muß verwirkt werden können,
weil weiter die Anzahl der Verschiebungsperioden pro Sekunde maximal die Hälfte
der Modulationsfrequenz ist.
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Alle diese Schwierigkeiten werden bei Anwendung der erfindungsgemäßen
Maßnahme vermieden, mit der, obwohl der Untergrund auf die beschriebene Weise unschädlich
gemacht ist, doch leicht gemessen werden kann, auch wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit
verhältnismäßig groß ist.
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Bei einer praktischen Ausführungsform kann es von Vorteil sein, wenn
das optische System zusätzlich ein Element enthält, wodurch zwei gegenseitig senkrecht
polarisierte Bilder des Rasters erzeugt werden, welche, in der Verschiebungsrichtung
gemessen, gegenseitig um einen Abstand verschoben sind, und wenn dabei die gegenseitig
polarisierten Strahlenbündel durch einen Analysator getrennt werden und je ein zugeordnetes
Photoelement beeinflussen. Hierbei ist der Analysator zweckmäßig als strahlenteilendes
Prisma mit zwei Teilen ausgebildet, welche nach einer Diagonalfläche gekittet sind
und an dieser mit Schichten von abwechselnd niedrigem und hohem Brechungsindex versehen
sind. Bevorzugt werden für die Abbildung des Rasters auf sich selbst die Vibrationsmaxima
der Ordnung tl und - 1 ausgenutzt.
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Eine Vorrichtung nach der Erfindung, mit der zwei gegenseitig um
90° in der Phase verschiedene photoelektrische Signale der Form: A = sin (cx + b
sin (l t) + const.
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B = cos(fsix + b sin 9 t) + const. abgeleitet werden können, ist
in F i g. 1 dargestellt.
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Die Bewegungsrichtung des Rasters liegt hierbei in der Zeichenebene
und ist mit x bezeichnet.
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Das Licht einer Lichtquelle B wird durch eine Linse L 1 kollimiert
und fällt über einen flachen Spiegel S1 auf einen Teilspiegel S2 auf. Das zurückgeworfene
Bündel fällt über Linsen L2 und L3 auf das Raster R auf, das einen Teil des Körpers
bildet. dessen Verschiebung gegenüber dem optischen System gemessen wird, von dem
angenommen wird, daß es fest angeordnet ist. Durch das Raster wird das Licht in
kohärente Teilbündel gespalten, die durch die Quarzplatte K fallen, die nachstehend
noch weiter beschrieben werden wird. Über die Linse L4 fallen die Bündel
dann auf
den Hohlspiegel S3 auf, der in der Brennfläche von L4 steht und um eine Achse parallel
zu den Rasterelementen in Vibration versetzt wird. Dies erfolgt hier dadurch, daß
der Spiegel S3 an dem Ende eines Stabes aus magnetostriktivem Material befestigt
ist, der nah an dem Ende, an dem der Spiegel angeordnet ist, mit einem unsymmetrischen
Einschnitt versehen ist. Die Stabenden tragen Spulen, in denen auf bekannte Weise
durch einen Verstärker mit Rückkopplung elektrische Schwingungen mit einer Frequenz
gleich der Eigenfrequenz des Stabes erzeugt werden.
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Die Kreisfrequenz der Schwingung wird mit ° bezeichnet. In der Zeichnung
(F i g. l bis 6) ist der Gang der Strahlen angegeben, die die Biegungsmaxima der
Ordnung0, --l und X 1 veranlassen.
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Auf dem Spiegel S3 sind diese mit A1o, M, und M+ bezeichnet. Der Spiegel
ist an der Stelle von Mo durch eine schwarze Bedeckung nichtreflektierend gemacht.
und die Abmessungen des Spiegels sind derart klein gewählt, daß Maxima höherer Ordnung
nicht aufgefangen werden. Auf diese Weise werden nur die Bündel von der Ordnung
- 1 und C1 zurückgeworfen, und diese fallen über die Linse L4 und die Quarzplatte
K auf das Raster R zurück. Von den durch das Raster gebildeten, rückwärts austretenden,
kohärenten Bündeln werden weiter nur zwei verwendet, nämlich erstens das durch das
Raster R aus dem von M l herrührenden Licht gebildete Bündel der Ordnung tl 1 und
zweitens das durch das Raster aus dem von M-,-1 herrührenden Licht gebildete Bündel
der Ordnung -1. Diese in Richtung zusammenfallenden, kohärenten Bündel fallen über
die Linsen L3 und L2 und den Spiegel S2 auf ein Teilprisma auf, das aus zwei Teilen
P1 und P2 besteht, die nach der Diagonalebene W. die senkrecht zur Zeichenebene
steht, gekittet sind. Die Kittfläche von P1 ist mit einer Verspiegelung aus im Vakuum
aufgedampften dünnen Schichten von abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex
versehen. Es wird einleuchten, daß, wenn der Einfallswinkel q derart gewählt wird,
daß auf der Begrenzung zwischen den Schichten hohen und niedrigen Brechungsindex
das Licht etwa unter dem Brewsterschen Winkel einfällt und, wenn außerdem die Stärke
der Schichten geeignet gewählt wird, es erreicht werden kann, daß durch die genannte
Verspiegelung von dem Licht im verwendeten Wellenlängenbereich der senkrecht zur
Zeichenebene schwingende Teil zum größten Teil zur Linse L5 zurückgeworfen wird,
von der es auf die Photodiode F1 fällt. Der in der Zeichenebene schwingende Teil
wird zum größten Teil durchgelassen und fällt über die Linse L6 auf die Photodiode
F2.
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F i g. 2 zeigt die Quarzplatte K von dem Raster in der Richtung der
optischen Achse des Abbildungssystems L4S3 betrachtet. F i g. 3 zeigt einen Querschnitt
der Quarzplatte nach dem Hauptschnitt. Die optische Achse des Quarzes schließt einen
Winkel von etwa 45" mit der Ebene der Platte ein. In der Figur ist angenommen, daß
die Richtung der Rasterrillen einen Winkel ß mit der Senkrechten auf der Zeichenebene
aus F i g. 1 einschließt. Der Hauptschnitt H schließt einen Winkel X mit der Richtung
der Rasterrillen ein.
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Der auf der optischen Achse des Abbildungssystems L4S3 liegende Punkt
0 des Rasters wird im \>gewöhnlichen« Strahlengang an sich als O0 abgebildet.
Die Vibrationsrichtung (senkrecht zum Hauptschnitt) ist mit dem doppelten Pfeil
bezeichnet. Die saußergewöhnliche
« Abbildung 0e ist jedoch längs
dem Hauptschnitt in der Rasterebene gegenüber O0 in einem Abstand verschoben, die
annähernd mit ne-n0 O0Oe = 2d angegeben werden kann. In der Formel ist d = Stärke
der Quarzplatte, n0 = gewöhnlicher Brechungsindex, ne = außergewöhnlicher Brechungsindex.
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Es wird bemerkt, daß in der Figur die Verschiebung deutlichkeitshalber
übertrieben dargestellt ist.
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Die Vibrationsrichtung von O0 ist senkrecht zum und diejenige von
Oe parallel zum Hauptschnitt. Sie sind mit den doppelten Pfeilen bezeichnet.
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In der Richtung senkrecht zu den Rasterrillen ist der gegenseitige
Abstand der beiden Bilder O0 und 0e also gleich ne-n0 2d # sin α. n0 Wenn
α : nicht zu groß ist und außerdem die Rasterrillen, mit Ausnahme eines kleinen
Winkels p, senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rasters R stehen, werden die Signale,
die von F1 und F2 geliefert werden, in erster Annäherung die folgende Form aufweisen:
r in der b = 2# # # #, in der r = der Halbmesser 1/4p von S3, # die Winkelamplitude
der Schwingung von S3 und 2d(ne - n0) c = # 2#.
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½p n0 Glieder von einer Ordnung höher als die erste Ordnung in α
und ß sind hierbei vernachlässigt.
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Durch geeignete Wahl von d kann erreicht werden, daß z. B. c größer
ist als c1 2#/10, so daß der für einen Phasenunterschied von #/2 erforderliche Winkel
α nicht größer als etwa 5° wird. Da in der Praxis ß auch nicht mehr als einige
Grad beträgt, darf man für die obige Form das Signal aus F2 verwenden. Der für einen
Phasenunterschied von #/2 erforderliche Winkel α wird dann pn0 α = .
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16d(ne - n0) Der gewünschte Wert von α kann dadurch eingestellt
werden, daß die Quarzplatte in einer um die optische Achse von L4 und S3 drehbaren
Fassung V
(s. F i g. 1) montiert wird. Die Platte wird also mittels dieser drehbaren
Fassung mit ihrem Hauptschnitt so viel aus der Rasterrillenrichtung gedreht, bis
der erwähnte Phasenunterschied von 2 erreicht ist.
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2 Für Quarz gilt: ne - n0 - = 0,006. n0 Wählt man weiter: d 2 mm,
p = 16 @@ (Meßstufen 1 so ist 16 # 10-3 1 = radial = 5°.
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16 # 2 # 0,006 12 Die Stärke d der Quarzplatte darf nicht zu klein
sein, weil bei größeren Werten von α Komplikationen auftreten, nämlich eine
Amplitudenverringerung der Wechselstromteile der beiden Signale. Andererseits ist
es erwünscht, d nicht zu groß zu wählen, da dann die Einstellung von a zu kritisch
wird. Die in den photoempfindlichen Elementen erhaltenen Spannungen haben also die
Form: A = sin (w x + b sin 9t) + const., B = cos (# x + b sin # t) + const.
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Aus diesen Spannungen kann dann auf folgende, an Hand der F i g.
4 zu beschreibende Weise eine Anzeige erhalten werden. Der Modulationswinkel b wird
klein gewählt, z. B. 0,2. Die obigen Ausdrücke können dann durch A = const. + sin
# x + b cos # x sin # t, B = const. + cosm x - b sin # x x sin 9 t genähert werden.
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Die genannten Signale treten bei I und II auf und werden den Vorrichtungen
A 1 und A 2 zugeführt, denen zugleich Spannungen zugeführt werden, die von der Spiegelvibration
abgeleitet werden und proportional zu sin Q t sind. In den Vorrichtungen A 1 und
A 2, die je z. B. einen Hall-Generator aufweisen können, wird das Produkt der zwei
Spannungen gebildet. Die Mischprodukte werden den Tiefpaßfiltern B1 und B2 zugeführt,
die z. B. die Frequenzen auf 1/2Q durchlassen. Am Ausgang entstehen dann Spannungen
cos m x und sin m x, die auf bekannte Weise weiter behandelt werden können.
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Da b klein ist, kann 9 hoch sein und damit auch die höchstzulässige
Verschiebungsgeschwindigkeit
Ein zweites Verfahren ist in F i g. 5 vorgeschlagen, in der auch das Antriebssystem
für den Spiegel dargestellt ist. Die Signale, die beil und II auftreten. können
auf folgende Weise geschrieben werden: A = const. + sin # x [J0 (b) + 2J2 (b) cos
2 # t + 2J4 (b) cos 4 # t + ...] + cos # x [2J1 (b) sin # t + 2J3 (b) sin 3 # t
+ ...], B = const. + cos # x [J0 (b) + 2J2 (b) sin 2 # t + 2J4 (b) sin 4 # t + ...]
- sin # x [2J1 (b) sin # t + 2J3 (b) sin 3 # t + ...].
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Wenn hierbei b etwa gleich 2,5 gewählt wird, so ist Jo(b) etwa gleich
Null, so daß bei Stillstand die Glieder J0(b) sin # x und J0(b) cos # x keine Schwierigkeiten
liefern.
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In der Vorrichtung A werden die Nulldurchgänge der Wechselspannungsteile
der Spannungen I und Il auf übliche Weise zum Bilden von Zählimpulsen vorwärts und
rückwärts verwendet. Bei Stillstand des Rasters wird also immer hin- und hergezählt
infolge der Phasenmodulation h sin Pt, was jedoch nicht nachteilig zu sein braucht.
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Wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Rasters Q jedoch derart, daß
@@/dt = @/#, so erhält das Glied mit der Amplitude J1(b) eine Frequenz Null. Um
Komplikationen hierdurch zu verhüten, ist es erwünscht, die folgende Versorgung
anzubringen: in der Vorrichtung B werden die Zählimpulse vorwärts und rückwärts
positiv bzw. negativ berechnet, integriert und gleichgerichtet, so daß bei schneller
Bewegung B eine Gleichspannung liefert, die die Verstärkung des Verstärkers C verkleinert,
wodurch die Amplitude des vibrierenden Spiegels auf einen niedrigeren Wert eingestellt
wird und das Glied J1 (h) unbedeutend wird.
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Eine weitere Vorrichtung zum Umwandeln der Signale ist in F i g.
6 dargestellt. Das erste Signal wird hierbei in der Vorrichtung A 1 wieder mit einer
Spannung proportional zu sin 9 multiplikativ gemischt, worauf die sich ergebende
Spannung durch das Tiefpaßfilter B1, das die Frequenzen unterhalb 1/29 durchläßt,
geführt wird, worauf das erhaltene Signal, das proportional zu cos fJx ist, der
Vorrichtung El zugeführt wird.
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El wird zugleich das zweite Signal von II über einen Phasenausgleicher
C2 zugeführt. Was die Nulldurchgänge anbetrifft, verhält dieses Signal sich im wesentlichen
wie die Funktion cos mx, da b so klein gewählt ist, daß Jo(b) groß ist gegenüber
J1(b) (z. B. b = 0,2).
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Auf ähnliche Weise empfängt E2 ihre Signale. In El und E2 werden
die eintreffenden Signale linear kombiniert. Die aus El und E2 austretenden Signale,
die im wesentlichen proportional zu cos mx und sin mx sind, werden F zugeführt,
in der auf bekannte Weise Impulse für vorwärts und rückwärts gebildet werden.
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Die Impulse werden der Vorrichtung D zugeführt, die die Impulse für
vorwärts positiv und diejenigen für rückwärts negativ berechnet, darauf integriert
und gleichgerichtet. Die erhaltene Gleichspannung wird E1 und E2 zugeführt, zur
Steuerung des Mischverhältnisses der in E1 und E2 linear kombinierten Signale. Bei
geringer Geschwindigkeit des Rasters werden in E1 bzw. E2 nur die aus B1 bzw. B2
austretenden Signale eingekoppelt. Bei zunehmender Geschwindigkeit werden diese
abgekoppelt und werden die aus C2 bzw. C1 austretenden Signale eingekoppelt.
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Die Phasenausgleicher C1 und C2 dienen dazu, die in B1 und B2 auftretende
Phasendrehung einigermaßen auszugleichen, damit bei der Übernahme die
aus B1 und
B2 und C2 und C1 austretenden Signale etwa in der Phase sein werden.