DE2012946A1

DE2012946A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes eines Gegenstandes in bezug auf eine definierte Lage mittels einer von einem Sender ausgesandten Strahlung

Info

Publication number: DE2012946A1
Application number: DE19702012946
Authority: DE
Inventors: Gijsbertus; Velzel Christiaan Hendrik Frans; Eindhoven Bouwhuis (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-03-25
Filing date: 1970-03-18
Publication date: 1970-10-01
Also published as: FR2035878B1; DE2012946B2; CH520319A; GB1308957A; FR2035878A1; NL6904621A; BE747836A

Description

PHN.

_j_ 3954

Anmeldung vom« 17 .Mär Z 1970

"Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes eines Gegenstandes in bezug auf eine definierte Lage mittels einer von einem Sender ausgesandten Strahlung!¹.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes eines Gegenstandes in bezug auf eine definierte Lage mittels einer von einem Sender ausgesandten Strahlung,die nach der Wechselwirkung mit dem Gegenstand einem Empfänger zugeführt wird.

Eine solche Vorrichtung ist bekannt. In der bekannten Vorrichtung wird die Strahlung in Form von Impulsen ausgesandt und wird der Zeitpunkt der dem Empfänger zugeführten Impulse mit dem Zeitpunkt der ausgesandten Impulse verglichen. Von diesen Zeitpunktten und der Geschwindigkeit der Strahlung in dem Medium, in dem die Strahlung sich fortpflanzt, lässt sich der zu messende Abstand ableiten» Der Nachteil der bekannten Vorrichtung ist der, dass die Zeitpunkte äusserst genau gemessen werden sollen, wenn der

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BAD ORIGINAL

Abstand sehr genau gemessen werden soll. Eine verwickelte Apparatur ist in diesem FaILe unentbehrlich.

Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beheben, Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenc der vom Sender ausgesandten Strahlung um einen mittleren Wert schwankt, welche Strahlung um einen mittleren Wert schwankt, welche Strahlung einem Interferometer zugeführt wird, das in einem der zwei Arme einen mit dem Gegenstand mechanisch fest verbundenen Reflektor enthält.

Es ist vorteilhaft, einen ein polarisiertes

Strahlungsbündel emittierenden Sender anzuwenden und in einem der Arme des Interferometers eine (n + 1) \/h Platte (n = ganze Zahl) aufzunehmen. Es werden dann zwei zueinander orthogonal polarisierte Teilbündel auf den Empfänger gerichtet, so dass genaue Messungen ermöglicht werden. Dank der Modulation des Polarisationszustandes sind genaue Messungen möglich, da der Abstand von dem Polarisationszustand der aus dem Interferometer heraustretenden und dem Empfänger zugeführten Strahlung abgeleitet wird. Dieser Polarisationszustand ist wenig empfindlich für Störungen.

Gemäss einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung werden zwei Strahlungsbündel ausgesandt, deren Frequenzunterschied um einen Mittelwert schwankt. Dies ermöglicht, bei der Verarbeitung der im Empfänger erzeugten elektrischen Signale einen einfacheren elektrischen Kreis zu verwenden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, die in Fig. 1 eine erste Aus-

BAD ORlGiNAl

009840/UU ^WNAL

-3- PHN. 395h

führungsform eines Abstandsmeters nach der Erfindung und in Fig. 2 eine zweite Ausführungsform darstellt.

Nach Fig. 1 trifft das aus der Strahlungsquelle

stammende Strahlungsbündel den isotropen Teilenspiegel 3 eines Interferometers. Das am Teilspiegel reflektierte Teilbündel wird von einem retrodirektiven Element 11 reflektiert, das aus der Linse k und dem in der Brennebene der Linse angeordneten Hohlspiegel 5 besteht. Das retrodirektive Element 11 befindet sich in einem verhältriismässig kurzen Abstand von dem Teilspiegel 2. ,

Das von dem Teislpiegel durchgelassene Teilbündel wird an einem retrodirektiven Element 12 reflektiert, das aus der Linse 6 und dem in deren Brennebene angeordneten Hohlspiegel .7 besteht. Das retrodirektive Element 12 befindet sich in einem verhältnxsmässig grossen Abstand von dem Teilspiegel 3 und ist starr mit dem (nicht dargestellten) Gegenstand verbunden, dessen Abstand von einem definierten Punkt gemessen werden soll. Dieser in der Ebene 2 liegende Punkt befindet sich in einem optischen Abstand vom Teilspiegel 3 gleich dem optischen Abstand des Elementes 11 von dem Teilspiegel.

Das am retroduktiven Element 11 reflektierte

Bündel wd,rd. vom Teilspiegel, 3 teilweise zum strahlungsempfindlichen Element 8, durchgelassen; das am retroduktiven Element 12 reflektierte Bündel wird vom Teilspiegel 3 teilweise zum strahlungsempfindlichen Element 8 reflektiert.

An der Stelle de.s Elementes 8 kann die Strahlungs— , amplitude als Funktion der Zeit t durch:

009840/UU BADORIGINAL

PHN. 395k

A = sin iC t + sin ü& (t- V ) = 2
dargestellt werden. Dabei bezeichnet w^/2 ^C die Lichtfrequenz und L die Zeit, während der das dem retroduktiven Element zugehende Teilbündel sich zwischen der Ebene 2 und dem Element 12 befindet, also: t = 2z/c, wenn ζ der Abstand zwischen der Ebene 2 und dem Element 12, und c die Geschwindigkeit der
Fortpflanzung der Strahlung sind.

Das im Element 8 erzeugte elektrische Signal B,

das dem Quadrat der Amplitude proportional ist, ist proportional zu:

cos toT/2, also zu: 1 + cos lo'l.

Ändert man die Kreisfrequenz der von der Strahlungsquelle 1 ausgesandten Strahlung z.B. entsprechend der Beziehung LO = to (1 + f sin-A.t), so bildet sich der veränderliche Teil B₁ des Signals B aus wie:

cos 2Jf ~ ( 1 + f sin/Lt),
Xo

wobei X_n= —■

Die Anzahl von Nu11durchgängen N dieser cos-Funktion während einer Periode T = Z^/fL· beträgt: N = 4~ f

Stellt man N in dem an das Element angeschlossenen Zähler 9 ein, so kann man bei einem bekannten Wert von f den Abstand ζ berechnen.

In einem Ausführungsbeispiel war:A = 0,5 /um,

Δ to 7

f = -— =0,1 und N = 1,6.10 . Man berechnet ζ = 5 m.

Statt einer sinusförmigen Änderung der Kreisfrequenz kann man auch eine sägezahnförmige Änderung durch-

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-5- PHN. 395^

führen, z.B. entsprechend der Beziehung:

; ^ = ^g(i +■ f ψϊ~. ■.-■-■

Der veränderliche Teil B₁ des Signals B bildet sich dann aus wie: ·

_cos ζΧψ. (τ ₊ f |).

-\o

Während der Zeit t = T der Sägezahnperiode erhält man: N = -=r—f

durchgänge.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 1st der nach Fig.

sehr ähnlich. Entsprechende Einzelteile haben in beiden Figuren die gleichen Bezugsziffern. Die Strahlungsquelle 1 sendet linear polarisierte Strahlung aus, die von dem isotropen Teilspiegel des Interferometers in zwei Teilbünde1 aufgespaltet wird. In dem kurzen Arm des Interferometers ist eine Ji/k Platte 21 angebracht. Der Winkel zwischen der optischen Achse der Jt/h Platte und der Polarisationsebene des auffallenden Teilbündels beträgt k3 . Nach Reflexion, ara diem retroduiktiven Element ti; durchläuft das Teilbündel im fcurzett Arm wieder die ^i/4 Platte 21. Insgesamt hat dieses Teilbündel J(^/Z Platte durchlaufen.= Dole Polar! satiouEseVbene des im kttrzeat Arm; zum Teil spiegel 3 zttrückkehrendein; T@ilbünd!els dLst daheir über ^&^ in be^zug: auf dii.ee des; hiHilatEfendieiiai Temlbündels; gedireht* Έ&& Po ebene; dies ans uetEödÄti^ea Element ΐ2" r/eflefctiefrtem 'ämd&vt sieh nicht« Efas; van· dem! dls©trogen- Teilspmegel % gelassene Teilb&Me?!. B^ vo?n· diem Tz&t&o,&±&efc±±vi&m Element Tl Is havfc eine B®1 arris at Aomsefee-HEe,. d^£e 2». täer" de-Si ant Teils|>iieg;el r;e~ TeilbüMdiels; Bu yg&m amm !-etrodrireifeti^ren Eleiaenit; f2f -

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£U ι 29Α6

Platte 28, deren Hauptrichtung einen Winkel von 45 mit der Polarisationsrichtung jedes der Teilbündel einschliesst. Die J-/k Platte 28 wandelt die zwei linear polarisierten Teilbündel in ein rechts- bzw. linksdrehend polarisiertes Strahlungsbündel um. Bei Zusammenfügung ergeben diese Strahlungsbündel ein linear oder nahezu linear polarisiertes Strahlungsbündel, dessen Azimut von der gegenseitigen Phase der kreispolarisierten Strahlungsbündel abhängt, oder mit anderen Worten, eine Verschiebung von 12 äussert sich in Form einer Drehung der Polarisationsebene. Dieses linear polarisierte Strahlungsbündel trifft darauf den isotropen Teilspiegel 22, der einen Teil des linear polarisierten Strahlungsbündels durchlässt und einen äderen Teil reflektiert. Der durchgelassene Teil passiert den Polarisator 23, dessen Polarisationsebene einen Winkel O^ mit einer gewählten X-Achse einschliesst, so dass die Amplitude des das strahlungsempfindliche Element 25 treffenden Strahlungsempfindliche Element 25 treffenden Strahlungsbündels durch:

cos (to t - 0-i) + cos I' ( u>t - ^ ) + Q λ ι

dargestellt werden kann, so dass das im Element 25 erzeugte elektrische Signal:

1 + cos (tat - 2 / ) ist.

Der reflektierte Teil passiert den Polarisator Zk_t dessen Polarisationsebene einen Winkel ^ mit der erwähnten X-Achse einschliesst. Die Amplitude des das strahlungsempfind— liehe Element 27 treffenden Strahlungsbündels kann durch;

cos (uJ t - f 2

+ cos j {u>t -Ί?) + /₂ I

und somit das im strahlungsempfindlichen Element 27 erzeugte,

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elektrische Signal durch:

1 + cos (ω t dargestellt werden.

Wählt man 4λ - O und /₂ = k$ , so lässt sich das im Element 25 erzeugte Signal durch:

1 + cos u> L>
und das im Element 27 erzeugte Signal durch:

1 + sin u» L·
angeben. .

Statt eines Signals wie in der Vorrichtung nach Fig. T hat man dann zwei Signale, deren veränderliche Teile einen 90 Phasenunterschied aufweisen. Wird die Kreisfrequenz IP auf die an Hand der Vorrichtung nach Fig. 1 beschriebene Weise geändert, so entsteht eine Anzahl 1 von Nulldurchgängen N, die zweimal grosser ist als die Anzahl, die in der erwähnten Vorrichtung entsteht. Diese Nulldurchgänge werden im Zähler 26 verarbeitet.

Man kann die Lage der Polarisationsebene des aus der A/ij Platte 28 heraustretenden, linear polarisierten Strahlungsbündels welche Lage von der gegenseitigen Phase der die Λ./4 Platte 28 treffenden, linear polarisierten Bündel abhängt ,auch afuf die Weise bestimmen, die in der älteren Patentanmeldung (PHN. 290*0 beschrieben ist. Dann muss zwischen der X/k Platte und dem Teilspiegel 22 die Reihenschaltung zweier -^/h Platten mit gleicher Orientierung angebracht werden, zwischen denen ein elektrooptischer Kristall mit einer Orientierungsrichtung angeordnet ist, die einen Unterschied von ^5

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mit der der Λ/4 Platten aufweist, welchem Kristall eine angemessene elektrische Wechselspannung zugeführt wird. Verhältnismassig langsame Änderungen der Lage der Polarisationsebene des aus der X/k Platte 28 heraustretenden, linear polarisierten Strahlungsbündels lassen sich dann bequem messen.

Ein Vorteil der Ausführungsform nach Fig. 2 ist, dass Absorptionsverluste in einem der Arme des Interferometers keinen Einfluss auf das Azimut der Polarisationsellipse des betreffenden Strahlungsbündels ausüben.

In der Vorrichtung nach Fig. 2 kann die Strahlungsquelle 1 durch eine Strahlungsquelle ersetzt werden, die kreispolarisierte Strahlung aussendet. Die X./h Platte 28 muss dann weggelassen werden.

Man kann in der Vorrichtung nach Fig. 1 die

Strahlungsquelle 1 durch eine Strahlungsquelle ersetzen, die Strahlungsbündel von zwei Kreisfrequenzen U> ₁ und lü _? aussendet, welche Strahlungsbündel den gleichen Polarisationszustand aufweisen. An der Stelle des Elementes 8 kann die Amplitude der Strahlung durch:

A=2 sin U^₁ (t- ^/?/2) cos to, ΊΪ/2. + 2
angegeben werden.

Das im" Element 8 erzeugte elektrische Signal B ist dem zeitlichen Mittelwert des Quadrats der Amplitude der Strahlung proportional.

Man berechnet:

B=( 1+cosAa·^) (1+cos <Λ>_ο f) + (i-cos^lo^) ( 1-cos u> = 2(1 + m cosui T?) ,

009840/UU

Dabei ist 2u>_q =W^ ₊U>₂,äU> =l>>^ - u>₂ und m = cos^W |C

Es sei bemerkt, dass das Element 8 zwar schnell, aber AWJ in bezug auf die Abschneidefrequenz des Elementes gross ist.

Ändert man die Kreisfrequenz der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlungsbündel und zwar gemäss der Beziehung:

AiAJ = u>_o f sinJTLt,
so wird,

B/2=1+cos ( «■> f Tj- siiUi.t) cos LO "C= 1 + m₁ cos ί-° <-.

Die Modulationstiefe m₁ ändert sich periodisch.

Nicht die Nulldurchgänge von cos U>f sondern die von cos

If ■ "■'■-. '

(it? f ~ sinJLt) werden gezählt.

Man kann in der Vorrichtung nach Fig. 2 die

Strahlungsquelle 1 durch eine Strahlungsquelle ersetzen, die polarisierte Strahlungsbündel mit zwei Kreisfrequenzen tu« und ^₂ aussendet. Die Polarisationsebenen beider Strahlungsbündel können dieselben sein oder zueinander senkrecht stehen.

Wird der Winkel /^ = 0 und der Winkel /^ = gewählt, so kann das im Element 25 erzeugte, elektrische Signal durch ·

1 + Gös^^i cos a?..^ und das im Elentent 27 erzeugte Signal durchi

<£ O

Wieder ist 2i^ = (^ +

2 0123 4 6

Man hat zwei amplitudenmodulierte Signale, deren amplitudenmodulierte Teile einen Phasenunterschied von 90 aufweisen» Die Anzahl von Nulldurchgängen der amplitudenmodulierten Teile, die im Zähler 26 verarbeitet wird, ist zweimal der Anzahl in der Vorrichtung nach Fig. 1 mit zwei Strahlungsquellen.

Man kann in der Vorrichtung nach Fig. 1 die

Strahlungsquelle 1 durch zwei Strahlungsquellen mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen ersetzen. Wird in dem Strahlungsweg zwischen dem isotropen Teilspiegel 3 und dem strahlungsempfindlichen Element 8 ein Analysator angeordnet, dessen Polarisationsebene einen Winkel α mit der der Strahlungsquelle der Strahlung mit der Kreisfrequenz U) macht, so kann das im Element 8 erzeugte, elektrische Signal B durch:

2 ν Sy^ 2 / s VO C i

B = 1 + cos WL cos /+ cos VO C sin <f

angegeben werden. Bei 6=0 ist: B = 1 + cos 6χΛ. ^u, bei σ ~ 90 ist

B = 1 + cos LO uund bei f = 45° ist: B = 1 + cos —— Uosai

° ist: B = 1 cs Wieder ist 2 U) = ά> +^₂ undyja) = U? "

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Claims

2012 9Λ6

PATENTAN SPRUECHE:

C 1 ,J Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes eines

Gegenstandes in bezug auf eine definierte Lage mittels einer von einem Sender ausgesandten Strahlung, die nach der Wechselwirkung mit dem Gegenstand einem Empfänger zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der vom Sender ausgesandten Strahlung um einen Mittelwert schwankt, welche Strahlung einem Interferometer zugeführt wird, das in einem der zwei Arme einen mit dem Gegenstand mechanisch fest verbundenen Reflektor enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Sender ausgesandte Strahlung polarisiert ist und in einender Arme des Interferometers eine (n + 1) τ· Platte (n = ganze Zahl)aufgenommen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Sender zwei Strahlungsbündel aussendet, deren Frequenzunterschied um einen Mittelwert schwankt.

^. "Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Sender kreispolarisierte Strahlung aussendet.

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