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DE2431166A1 - Optischer messfuehler fuer die verschiebung eines beugungsgitters - Google Patents

Optischer messfuehler fuer die verschiebung eines beugungsgitters

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Publication number
DE2431166A1
DE2431166A1 DE19742431166 DE2431166A DE2431166A1 DE 2431166 A1 DE2431166 A1 DE 2431166A1 DE 19742431166 DE19742431166 DE 19742431166 DE 2431166 A DE2431166 A DE 2431166A DE 2431166 A1 DE2431166 A1 DE 2431166A1
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DE
Germany
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bundle
diffraction
diffracted
photoelectric devices
division
Prior art date
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Application number
DE19742431166
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English (en)
Inventor
Yves Jullien
Claude Puech
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Thomson-Brandt SA
Original Assignee
Thomson-Brandt SA
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Publication date
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Description

75008 P ARIS /Frankreich
Unser Zeichen: T 1607
Optischer Meßfühler für die Verschiebung eines Beugungsgitters
Die ι Erfindung betrifft einen optischen Meßfühler für die Verschiebung eines Gitters mit konstanter Teilung in einer Ebene und seine Anwendung·bei dem Führen eines Kopfes zum optischen Lesen eines Informationsträgers mit äquidistanten Beugungsspuren. Das Verfolgen einer spiralförmigen Aufzeichnungsspur durch ein optisches Lesebündel erfordert die Erzeugung eines Fehlersignals durch einen optischen Meßfühler, welches die Verschiebung der Spur mit Bezug auf die ideale Spiralwindung ausdrückt. Im Verlauf des Lesevorganges stellt man nämlich kleine seitliche Bewegungskomponenten senkrecht zu der Ablaufrichtung der Spur fest. Insbesondere in dem Fall der Videoplatte ist das Problem des Verfolgens noch schwieriger, da es sich um Spiralwindungen mit geringer Breite (in der Größenordnung von Mikron) handelt, die durch einen sehr kleinen Ab-
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stand (ebenfalls in der Größenordnung von Mikron) voneinander getrennt sind. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Teil des Aufzeichnungsträgers, der sich in der Nähe des Lesepunktes befindet, als ein ebenes Beugungsgitter aufzufassen, und zwar wegen der Regelmäßigkeit der spiralförmigen Spur.
Der optische Meßfühler nach der Erfindung umfaßt Beleuchtungseinrichtungen, die parallele Strahlen kohärenten monochromatischen Lichtes liefern, sowie photoelektrische Einrichtungen.
Er ist dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Einrichtungen selektiv eine Beleuchtung empfangen, die aus Interferenzstreifen besteht, welche sich durch die Überlagerung eines ersten An'Leils der durch das Gitter gebeugten Strahlen und eines Referenzbündels ergeben, das durch einen zweiten Anteil der Strahlen gebildet wird, der nicht durch Beugung abgelenkt worden ist, wobei getrennte Teile der Beleuchtung durch die photoelektrischen Einrichtungen mit einer Teilung selektiv aufgefangen werden, die gleich, der Teilung oder der halben Teilung der Interferenzstreifen ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Schema eines optischen Meßfühlers nach der Erfindung,
Fig. 2 eine zur Erläuterung dienende Kurve,
die Fig.
3 und, 4 abgewandelte Ausführungsformen des Meßfühlers nach der Erfindung, und
die Fig.
5 und 6 Anordnungen zum Führen eines optischen Lese-
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_ O —
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kopfes unter Verwendung eines Meßfühlers nach der Erfindung.
Das Prinzip der Erfindung beruht auf einer Eigenschaft der ebenen Beugungsgitter, bei welchen es sich um Gitter handeln kann, die mit durchgelassenem oder mit reflektiertem Licht arbeiten, sofern sie mit einem ebenen Substrat vergleichbar sind, welches eine große Anzahl von parallelen Linien oder Spalten aufweist, die durch einen regelmäßigen Abstand oder eine Periode "a" voneinander getrennt- sind. Die folgende Erscheinung ist beobachtet und durch die Berechnung erklärt worden: eine Transversalverschiebung "e" des Gitters in seiner Ebene (d.h. senkrecht zu den parallelen Linien) wird durch einen Gangunterschied oder eine Phasenverschiebung der Lichtwellen ausgedrückt, der bzw. die für den gebeugten Strahl der BeugungsOrdnung η beträgt:
2 ir η e
Die' Berechnung kann ausgeführt werden, indem das Beugungsgitter durch eine komplexe Funktion einer Variablen χ definiert wird, die den in der Ebene des Gitters in einer zu den parallelen Linien senkrechten Richtung zurückgelegten Weg darstellt. Diese Funktion wird als f(x) bezeichnet. In dem Fall eines Gitters mit der Periode "a" ist unter Zuhilfenahme der Fourier-Analyse diese Funktion gleich einer unendlichen Summe von Ausdrücken der Form:
_ , . 2 ir η χ . Cn exp (i 5 )
wobei η eine positive oder negative ganze Zahl, i das Symbol der imaginären Ausdrücke und C ein komplexer Koeffizient ist. Bekanntlich wird die Amplitude der gebeagten Strahlen berechnet, indem die Fourier-Transformierte von f(x) in dem Intervall - ^, + ^ gebildet wird. So gilt für die Amplitude des gebeugten Strahls der Beugungsordnung n:
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H- 4
■λ 1/2 _ , « , , 2if η χ . , , ~.
A=-/ f (x) exp (- χ — ) dx (1)
η a J a a
Eine einfache Berechnung zeigt, daß, wenn man das Gitter um die Strecke e verschiebt, man eine neue Amplitude A (e) erhält, die man aus dem vorgenannten Integral gewinnen kann, indem man die Grenzen um die Größe +e variiert. Es ergibt sich folglich:
A (e) = A exp ( - i ) (2)
Il ±1 Cl
In dem Fall der Erfindung wird man die Phasenverschiebung des gebeugten Strahls der Beugungsordnung 1 beobachten, d.h. indem in der Gleichung (2) η = 1 gemacht wird:
Δ9
Damit diese Phasenverschiebung beobachtet wird, läßt man die gebeugte Welle der Beugungsordnung 1 mit einer zweiten kohärenten Referenzwelle interferieren. In der Praxis erhält man die Beleuchtungswelle und die Referenzwelle durch Trennung eines von einem Laser ausgesandten Bündels parallelen monochromatischen Lichtes. Die auf diese Weise erhaltenen beiden Bündel folgen getrennten Wegen und treffen sich schließlich in einem Punkt, in welchem man aufgrund ihrer Phasenverschiebung Interferenzstreifen beobachtet, deren Teilung (Abstände) von. der Wellenlänge des Lasers abhängig ist, deren Lage sich jedoch mit der Phasenverschiebung, d.h. mit der Verschiebung e des Gitters ändert, wie weiter unten erläutert.
Das Schema von Fig. 1 zeigt einen optischen Meßfühler nach der Erfindung. Ein Laser 1 sendet ein Bündel 10 von im wesentlichen parallelen Strahlen aus, welches durch einen halbdurchlässigen Spiegel 2 in zwei Bündel 11 und 12 aufgeteilt wird. Das Bündel 11 durchquert ein lichtdurchlässiges Beugungsgitter 3. Die Ebene der Fig. 1 ist eine Quer-
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schnittebene des Gitters 3: die Beugungslinien oder Beugungsspalte sind somit zu dieser Ebene senkrecht. Die gebeugten Bündel, die durch das Bündel 11 erzeugt werden, sind mit 13, 14 und 15 bezeichnet. Sie entsprechen den gebeugten Strahlen der Beugungsordnung 0 bzw. 1 bzw. -1. Das Bündel 12 wLrd durch einen Spiegel 4 aufgefangen, der derart orientiert ist, daß das reflektierte Bündel 16 seine Achse in der Ebene der Fig. 1 hat und nach dem Durchqueren des Gitters 3 ein gebeugtes Bündel 17 der Beugungsordnung 0 ergibt, welches mit dem Bündel 14 einen Winkel θ bildet: Man beobachtet nun in einer Ebene 18, die zu der Winkelhalbierenden des durch die Achsen der Bündel 14 und 17 gebildeten Winkels senkrecht ist, Interferenzstreifen mit einer Teilung L. In der Ebene 18 ist die Signalplatte oder Meßplatte von photoelektrischen Einrichtungen 19 angeordnet, die aus Photozellen bestehen, deren Abmessungen und Abstand weiter unten erläutert sind.
Wenn die Wellenlänge des Lasers λ ist, ist bekanntlich die Eeilung L der Interferenzstreifen in der Ebene 18 in Abhängigkeit von dem Winkel θ durch folgende Gleichung gegeben;
L== <4>
Über die Größenordnung der Teilung der Interferenzstreifen werden zwei Bemerkungen gemacht:
1) Wenn θ nicht sehr klein ist, ist L sehr klein, und zwar in"der Größenordnung von einem Ilikron (für einen Laser im Bereich des sichtbaren Lichtes). Damit man eine Teilung von einigen Millimetern erhält, die es ermöglicht, die Maxima und die Minima mit Hilfe von Photozellen leicht zu unterscheiden, muß man auf einen Bruchteil von Milliradiantheruntergehen.
2) Die Interferenzstreifen dürfen sich nicht mit den Beu-
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gungstreifen vereinigen, die in der Ebene 18 an dem Schnitt derselben mit den gebeugten Strahlen der Beugungsordnung 0,1, usw..- η auftreten. Wenn nämlich die Teilung des Beugungsgitters in der Größenordnung von einem Mikron liegt, sind die Winkel der gebeugten Strahlen groß (größer als 20 ) und es ist einfach, die Verwechslung der verschiedenen Streifen zu vermeiden, indem die Ebene 18 in einem ausreichenden Abstand von der Stelle angeordnet wird, an dem das Gitter durch das Bündel 11 durchquert wird.
Da der Winkel θ sehr klein ist, gilt somit praktisch:
L " θ
Wenn infolge einer Verschiebung in der Ebene des Gitters die Beugungsspalte um eine Größe e verschoben werden, verschieben sich die Beugungsstreifen um eine Größe E. Da die Phasenverschiebung des gebeugten Strahls der Beugungsordnung 1 proportional zu der Größe e ist, gilt:
El = k
e
wobei k eine Konstante ist, die aus der Kenntnis heraus bestimmt wird, daß man für e = a eine Streifenverschiebung entsprechend einer vollständigen Periode hat, d.h. entsprechend einer Wellenlänge, was in der Ebene 18 einer Größe L entspricht, so daß gilt:
E = L = k · (7)
e a
woraus sich ergibt:
E = -f- = L (8)
In Fig. 2 ist die Kurve der Lichtstärke I aufgetragen, die längs einer als Abszissenachse angenommenen Geraden Ox, bei welcher es sich um nichts anderes als den Schnitt der Ebene 18 mit der Ebene von Fig. 1 handelt, beobachtet wird. Diese Kurve sieht wie eine Sinuslinie aus, deren Minima
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(Berührungspunkte mit der Achse Ox; I = 0) einen Abstand voneinander haben, der gleich der Länge L ist (vgl. Gleichung 5). In der Praxis wird der Winkel θ auf den Wert eingestellt, der der gewünschten Länge L in der Ebene 18 entspricht. Wenn man an zwei Punkten P und Q der Geraden Ox Photozellen anordnet, die einen Abstand L/2 haben, registriert man auf diese Weise die Lichtstärken an zwei Punkten in Phasenopposition. Wenn man bei einer bestimmten Position des Gitters die Kurve C hat, so daß die Lichtstärke an den Punkten P und Q gleich I ist, erhält man für eine Verschiebung e des Gitters eine Kurve C1, die gegenüber der Kurve C x um die Strecke E verschoben ist. Für die Lichtstärken in den Punkten P und Q ergeben sich I1 bzw. I^ und es gilt:
τ2 - 1O = 1O - 1I
Aus der Messung der Differenz der Lichtstärken in P und Q erhält man:
Δ I = I2 - I1 = 2 (Io - I1)
Man sieht, daß die Größe ΔΙ eine Funktion der Verschiebung E ist. Diese Größe kann somit als Fehlersignal in einer Regelanordnung für die Gitterposition verwendet werden.
Bei einer ersten Variante,der Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist, wird als Referenzbündel das gebeugte Bündel der Beugungsordnung Null verwendet. Das Bündel 17, das aus gebeugten Strahlen der Beugungsordnung 1 besteht, wird durch ein Prisma 30 gebrochen, so daß es das Bündel 13 trifft, das aus dem nicht abgelenkten Teil des Bündels 10 stammt. Man erhält Beugungsstreifen in einer Ebene 18, in welcher die Signalplatte der photoelektrischeh Einrichtungen 19 angeordnet ist. Das Prisma 30 kann durch einen Spiegel ersetzt werden, wobei dann die Brechung durch eine Reflexion ersetzt ist. Man kann außerdem zwischen der Ebene 18 und den photoelektrischen Einrichtungen 19 ein optisches System anordnen, welches derart vergrößert, daß sich Interferenzstreifen mit verhältnismäßig großer
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Teilung ergeben.
Bei einer zweiten Variante der Erfindung, die in Fig. 4 dargestellt ist, ist vor der empfindlichen Fläche 410 einer Zelle 41 eine Maske 40 angeordnet, die mit zu den Streifen parallelen Spalten 401 versehen ist. Die Teilung der Spalte und ihre Breite sind untereinander gleich und gleich, der Teilung L der Interferenzstreifen. Während der Verschiebung derselben beobachtet man für den gewonnenen Strom eine Folge von Maxima und Minima. Zur Unterscheidung der Verschiebungsrichtung werden zwei Zellen verwendet, deren Masken gegeneinander verschoben sind, beispielsweise um eine Viertelteilunc.
In Fig. 5 ist im Schnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Führungsanordnung dargestellt, die einen optischen Meßfühler nach der Erfindung enthält. Diese Anordnung wird bei einem Lesekopf verwendet, der eine Platte 3 optisch liest, die auf einem Teller 301 ruht, der durch einen Motor 60 angetrieben wird, welcher mittels eines Sockels 601 auf einem Rahmen 602 befestigt ist. Der Rahmen 602 steht fest und dient als Laufbahn für einen beweglichen Rahmen 35, der die Leseorgane mit Ausnahme des Lasers trägt. Der Rahmen 35 trägt einen Rahmen 36, der unter der Einwirkung eines Wandlers 62 in bezug auf den Rahmen 35 mit kleiner Amplitude gleiten kann. Der Wandler 62 verbindet zwei Wände 351 und 3 61 miteinander, die mit den Rahmen 35 bzw. 36 fest verbunden sind. Der Wandler 62 wird durch den im folgenden beschriebenen optischen Meßfühler gesteuert.
Dar Rahmen 35 wird durch einen Motor 71 angetrieben, dessen Antriebsritzel 710 eine Zahnstange 711 betätigt, die mit dem Rahmen 35 fest verbunden ist.
Ein Laser 1 sendet ein Bündel 10 von parallelen und monochromatischen Strahlen aus, welches durch einen halbdurchlässigen Spiegel 2 in zwei Bündel 21 und 50 aufgeteilt wird. Das Bündel 21 wird durch einen Spiegel 31 re-
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flektiert und nach dem Durchqueren von zwei aufeinanderfolgenden Linsen 32 und 33 auf die Platte 3 fokussiert. Nach dem Durchqueren der Platte 3 beobachtet man ein Bündel 22 mit kleinem Öffnungswinkel, wenn keine Beugung stattgefunden hat (Fall der glatten Platte), und im gegenteiligen Fall ein Bündel 23 mit großen Öffnungswinkel (aufgrund des Vorhandenseins von Aufzeichnungsspuren an dem Fokussierungspunkt).
Eine Anordnung 34 von photoelektrischen Einrichtungen ist so angebracht, daß ein Lesesignal in dem Fall ausgesandt wird, in welchem das Licht aus der Platte 3 in Form des Bündels 23 mit großem Öffnungswinkel austritt, und daß kein Lesesignal in dem gegenteiligen Fall ausgesandt wird.
Das Bündel 50 wird durch einen Spiegel 51 als ein Bündel 52 reflektiert und durch einen Spiegel 53 als ein Bündel 54 reflektiert, von welchem ein Teil als ein Bündel 57 gebeugt wird (Beugungsordnung 1 oder -1). Aufgrund eines Spiegels 55 überlagern sich die Bündel 56 und 57 in der Ebene einer photoelektrischpn Vorrichtung 19.
Ein schematisch dargestellter Verstärker 621 erzeugt aus einem aus der Vorrichtung 19 kommenden Eingangssignal ein Ausgangssignal, welches auf den Wandler 62 einwirkt, bei welchem es sich beispielsweise um einen Stapel von piezoelektrischen Keramikscheiben oder um eine piezoelektrische Zweischichtanordnung handelt.
Die Punkte, an welchen die Platte 3 von dem Lesebündel und von dem Bündel 54 durchquert wird, sind in Fig. 5 auf ein und demselben Radius der Platte 3 dargestellt. Sie befinden sich infolgedessen auf verschiedenen Spiralwindungen, was sich als Nachteil erweisen kann. Zur Beseitigung dieses Nachteils kann man den Rahmen 36 mit Bezug auf den Rahmen 35 derart ausrichten, daß die Durchquerungspunkte senkrecht zu dem Radius liegen und demzufolge an denselben Spiralwindungen Anteil haben.
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In Fig. 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Führungsanordnung dargestellt, bei welcher der Anteil von durch die Platte 3 gebeugtem Licht durch Reflexion erhalten wird- Die Ausführungsform enthält in diesem Fall zahlreiche Bestandteile, die mit denen des vorherigen Falles identisch sind: sie sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. In dem Rahmen 36 ist der Spiegel durch eine halbreflektierende Schicht 61 ersetzt, die in unterschiedlicher Weise orientiert ist. Hier wird das reflektierte Bündel 62 durch Reflexion des Bündels 50 auf der Schicht 61 erhalten. Das Bündel 63, das von der Durchquerung dieser Schicht 61 durch das Bündel 50 herrührt, wird durch Reflexion zu einem Bündel 64 gebeugt, welches sich auf der Vorrichtung 19 mit dem Bündel 62 überlagert. Der übrige Teil der Ausführungsform ist mit der von Fig. 5 identisch.
Die Erfindung ist somit auf den Fall des optischen Lesens durch Reflexion anwendbar.
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Claims (10)

  1. Patentansprüche:
    1J Optischer Meßfühler für die Verschiebung eines Beugungsgitters konstanter Teilung in der Meßfühlerebene, mit Beleuchtungseinrichtungen·, die parallele Strahlen kohärenten monochromatischen Lichtes liefern, und mit photoelektrischen Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Einrichtungen eine Beleuchtung empfangen, die aus Interferenzstreifen besteht, welche sich aus der Überlagerung eines ersten Anteils der durch das Beugungsgitter gebeugten Strahlen und eines Referen.zbündels ergeben, welches aus einem zweiten Anteil der Strahlen besteht, die keine Ablenkung durch Beugung erfahren haben, und daß getrennte Teile der Beleuchtung an vorbestimmten Punkten durch die photoelektrischen Einrichtungen aufgefangen werden, wobei die Teilung der Punkte gleich der Teilung oder gleich der halben Teilung der Interferenzstreifen ist.
  2. 2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anteil der Strahlen aus dem gebeugten Bündel der Beugungsordnung 1 oder^-1 besteht.
  3. 3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anteil der Strahlen durch Hindurchleiten von Licht durch das Beugungsgitter gebeugt ist.
  4. 4. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anteil der Strahlen durch Reflexior auf dem Beugungsgitter gebeugt ist.
  5. 5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzbündel das nicht abgelenkte Bündel der Beugungsordnung Null ist und daß ein optisches System die Überlagerung des Referenzbündels mit dem ersten Lichtanteil in einer vorbestimmten Ebene bewirkt, die mit der Ebene der photoelektrischen Einrichtungen zusammenfällt.
    409883/108^
  6. 6. Meßfühler nach einem derAnsprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Beugungsgitter und die photoelektrischen Einrichtungen in der Ebene der photoelektrischen Einrichtungen eine Maske eingeschoben ist, die Spalte hat, wobei die Spaltbreite gleich der halben Teilung der Interferenzstreifen ist und wobei der Abstand zwischen zwei Spalten gleich einer halben Teilung ist.
  7. 7. Führungsanordnung für einen Kopf, der einen Informationsträger mit äquidistanten Beugungsspuren optisch liest, gekennzeichnet durch einen optischen Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf und die photoelektrischen Einrichtungen miteinander zu einer festen Anordnung verbunden sind und daß die Position dieser Anordnung mittels einer Regelvorrichtung, die durch ein aus den photoelektrischen Einrichtungen stammendes Fehlersignal betätigt wird, mit der Position der Spuren verknüpft ist.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtungen einen Laser enthalten, dessen Bündel durch einen Teiler in ein erstes Bündel, welches von dem Kopf aufgefangen wird, und in ein zweites Bündel unterteilt wird, welches durch Hindurchleiten durch den Informationsträger auf die photoelektrischen Einrichtungen geschickt wird, daß das Referenzbündel das gebeugte Bündel der Beugungsordnung Null ist und daß ein Spiegel die überlagerung des zweiten Bündels und des Referenzbündels sicherstellt.
  10. 10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtungen einen Laser enthalten, dessen Bündel durch einen ersten Teiler in ein erstes Bündel, welches von dem Kopf aufgefangen wird, und in ein
    409883/1Q83
    zweites Bündel aufgeteilt wird, welches durch einen zweiten Teiler in ein Referenzbündel, das auf die photoelektrischen Einrichtungen geschickt wird, und in ein drittes Bündel aufgeteilt wird, von welchem die photoelektrischen Einrichtungen einen durch Reflexion auf dem Informationsträger gebeugten Anteil empfangen.
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