DD236587A1 - INCREMENTAL STANDING WAVE SENSOR - Google Patents

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DD236587A1
DD236587A1 DD27557585A DD27557585A DD236587A1 DD 236587 A1 DD236587 A1 DD 236587A1 DD 27557585 A DD27557585 A DD 27557585A DD 27557585 A DD27557585 A DD 27557585A DD 236587 A1 DD236587 A1 DD 236587A1
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Gerd Jaeger
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Ilmenau Tech Hochschule
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Abstract

Die Erfindung kann ueberall dort angewendet werden, wo die zu messende technisch physikalische Groesse eine Aenderung des optischen Weges bewirkt. Gegenueber anderen Interferometern zeichnet sich die vorliegende Erfindung durch ihre kleine, einfache und kompakte Ausfuehrung aus. Dadurch werden der Interferometrie Messobjekte zugaenglich gemacht, die ihr bisher aufgrund des komplizierten Aufbaus der bekannten Interferometer nicht zugaenglich waren. Die Messobjekte koennen auch optisch beruehrungslos angetastet werden. Der Abstand zwischen den mit teilweise transparenten und fotoelektrisch aktiven Schichten versehenen Endflaechen des Abtastetalons wird durch ein piezoelektrisches Material hergestellt. Durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung an das piezoelektrische Material wird die Laenge des Abtastetalons gemaess der Bedingung kl8 eingestellt und durch Ueberlagerung einer elektrischen Wechselspannung wird der Abstand zur Kontrolle der inkrementalen 90-Phasenverschiebung periodisch moduliert. Bei Verwendung eines optisch nicht transparenten piezoelektrischen Materials wird das Abtastetalon als Luftplatte ausgebildet und bei Verwendung von optisch transparentem piezoelektrischen Material wird das Etalon als Quarzplatte ausgefuehrt.The invention can be applied wherever the technical-physical quantity to be measured causes a change in the optical path. Compared with other interferometers, the present invention is characterized by its small, simple and compact design. As a result, the interferometry measurement objects are made accessible, which were previously not accessible due to the complicated structure of the known interferometer. The measured objects can also be touched optically contactless. The distance between the partially transparent and photoelectrically active layers provided end surfaces of the Abtastetalons is made by a piezoelectric material. By applying a direct electrical voltage to the piezoelectric material, the length of the Abtastetalons is adjusted according to the condition kl8 and by superimposing an electrical alternating voltage, the distance to control the incremental 90-phase shift is periodically modulated. When using an optically non-transparent piezoelectric material, the scanning tray is formed as an air plate, and when using optically transparent piezoelectric material, the etalon is made as a quartz plate.

Description

moduliert. Das Abtastetalon ist als Luftplatte ausgebildet und besteht aus zwei optisch transparenten Glasplatten und der Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons ist aus einem optisch nicht transparenten piezoelektrischen Material eingestellt. Das Abtastetalon kann aber auch aus einem optisch transparenten piezoelektrischen Material hergestellt sein. Die inkremental Meßwertgewinnung in einer stehenden Welle ist unmittelbar mit der inkrementalen Abtastung eines körperlichen Maßstabs vergleichbar, denn das Intensitätsprofil der stehenden Welle verkörpert mit seinen Maxima und Minima eine ebenso räumlich feststehende Gitterteilung wie z. B. die Hell-Dunkelstriche eines inkrementalen Glasmaßstabes. Bekanntlich setzt die inkremental Meßwertgewinnung zwei um 90° phasenverschobeneelektrische Signale voraus. Bei der inkrementalen Abtastung einer stehenden Welle wird die Bezugsgröße von 360° durch eine Periode des Intensitätsprofils dermodulated. The Abtastetalon is formed as an air plate and consists of two optically transparent glass plates and the distance between the end surfaces of the Abtastetalon is made of a non-optically transparent piezoelectric material. The Abtastetalon can also be made of an optically transparent piezoelectric material. The incremental data acquisition in a standing wave is directly comparable to the incremental scanning of a physical scale, because the intensity profile of the standing wave embodies with its maxima and minima a spatially fixed grating pitch such. For example, the light and dark bars of an incremental glass scale. As is known, the incremental acquisition of measured values requires two signals which are phase-shifted by 90 °. In the incremental scan of a standing wave, the reference of 360 ° is represented by a period of the intensity profile of

stehenden Welle erzeugt, die =- beträgt. Deshalb sind die Endflächen des Abtastetalons im Abstand von k —generated standing wave, the = - is. Therefore, the end surfaces of the scanning room are separated by k -

anzuordnen, um die zur inkrementalen Meßwertgewinnung erforderlich 90°-Phasenlage zu erzeugen. Die Endflächen des Abtastetalons sind diejenigen Flächen, die mit den teilweise transparenten und fotoelektrisch aktiven Schichten versehen sind. Im folgenden wird der Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons auch als Etalonabstand bezeichnet.in order to generate the 90 ° phase position required for incremental data acquisition. The end surfaces of the scanning tray are those surfaces provided with the partially transparent and photoelectrically active layers. In the following, the distance between the end surfaces of the Abtastetalons is also referred to as Etalonabstand.

Ändert sich der Etalonabstand aus irgendwelchen Gründen, zieht das die Änderung der 90°-Phasenlage nach sich, was zu Störungen def inkrementalen Meßwertgewinnung führen kann. Wird aber der Etalonabstand durch ein Material eingestellt, dessen Abmessung in Richtung dieses Abstandes beeinflußbar und veränderlich ist, kann bei irgendwelchen Änderungen dieses Abstandes durch Regelung der ursprüngliche Abstand jederzeit widerhergestellt werden. Materialien, deren geometrische Abmessungen beeinflußbar sind, sind z. B. piezoelektrische Materialien. Legt man an ein solches piezoelektrisches Material eine elektrische Gleichspannung an und verändert deren Wert, dann ändert sich gleichzeitig eine der Abmessungen des Körpers um einen der elektrischen Spannung proportionalen Wert. Ordnet man ein solches piezoelektrisches Material zwischen den Endflächen des Abtastetalons an, dann kann durch Änderung der am Material anliegenden Gleichspannung der Etalonabstand verändert und auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden. Im vorliegenden Falle wird dieser AbstandIf the etalon distance changes for any reason, this will cause the change in the 90 ° phase position, which may lead to disturbances in the incremental acquisition of the measured value. However, if the etalon distance is set by a material whose dimension is controllable and variable in the direction of that distance, any change in that distance may be remedied at any time by regulation of the original distance. Materials whose geometric dimensions can be influenced are, for. B. piezoelectric materials. If a direct electrical voltage is applied to such a piezoelectric material and its value changed, then one of the dimensions of the body changes simultaneously by a value proportional to the electrical voltage. If one arranges such a piezoelectric material between the end surfaces of the Abtastetalons, then the etalon distance can be changed and adjusted to any value by changing the voltage applied to the material DC voltage. In the present case, this distance

vorzugsweise einer der diskreten Werte k -^5- sein, der der Grundlänge des piezoelektrischen Materials, d.h. wenn diepreferably one of the discrete values k - ^ 5 - be that the basic length of the piezoelectric material, that is, when the

anliegende elektrische Gleichspannung Null ist, benachbart ist. Damit kann die Grundlänge des piezoelektrischen Materials völlig beliebig sein, und es entfällt die Notwendigkeit, die Abmessung des Distanzstückes zwischen den Endflächen des Abtastetalons auf einen der diskreten Werte k·-^- genau herstellen zu müssen.applied DC electrical voltage is zero, is adjacent. Thus, the basic length of the piezoelectric material can be completely arbitrary, and it eliminates the need for the dimension of the spacer between the end surfaces of the Abtastetalon to one of the discrete values k · - - have to produce exactly.

Weiterhin ist es zweckmäßig, der am Etalon anliegenden elektrischen Gleichspannung eine periodische elektrische Wechselspannung zu überlagern und damit den Etalonabstand periodisch zu modulieren. In diesem Falle entfernen und nähern sich die Endflächen des Etalons periodisch mit der Frequenz der am piezoelektrischen Material anliegenden elektrischen Wechselspannung, und es werden in beiden fotoelektrisch-aktiven Schichten des Abtastetalons durch Abtastung des Intensitätsprofils der stehenden Welle zwei phasenverschobene fotoelektrische Wechselspannungen erzeugt. Die Phasenverschiebung zwischen diesen zwei fotoelektrischen Wechselspannungen beträgt genau 90°, wenn der Etalonabstand imFurthermore, it is expedient to superimpose a periodic electrical alternating voltage on the electrical dc voltage applied to the etalon and thus to periodically modulate the etalon spacing. In this case, the end faces of the etalon periodically remove and approach the frequency of the AC electrical voltage applied to the piezoelectric material, and two phase shifted photoelectric AC voltages are generated in both photoelectrically active layers of the scanning room by scanning the intensity profile of the standing wave. The phase shift between these two photoelectric alternating voltages is exactly 90 °, with the etalon distance in the

Nulldurchgang der mechanischen Schwingung des piezoelektrischen Materials k —sr beträgt. Diese Bedingung kann aber mitZero crossing of the mechanical vibration of the piezoelectric material k -sr is. This condition can be but with

Hilfe der am piezoelektrischen Material anliegenden elektrischen Gleichspannung eingehalten werden. Im Falle der mit einer Wechselspannung modulierten Abtastetalons ergibt sich der Meßwert aus einer Mittelwertbildung.Help the voltage applied to the piezoelectric material electrical DC voltage can be maintained. In the case of the scanning station modulated with an alternating voltage, the measured value results from an averaging.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained with reference to two embodiments. In the accompanying drawings show:

Fig. 1: Abtastetalon als Luftplatte mit moduliertem Distanzstück aus einem optisch nicht transparenten piezoelektrischenFig. 1: Abtastetalon as air plate with modulated spacer of an optically transparent transparent piezoelectric

Material Fig. 2: Abtastetalon aus einem optisch transparenten piezoelektrischen MaterialMaterial Fig. 2: Abtastetalon of an optically transparent piezoelectric material

In Fig. 1 ist das Intensitätsprofil der am Spiegel 3 erzeugten stehenden Welle 1 dargestellt. In der stehenden WeIIeI befindet sich das Abtastetalon 2, das hier als Luftplatte ausgebildet ist und aus den Glasplatten 2.1 und 2.2 besteht, deren Flächen 4 und 5 mit den teilweise transparenten und fotoelektrisch-aktiven Schichten 6 und 7 belegt sind. Zwischen den Glasplatten 2.1 und 2.2 befindet sich das die Luftplatte bildende Distanzstück, das aus einem optisch nicht transparenten piezoelektrischen Material 2.3 besteht. Das piezoelektrische Material 2.3 hat die Elektroden 2.31 und 2.32, an denen die Gleichspannung U. anliegt. Im dargestellten statischen Fall ist die Gleichspannung U. so bemessen, daß der Abstand der Endflächen 4,5 des Abtastetalons 2, bezogen auf eine Periode des Intensitätsprofils, 90° beträgt. Wird an die Elektroden 2.31 und 2.32 zusätzlich eine sinusförmige periodische Wechselspannung angelegt, dilatiert und kontrahiert das rohrförmige piezoelektrische Material 2.3 im Takte der Wechselspannung und gleichzeitig ändert sich sinusförmig der Abstand der Endflächen 4, 5 des Abtastetalons. In diesem Falle werden von den teilweise transparenten und fotoelektrisch aktiven Schichten 6 und 7 ebenfalls sinusförmige elektrische Wechselsignale abgegeben, die bei Einhaltung der obengenannten Voraussetzung eine gegenseitige Phasenverschiebung von 90° haben.In Fig. 1, the intensity profile of the generated at the mirror 3 standing wave 1 is shown. In the standing WeIIeI is the Abtastetalon 2, which is designed here as an air plate and consists of the glass plates 2.1 and 2.2, the surfaces 4 and 5 are covered with the partially transparent and photoelectrically active layers 6 and 7. Between the glass plates 2.1 and 2.2 is the spacer forming the air plate, which consists of a non-transparent piezoelectric material 2.3. The piezoelectric material 2.3 has the electrodes 2.31 and 2.32, to which the DC voltage U. is applied. In the illustrated static case, the DC voltage U. is dimensioned so that the distance between the end surfaces 4, 5 of the scanning station 2, based on a period of the intensity profile, is 90 °. If a sinusoidal periodic alternating voltage is additionally applied to the electrodes 2.31 and 2.32, the tubular piezoelectric material 2.3 dilates and contracts at the rate of the alternating voltage and at the same time the distance between the end surfaces 4, 5 of the scanning unit changes sinusoidally. In this case, sinusoidal electrical alternating signals are also emitted from the partially transparent and photoelectrically active layers 6 and 7, which have a mutual phase shift of 90 ° in compliance with the above requirement.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform des Abtastetalons 2 gezeigt, bei der das den Abstand zwischen den Endflächen 4, 5 des Abtastetalons herstellende Material 2.3 sowohl optisch transparent als auch piezoelektrisch aktiv ist. Ein solches Material ist z. B. Quarz. In diesem Falle besteht das Abtastetalon 2 aus einem kompakten Quarzkörper, an den zwei ebene und parallele Flächen 4 und 5 angearbeitet sind, die mit den teilweise transparenten und fotoelektrisch aktiven Schichten 6,7 versehen sind. Zusätzlich befinden sich am Quarzkörper die Elektroden 2.31 und 2.32, an denen die elektrische Gleichspannung und die elektrische Wechselspannung anliegen.In Fig. 2, an embodiment of the Abtastetalons 2 is shown, in which the distance between the end surfaces 4, 5 of the Abtastetalons producing material 2.3 is both optically transparent and piezoelectric active. Such a material is z. As quartz. In this case, the scanning tray 2 consists of a compact quartz body, to which two flat and parallel surfaces 4 and 5 are provided, which are provided with the partially transparent and photoelectrically active layers 6,7. In addition, the electrodes 2.31 and 2.32 are located on the quartz body, where the electrical DC voltage and the electrical AC voltage are present.

Claims (3)

Erfindungsanspruch:Invention claim: 1. InkrementalerStehende-Wellen-Sensor, bestehend aus monochromatischer Laser-Strahlungsquelle, optisch doppelbrechenden und reflektierenden Bauelementen und einem Abtastetalon, dessen parallele Endflächen mitteilweise transparenten und fotoelektrisch aktiven Schichten versehen sind, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand zwischen den Endflächen (4, 5) des Abtastetalons (2) durch ein Material (2.3) eingestellt ist, dessen geometrische Länge in Richtung derAn incremental standing wave sensor, comprising a monochromatic laser radiation source, optically birefringent and reflective components and a scanning saloon, whose parallel end surfaces are provided with partially transparent and photoelectrically active layers, characterized in that the distance between the end faces (4, 5) the Abtastetalons (2) by a material (2.3) is set, the geometric length in the direction of stehenden WeIIe(I (durch eine elektrische Gleichspannung auf den Wert k · — eingestellt ist und daß an das Material (2.3)standing WeIIe (I (by a DC electrical voltage to the value k · - is set and that the material (2.3) zusätzlich eine elektrische Wechselspannung angeschlossen ist.In addition, an electrical AC voltage is connected. 2. InkrementalerStehende-Wellen-Sensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Abtastetalon (2) als Luftplatte ausgebildet ist und aus zwei optisch transparenten Planplatten (2.1,2.2) besteht und der Abstand zwischen den Endflächen (4,5) des Abtastetalons (2) aus einem optisch nicht transparenten piezoelektrischen Material (2.3) eingestellt ist.2. Incremental standing wave sensor according to item 1, characterized in that the Abtastetalon (2) is formed as an air plate and consists of two optically transparent flat plates (2.1,2.2) and the distance between the end surfaces (4,5) of the Abtastetalons ( 2) is set from a non-transparent piezoelectric material (2.3). 3. Inkremental Stehende-Wellen-Sensor nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß das Abtastetalon (2) aus einem optisch transparenten und piezoelektrischen Material (2.3) hergestellt ist.3. Incremental standing wave sensor according to point!, Characterized in that the Abtastetalon (2) is made of an optically transparent and piezoelectric material (2.3). Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo die zu messende technisch-physikalische Größe eine Änderung des optischen Weg es bewirkt. Das trifft in erster Hinsicht zu für al Ie diejenigen Meßaufgaben, die unmittelbar auf eine Wegmessung zurückgeführt werden, es bezieht sich aber auch auf solche Meßobjekte, bei denen die Änderung des optischen Weges durch eine Änderung der Brechzahl erzeugt wird.The invention can be applied wherever the technical-physical quantity to be measured causes a change in the optical path. This applies in the first instance to those measuring tasks which are directly attributed to a displacement measurement, but also relates to those measuring objects in which the change in the optical path is produced by a change in the refractive index. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Es wurde bereits ein Stehene-Wellen-Interferometer zur Messung von optischen Gangunterschieden vorgeschlagen, bei dem zwischen einer monochromatischen Lichtquelle und einem Reflektor eine stehende Welle erzeugt wird. In der stehenden Welle ist ein Abtastetalon angeordnet, das aus zwei ebenen und parallelen Flächen besteht, die senkrecht zur optischen Achse der stehenden Welle orientiert sind und mit teilweise transparenten und fotoelektrisch-aktiven Schichten versehen sind. Diese teilweise transparenten und fotoelektrisch aktiven Schichten auf den Endflächen des Abtastetalons wirken als fotoelektrische Empfänger und tasten das Intensitätsprofil der stehenden Welle inkremental ab. Der Abstand zwischen den Endflächen desA standing wave interferometer for measuring optical path differences has already been proposed in which a standing wave is generated between a monochromatic light source and a reflector. Disposed in the standing wave is a scanning tray consisting of two plane and parallel surfaces oriented perpendicular to the optical axis of the standing wave and provided with partially transparent and photoelectrically active layers. These partially transparent and photoelectrically active layers on the end surfaces of the scanning tray act as photoelectric receivers and scan the intensity profile of the standing wave incrementally. The distance between the end faces of the Etalons muß konstant sein und hat einen der diskreten Werte k — ι wobei k eine beliebige ungerade Zahl und λ dieEtalons must be constant and has one of the discrete values k - ι where k is an arbitrary odd number and λ is the Wellenlänge der die stehende Welle erzeugenden Strahlung ist. In einem Ausführungsbeispiel der obengenannten Erfindung ist das Abtastetalon als Glasplatte ausgebildet und in einem anderen Ausführungsbeispiel ist es als Luftplatte ausgeführt, wobei derWavelength of the standing wave generating radiation. In one embodiment of the above-mentioned invention, the Abtastetalon is formed as a glass plate and in another embodiment, it is designed as an air plate, wherein the Abstand k — zwischen den Endflächen der Luftplatte mit einem Distanzstück aus einem Material mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Invar, eingestellt ist, um Änderungen dieses Abstandes durch Störgrößen, wie z. B. Temperatureinfluß, weitgehend auszuschalten.Distance k - between the end faces of the air plate with a spacer made of a material with a low expansion coefficient, z. B. Invar, is set to change this distance by disturbances such. B. influence of temperature, largely off. Nachteilig ist bei beiden Ausführungsformen des Stehende-Wellen-Interferometers, daß einer der diskreten Werte k · —A disadvantage of both embodiments of the standing-wave interferometer that one of the discrete values k · technologisch genau hergestellt werden muß. Zweitens kann nie ausgeschlossen werden, daß sich während des Betriebes des Interferometers der Etalonabstand sowohl bei der Ausführung des Abtastetalons als Glasplatte oder als Luftplatte ändert und damit die inkrementale Meßwertgewinnung in Frage gestellt ist.technologically accurate must be made. Secondly, it can never be ruled out that during the operation of the interferometer, the etalon distance changes both in the design of the scanning station as a glass plate or as an air plate and thus the incremental acquisition of the measured value is called into question. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist es, die Forderungen bei der Herstellung des Abstandes zwischen den Endflächen des Abtastetalons für ein Stehende-Wellen-Interferometer zu senken und gleichzeitig eine höhere Sicherheit bei der inkrementalen Meßwertgewinnung zu schaffen. Darüber hinaus zeichnet sich die vorliegende Erfindung gegenüber anderen Interferometem durch ihre kleine, einfache und kompakte Bauweise aus. Dadurch werden der Interferometrie solche Anwendungen zugänglich gemacht, die ihr bisher aufgrund des komplizierten Aufbaus der bekannten Interferometer nicht zugänglich waren. Die fotoelektrische Abtastung der Interferenzstruktur besteht nicht mehr als getrennte Baugruppe neben dem Interferometer, sondern sie ist funktionell und technologisch in das Interferometer integriert.The aim of the invention is to reduce the demands in the manufacture of the distance between the end surfaces of the Abtastetalons for a standing-wave interferometer and at the same time to provide a higher level of security in the incremental data acquisition. In addition, the present invention over other interferometers is characterized by its small, simple and compact design. As a result, the interferometry such applications are made available, which were previously not accessible due to the complicated structure of the known interferometer. The photoelectric scanning of the interference structure is no longer a separate assembly next to the interferometer, but it is functionally and technologically integrated into the interferometer. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Inkrementalen Stehende-Wellen-Sensor zu schaffen, bei dem die NotwendigkeitThe invention has for its object to provide an incremental standing wave sensor, in which the need entfällt, daß der Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons technologisch genau in einem der Bedingung k · — eliminated that the distance between the end faces of the Abtastetalons technologically exactly in one of the condition of k · - genügenden Maß hergestellt sein muß, indem dieser Abstand veränderlich und beeinflußbar ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons durch ein Material eingestellt ist, dessen geometrische Länge in Richtung der stehenden Welle durch eine elektrische Gleichspannung aufsufficient dimension must be made by this distance is variable and can be influenced. According to the invention the object is achieved in that the distance between the end surfaces of the Abtastetalon is set by a material whose geometric length in the direction of the standing wave by a DC electrical voltage den Wert k — eingestellt ist. Dieser Gleichspannung ist zusätzlich eine elektrische Wechselspannung überlagert, die den Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons zur Kontrolle der inkrementalen 90°-Phasenverschiebung periodischthe value k - is set. This DC voltage is additionally superimposed with an alternating electrical voltage which periodically intersects the distance between the end faces of the scanning station to control the incremental 90 ° phase shift
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