DE2012946C3 - Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes eines Gegenstandes in Bezug auf eine definierte Lage mit Hilfe eines Interferometers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Be- nismäßig großen Abstand von dem Strahlungsteiler 3 Stimmung des Abstandes eines Gegenstandes in bezug und ist starr mit dem (nicht dargestellten) Gegenstand auf eine definierte Lage mit Hilfe eines Inferfero- 5" verbunden, dessen Abstand von einem definierten meters, wobei die von einer Strahlungsquelle aus- Punkt gemessen werden soll. Dieser in einer Ebene 2 gesandte Strahlung mit Hilfe eines Strahlungsteilers liegende definierte Punkt befindet sich in einem in zwei räumlich getrennte Teilstrahlungsbündel ge- optischen Abstand vom Strahlungsteiler 3 gleich dem teilt wird, von denen das eine auf einen mit dem optischen Abstand des Reflektors 11 vom Strahlungs-Gegenstand verbundenen Reflektor des einen Inter- 55 teiler 3.

ferometerarmes trifft, zurückreflektiert wird und vom Das am ersten Reflektor 11 reflektierte Strahlen-

Strahlungsteiler mit dem Teilstrahlungsbündel des bündel wird vom Strahlungsteiler 3 teilweise zu einem anderen Interferometerarmes wieder vereinigt wird, strahlungsempfindlichen Detektorsystem 8 durchge- und wobei sodann die zusammengefügte Strahlung lassen; ebenso wird das am zweiten Reflektor 12 reauf ein strahlungsempfindliches, ein Ausgangssignal 60 flektierte Strahlenbündel vom Strahlungsteiler 3 teillieferndes Detektorsystem fällt. weise zum strahlungsempfindlichen Detektorsystem 8

tine solche Vorrichtung ist z. B. aus der DT-OS reflektiert.

73 541 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung er- Die Strahlungsamplitude des am strahlungsempfind-

fordert jedoch einen verhältnismäßig hohen Aufwand liehen Detektorsystem 8 ankommenden Strahlenbünan optischen Elementen. 65 dels kann als Funktion der Zeit t durch die Formel

Ahnliche Vorrichtungen sind weiterhin bekannt

aus der DT-PS 19 09 728 und der Zeitschrift »Natur- A = sin ω/ + sin ω (t - τ)

wissenschaftliche Rundschau« 22. Jahrgang, 1969, = 2 sin ω (t - τ/₂) cos ω (τ/₈)

dargestellt werden. Dabei bezeichnet ω/2 π die Licht- Man berechnet

frequenz und τ die Zeit, während der sich das dem _B /, , - τ\"■.. , ν , /, V χ

zweiten Reflektor 12 zugeführte T.albündel zwischen ^B= I¹ + ^{cos Δω} ζ)^ + ^cos ?*} + I¹ — «»/I«·j

der fctene 2 und dem Reflektor 12 befindet, also: (1 — cos ω_οτ) = 2 (1 + m cos ω_Λτ).

τ = 2z/c, wenn ζ der Abstand zwischen der Ebene 2 5 Dabeiist

und dem Reflektor 12, und c die Fortpflanzungs- _Λ , . , . _T

geschwindigkeit der Strahlung sind. 2 w₀ = W₁ + ω₂, Λω = W₁ -ω, und m = cos Δω j.

Das im strahlungsempfindlichen Detektor 8 er- Es sei bemerkt, daß Δω in bezug auf die Grenzzeugte elektrische Signal B, das dem Quadrat der frequenz des Detektors 8 groß ist Amplitude der ankommenden Strahlung proportional io Ändert man nun die Kreisfrequenz des von der ist, ist proportional zu Strahlungsquelle ausgesandten Strahlungsbündels und cos^a ωτ/2, also zu 1 + cos tor. ^zwar S^{emäß der} Beziehung

Ändert man nun die Kreisfrequenz ω der von der Δω = ω₀ / sin Ω t,

Strahlungsquelle 1 ausgesandten Strahlung entspre- 15 so wird

chend der Beziehung ω = O₉ (1+/sin Qf), so wird _D,_ ₁₍ / .t . _n \ .,

der sich verändernde Teil B₁ des s^_a\s B zu ^{fi/2 = X} + ^cos l^Wo/2 ^sm£i ') cos O)₁₁T=I+ M₁ cos ω,τ.

Die Modulationstiefe m_x ändert sich periodisch.

cos 2 π — (1 + / sin Ω i), wobei λ_α = —-. ^{Nicht die} Nulldurchgänge von cos w_ot, sondern die

^{0 ω}» ^ao von cos (ω₀ /y sin Ω r) werden gezählt.

Darin ist co_g die mittlere Kreisfrequenz der von der Man kann in der Vorrichtung nach F i g. 1 Strah-

Strahlungsquelle 1 ausgesandten Strahlung und Ω die lungsquelle 1 auch durch zwei Strahlungsquellen mit

Frequenz, mit der ω geändert wird. zueinander senkrechten Polarisationsebenen ersetzen.

Die Anzahl der Nulldurchgänge JV des Teilsignals 51 25 In diesem Fall wird in dem Strahlungsweg zwischen

während der Zeit t einer sinusförmigen Periode dem Strahlungsteiler 3 und dem strahlungsempfind-

T = 2π/Ω beträef N = -^- f liehen System 8 ein Analysator angeordnet, dessen

λ* Polarisationsebene einen Winkel γ mit der die Strah-

Stellt man N in einem an das strahlup.gsempfindliche lungsquelle verlassenden Strahlung mit Kreisfre-

Element 8 angeschlossenen Zähler 9 ein, so kann man 3° quenz W₁ einschließt. Das im strahlungsempfindlichen

bei einem bekannten Wert von / den Abstand ζ be- System 8 erzeugte elektrische Signal B ist dann ge-

rechnen. geben durch

In einem Ausführungsbeispiel war: λ₀ = 0,5 μώ, " _{B=1 + cos} ^ _{cos2 γ + cos} ^ _{τ sin2 y}

/= -Ji = 0,1 und N = 1,6 · 10'. Hieraus berechnet ₃₅ ^. _{γ = Q ist}. _{ß = χ + cqs} ^ _χ. ^. _{y =} ^_{0 ist}

sich der Abstand 2 = 5 m. „ _Λ , ... .,_o. . „ - , Δω

Statt einer sinusförmigen Änderung der Kreis- ^{B= l} + cos_W2r;undbe_iy = 45 ₁st:^ = l + cos-_rT·

frequenzΩ kann man auch eine sägezahnförmige Ände- cos ω₀ τ. Hierbei ist 2 ω_α = W₁ + ω₂ und Δω = W₁ — ω₂. rung durchführen, ζ. B. entsprechend der Beziehung Die Vorrichtung nach F i g. 2 ist der nach F i g. 1

40 sehr ähnlich. Entsprechende Einzelteile haben in beiden

ω = ω (l + f—\ Figuren die gleichen Bezugsziffem. Die Strahlungs-

"\ Tj quelle 1 sendet linear polarisierte Strahlung aus, die

von dem Strahlungsteiler 3 des Interferometers in zwei

Der sich verändernde Teil .S₁ des Signals B wird Teilstrahlungsbündel aufgespalten wird. In dem kurdann zu 45 ren Teilstück des Interferometers ist eine λ/4-Platte 21

Iz I t \ angebracht. Der Winkel zwischen der optischen Achse

cos 2π—-Il + / — J. der λ/4-Platte und der Polarisationsebene des auf-

^λ° \ ^T' fallenden Teilbündels beträgt 45°. Nach Reflexion an

Während der Zeit / = T der Sägezahnperiode be- dem ersten Reflektor 11 durchläuft das Teilbündel trägt die Zahl der Nulldurchgänge des Teilsignals B₁ 50 wieder die λ/4-Platte 21. Insgesamt hat dieses Teilbündel also eine λ/2-Platte durchlaufen, so daß die

V = -- f Polarisationsebene des im kurzen Teilstück zum

" ~ χ Strahlungsteiler 3 zurückkehrenden Teilbündels D₁

um 90° in bezug auf das die Strahlungsquelle 1 ver-

Man kann in der Vorrichtung nach F i g. 1 die 55 lassenden Strahlungsbündel gedreht wird. Die Polari-Strahlungsquelle 1 auch durch eine Strahlungsquelle sationsebene des an« zweiten Reflektor 12 reflektierersetzen, die Strahlungsbündel von zw:i Kreisfrequen- ten Teilbündels D₂ ändert sich dagegen nicht. Das von zen W₁ und a\ aussendet, wobei diese Strahlungsbündel dem Strahlungsteiler 3 durchgelassene vom Reflektor den gleichen Polarisationszustand aufweisen. An der 11 kommende Teilbündel D₁ hat daher eine Polari-Stelle des strahlungsempfindlichen Elements 8 kann 60 sationsebene, die zu der des am Strahlungsteiler 3 die Amplitude der Strahlung durch reflektierten vom Reflektor 12 kommenden Teil-

A - ? ςίη r,) U riT\ cos ω τ 12 bündeis D₂ senkrecht steht. Die Teilbündel D_x und D₂

I ο ! η _ Jm fr! lio durchlaufen nach Verlassen des Strahlungsteilers 3

+ L sin w₂ κι x\L) cos ω₂ t/z _{dne wejtere A/4}._{Pla1te 2}8, deren Hauptrichtung einen

angegeben werden. 65 Winkel von 45° mit der Polarisationsrichtung jedes

Das im Detektor 8 erzeugte elektrische Signal B ist der Teilbündel D₁ und D₂ einschließt. Die λ/4-Platte 28

dem zeitlichen Mittelwert des Quadrats der Amplitude wandelt nun die zwei linear polarisierten Teilbündel

der Strahlung proportional. D₁ bzw. D₂ in je ein. rechts- bzw. linksdrehend polari-

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siertes Strahlungsbündel um. Bei Zusammenfügung Man kann die Lage der Polarisationsebene des ergeben diese Strahlungsbündel ein linear oder nahezu aus der Λ/4-Platte 28 heraustretenden linear polarilinear polarisiertes Strahlungsbündel, dessen Lage der sierten Strahlungsbündels und damit den zu messenden Polarisationsebene von der gegenseitigen Phase der Abstand Z auch auf andere Weise bestimmen. Dazu kreispolarisierten Strahlungsbündel abhängt, d. h. eine 5 muß zwischen der λ/4-Platte 28 und dem Strahlungs-Verschiebung des Reflektors 12 und damit des zu teiler 22 die Reihenschaltung zweier Λ/4-Platten mit messenden Abstands 112 äußerst sich in Form einer gleicher Orientierung angebracht werden, zwischen Drehung der Polarisationsebene. Das linear polari- denen ein elektrooptischer Kristall mit einer Orientiesierte Strahlungsbündcl trifft nunmehr einen weiteren rungsrichtung angeordnet ist, die einen Unterschied Strahlungsteiler 22, di:r einen Teil des linear polari- io von 45° mit der der λ/4-Platten aufweist, wobei diesem sierten Strahlungsbündels durchläßt und einen anderen Kristall eine angemessene elektrische Wechselspan-Teil reflektiert. Der durchgelassene Teil passiert einen nung zugeführt wird. Verhältnismäßig langsame Polarisator 23, dessen Polarisationsebene einen Winkel Änderungen der Lage der Polarisationsebene des aus Y₁ mit einer gewählten X-Achse einschließt, so daß die der A/4-Platte 28 heraustretenden linear polarisierten Amplitude des ein nachgeschaltetes strahlungsempfind- 15 Strahlungsbündels lassen sich dann bequem messen,
liches Element 25 trefFenden Strahlungsbündels durch Ein Vorteil der Ausführungsform nach F i g. 2 ist,

daß Absorptionsverluste in einem der Arme des Inter-

cos (ωί — Jz₁) + eis [(ωί — τ) + yj ferometers keinen Einfluß auf die Lage der Polarisationsebene der Polarisationsellipse des betreffenden

und das im Element 25 erzeugte elektrische Signal ao Strahlungsbündels ausüben.

durch In der Vorrichtung nach F i g. 2 kann die Strah-

1 -f- cos (ωί — 2 ν ) lungsquelle 1 auch durch eine Strahlungsquelle ersetzt

^γ werden, die eine kreispolarisierte Strahlung aussendet,

dargestellt werden kann. Die Λ/4-Platte 28 muß dann weggelassen werden.

Der am Strahlungsieiler 22 reflektierte Teil passiert 25 Man kann in der Vorrichtung nach F i g. 2 die einen Polarisator 24, dessen Polarisationsebene einen Strahlungsquelle 1 ebenfalls durch eine Strahlungs-Winkel γ_ζ mit der erwähnten X-Achse einschließt, so quelle ersetzen, die zwei polarisierte Strahlungsbündel daß die Amplitude des ein nachgeschaltetes weiteres mit zwei Kreisfrequenzen O₁ und ω₂ aussendet. Die strahlungsempfindliches Element 27 treffenden Strah- Polarisationsebenen beider Strahlungsbündel können lungsbündels durch 30 dieselben sein oder zueinander senkrecht stehen.

cos (ωί -γύ + cos [(ωί - r) + yj ^Wjrd ^{der W}.^inkel * = °° ^{und der} Winkel*, = 45°

' 'i*' gewählt, so kann das im strahlungsempfindhchen

und das im strahlungsempfindlichen System 27 er- System 25 erzeugte elektrische Signal durch
zeugte elektrische Signal durch

1 + cos (ωί — 2 X₂) ι , _{cos Δω} _ cos ω«τ

2
dargestellt werden kann.

Wählt man ^₁ = 0° und y₈ = 45°, so läßt sich das
im Element 25 erzeugte Signal durch und das im strahlungsempfindlichen System 27 er-

1 + cos ωτ ⁴⁰ "⁰^ ^Si8^{nal durch}

und das im Element 27 erzeugte Signal durch ^ _|_ _sj_n ^_ω _£. _{cos ω τ}

1 + sin cot *·

angeben. 45 angegeben werden.

Statt eines Signals wie in der Vorrichtung nach Dabei ist 2 ω₀ = W₁ + ω₂ :md Δω = Cu₁ — ω₂.
F i g. 1 hat man dann zwei Signale, deren veränder- Man hat dann zwei amplitudenmodulierte Signale, liehe Teile einen 90°-Phasenunterschied aufweisen. deren amplitudenmodulierte Teile einen Phasen-Wird nun die Kreisfnüquenz to der von der Strahlungs- unterschied von 90° aufweisen. Die Anzahl von Nullquelle 1 kommenden Strahlung in der gemäß F i g. 1 50 durchgängen N der amplitudenmodulierten Teile, die beschnebenen Weise geändert, so entsteht eine Anzahl im Zähler 26 verarbeitet wird, ist zweimal größer als von Nulldurchgängen N, die zweimal größer ist als die die Anzahl der gemäß F i g. 1 entstehenden Null-Anzahl der gemäß F i g. 1 entstehenden Nulldurch- durchgängen bei Verwendung von einer zwei Kreisgänge. Die NuUdurchgänge JV werden wiederum in frequenzen W₁ und ω₂ auszusendenden Strahlungseinem Zähler 26 verarbeitet 55 quelle 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Heft 1, S. 8 bis 16. Die aus diesen beiden Druck-Patentansprüche: Schriften bekannten Vorrichtungen sind noch aufwendiger als die eingangs genannte Vorrichtung, denn

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes sie benötigen sogar zwei Strahlungsquellen, eines Gegenstandes in bezug auf eine definierte 5 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Lage mit Hufe eines Interferometers, wobei die eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahinvon einer Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung gehend zu verbessern, daß sie erheblich einfacher aufmit Hilfe eines Strahlungsteilers in zwei räumlich gebaut ist und trotzdem eine sehr genaue Messung von getrennte Teilstrahlungsbündel geteilt wird, von Abständen ermöglicht.

denen das eine auf einen mit dem Gegenstand ver- io Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die bundenen Reflektor des einen Interferometerarmes Frequenz der von der Strahlungsquelle ausgesandten trifft, zurückreflektiert wird und vom Strahlungs- Strahlung entsprechend einer festgelegten Beziehung teiler mit dem Teilstrahlungsbündel des anderen von Δω frequenzmoduliert ist, und daß die Anzahl der Interferometerarmes wieder vereinigt wird, und Nulldurchgänge des der Modulation entsprechenden, wobei sodann die zusammengefügte Strahlung auf 15 sich verändernden Teilsignals des im strahlungsein strahlungsempfindliches, ein Ausgangssignal empfindlichen Detektorsystems erzeugten elektrischen lieferndes Detektorsystem fällt, dadurch ge- Signals während der Zeit einer Periode der Frequenz(cu) kennzeichnet, daß die Frequenz(&») der der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung von der Strahlungsquelle (1) ausgesandten Strah- bestimmt wird und in einem an das strahlungslung entsprechend einer festgelegten Beziehung von ao empfindliche Detektorsystem angeschlossenen Zähler Δω frequenzmoduliert ist, und daß die Anzahl eingestellt wird.

der Nulldurchgänge (N) des der Modulation ent- Auf diese Weise ergibt sich ein sehr einfacher Aufsprechenden, sich verändernden Teilsignals (Bl) bau der Vorrichtung, die mit einem Minimum an opdes im strahlungsempfindlichen Detektorsystem tischen Elementen auskommt und die Durchführung (8, 25, 27) erzeugten elektrischen Signals während 35 sehr genauer Messungen ermöglicht, der Zeit einer Periode (T) der Frequenz (ω) der Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsge-

von der Strahlungsquelle (1) ausgesandten Strah- mälien Vorrichtung ergeben sich aus den Unterlung bestimmt wird und in einem an das strah- ansprüchen.

lungsempfindliche Detektorsystem (8, 25, 27) an- Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beigeschlossenen Zähler (9, 26) eingestellt wird. 30 spielsweise näher erläutert, die in F i g. 1 eine erste

2. Vorrichtung nacn Anspruch 1, dadurch ge- Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfinkennzeichnet, daß die von der Strahlungsquelle (1) dung und in F i g. 2 eine zweite Ausführungsform ausgesandte Strahlung polarisiert ist und daß in darstellt.

einem der Arme des Interferometers eine (2« + 1) Nach F i g. 1 trifft das aus einer Strahlungsquelle 1

λ _.. , ,_,, . „ ... . 35 stammende Strahlungsbündel den Strahlungsteiler3

₇ -Platte (21) (« = ganze Zahl) aufgenommen ,st. ^ _{Interferometers} ⁸ _{Das am} strahlungsteiler 3 re-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- fiektierte Teilstrahlungsbündel wird von einem ersten durch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) Reflektor 11 reflektiert, der aus einer Linse 4 und zwei Strahlungsbündel aussendet, deren Frequenz- einem in der Brennebene der Linse 4 angeordneten unterschied um einen Mittelwert schwankt. 40 Hohlspiegel 5 besteht. Der Reflektor 11 befindet sich

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch in einem verhältnismäßig kurzen Abstand von dem gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) eine Strahlungsteiler 3.

kreispolarisierte Strahlung aussendet. Das von dem Strahlungsteiler 3 durchgelassene

Teilstrahlungsbündel wird an einem zweiten Reflek-

45 tor 12 reflektiert, der aus einer Linse 6 und einem in

deren Brennebene angeordneten Hohlspiegel 7 besteht. Der Reflektor 12 befindet sich in einem verhält-