DE2058597A1

DE2058597A1 - Optisches Praezisionsmessgeraet

Info

Publication number: DE2058597A1
Application number: DE19702058597
Authority: DE
Inventors: Francois Gires
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-12-02
Filing date: 1970-11-28
Publication date: 1971-06-09
Also published as: NL7017209A; BE758087A; FR2073246A1; LU62116A1; DE2058597B2; GB1308669A

Description

Optisches Präzisionsmeßgerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Gerät zum Messen des Abstandes zwischen einer Bezugsebene und einer reflektierenden Oberfläche, insbesondere einer Oberfläche mit diffuser Reflexion, mit sehr großer Genauigkeit, wobei keine körperliche Berührung zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem Gerät besteht.

Bei bekannten Geräten, deren Meßfühler in Berührung mit der Oberfläche steht, deren Lage festgestellt werden soll, ergeben sich Meßfehler aus der Verformung der unter dem

Druck

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Bu/th

Druck des Meßfühlers stehenden Oberfläche, wobei diese Fehler besonders groß sind, wenn man eine Genauigkeit von einigen zehn Mikron wünscht.

Es wurden daher optische Meßgeräte entwickelt, In welchen die Lage der Oberfläche bezüglich eines Brennpunkts bestimmt wird, in welchem ein oder mehrere Lichtbündel zusammenlaufen, wobei das von dieser Oberfläche reflektierte Licht verwendet wird.

Bei einem bekannten Gerät werden zwei in einem Brennpunkt zusammenlaufende Lichtbündel mit modulierter Intensität verwendet. Die von der streuenden Oberfläche reflektierten Lichtbündel werden auf Meßfühler geleitet, deren Ausgangssignale zusammengefaßt werden und für die ein Phasenvergleich mit einem Bezugssignal durchgeführt wird. Diese Phase und die Amplitude der den reflektierten Lichtbündeln entsprechenden Signale ergeben ein Maß für den Abstand zwischen dem Brennpunkt und der reflektierenden Oberfläche.

Dieses Gerät ist notwendigerweise kompliziert, enthält eine große Anzahl von Teilen und 1st daher kostspielig.

Durch die vorliegende Erfindung werden diese Nachtelle vermieden. Die Erfindung schafft ein optisches Präzisionsmeßgerät zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Maß für den Abstand zwischen einer gegebenen Oberfläche und einem Bezugspunkt längs einer durch diesen Punkt verlaufenden, gegebenen Achse, mit ersten optischen Einrichtungen, deren optische !Austrittsachse die genannte Achse 1st und welche ein von einer Lichtquelle ausgehendes Bündel liefern, das an einem auf dieser Achse gelegenen Brennpunkt gesammelt wird,und mit zweiten optischen Einrichtungen, welche das von der genannten Oberfläche reflektierte Lichtbündel auf eine Detektoranordnung leiten, dadurch

109824/1214 _{gekennMlohnet}

gekennzeichnet, daß die ersten Einrichtungen aus einem optischen System mit veränderlicher Konvergenz bestehen, welches von einem Generator von ModulationsSignalen gesteurt wird, derart, daß der Brennpunkt im Rhythmus der Modulationssignale auf beide Selten des Bezugspunktes verschoben wird, und daß ein Synchrondetektor mit zwei Eingängen, welche mit der Detektoranordnung bzw. dem Generator von Modulationssignalen gekoppelt sind, und einem das Meßsignal abgebenden Ausgang vorgesehen 1st.

An Hand der Figuren wird die ERflndung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer einfachen optischen Vorrichtung zur Bestimmung der Lage einer reflektierenden Oberfläche,

Fig. 2 ein Veränderungsdiagramm des von der in Fig.l gezeigten Vorrichtung abgegebenen Signals,

Flg. 3 ein Prinzipschema des erfindungsgemäßen Meßgeräts,

Fig. iJ ein Veränderungsdiagramm des vom erfindungsgemäßen Qerät abgegebenen Signals,

Fig. 5 eine Ausführungsform eines Teils des erflndungsgemäßen Geräts, und

Flg. 6 schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts.

In Flg.l ist ein einfaches optisches Gerät dargestellt, welches das Anordnen einer streuenden oder diffundierenden Oberfläche 5 annähernd in der Umgebung eines Punktes F

seiner ■ 10.9 8 24/12H

seiner optischen Ausgangsachse X gestattet. Zu diesem Zweck werfen eine Lichtquelle 1 und ein Kollimat*or-Objektiv 2 ein Bündel von parallelen Lichtstrahlen auf ein Objektiv mit dem Brennpunkt F. Das Lichtbündel wird daher im Punkt F gesammelt. Dieses Lichtbündel erfährt eine Reflexion an der streuenden Oberfläche 5, die im Abstand χ vom Punkt F auf der Achse X angeordnet ist.

Das reflektierte Bündel wird durch das Objektiv 4 auf ein sammelndes Objektiv 6 mit dem Brennpunkt φ über einen unter 45° angeordneten halbdurchlässigen Spiegel 3 übertragen. Im Punkt φ wird die abgeblendete Eintrittsöffnung 7 eines Photodetektors 8 angeordnet. Dieser liefert ein elektrisches Signal I.

Die Arbeitsweise ist die folgende, wobei auch auf die in Fig.2 gezeigte Kurve Bezug genommen wird:

Wenn die Oberfläche 5 durch den Punkt F (x=O) geht, wird nur der Punkt F dieser Oberfläche belichtet. Da die reflektierten Strahlen alle vom Brennpunkt F des Objektivs 4 kommen, wandelt dieses das reflektierte Bündel wieder in ein Parallelbündel um, welches nach Reflexion am Spiegel 3 im Punkt ψ durch das Objektiv 6 gesammelt wird. Das gesamte reflektierte Licht, welches vom Objektiv 4 aufgenommen wird, wird daher im Punkt ψ vom Photodetektor 8 aufgenommen. Wenn die Oberfläche 5 sich in einem Abstand χ vom Punkt F befindet, wird ein ganzer Bereich dieser Oberfläche belichtet und nimmt an der Reflexion teil. Das reflektierte Lichtbündel ergibt daher einen Lichtfleck auf der Eintrittsblende des Photodetektors 8. Die über den Spalt 7 vom Photodetektor 8 empfangene Lichtintensität ist daher um so geringer, je größer der Abstand χ ist. Die Amplitude des Signals I

ändert

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ändert sich in Abhängigkeit von X₁ wie in Fig.2 dargestellt.

Venn der Abstand χ gleich Null ist, ist die Amplitude des Signals I maximal. Man kann daher infolge des Signals 1 die Oberfläche 5 nahe dem Punkt P. anordnen. Aber diese Anordnung ist nicht genau, da man das Maximum des Signals nicht genau feststellen kann. In der gleichen Weise ist die Messung des Abstandes ungenau.

In Fig.3 ist das Prinzipschema des erfindungsgemäßen Meßgeräts dargestellt, welches diese üngenauigkeit beseitigt.

In allen Figuren sind für gleiche Teile gleiche Bezugs- i zeichen verwendet.

Zwischen den Objektiven 2 und k ist ein optisches System 9 mit veränderlicher Konvergenz angeordnet. Die Konvergenzänderungen dieses Systems werden durch Modulationssignale gesteuert, welche von einem Generator 11 geliefert werden, wobei diese Signale beispielsweise sinusförmige Signale oder Rechtecksignale sind. Andererseits wird das vom Photodetektor 8 abgegebene Signal auf einen Eingang eines Synchrondetektors 10 gegeben, dessen anderer Eingang die Modulationssignale des Generators 11 empfängt. Der Ausgang des Synchrondetektors 10 gibt ein Meßsignal S ab.

Die Arbeitsweise ist die folgende:

Das optische System 9 und das Objektiv 4 bilden eine optische Anordnung mit veränderlicher Brennweite, welche vom Objektiv 2 ein Bündel von parallelen Lichtstrahlen empfängt. Der Brennpunkt dieser Anordnung, welcher bei Abwesenheit von Modulationssignalen bei F¹ liegt, verschiebt sich von F¹ auf der Achse X in beiden Richtungen zwischen den Endlagen 109824/12U

lagen P₁ und P₂, wenn Modulationssignale angewendet werden. Dadurch wird wiederum der Abstand zwischen dem Brennpunkt und der Oberfläche 5 im Rhythmus der Modulationssignale verändert, das heißt die Amplitude der vom Photodetektor empfangenen Lichtintensität moduliert. Das Ausgangssignal des Photodetektors 8 ist daher ein periodisches Signal, welches eine Komponente mit der Frequenz der Modulationssignale enthält, deren Amplitude und Phase sich in Abhängigkeit von x, dem Abstand zwischen P' und der Oberfläche 5, ändern. In Fig.4 sind die Änderungen des Ausgangssignals S des Synchrondetektors 10 in Abhängigkeit von dem Wert χ dargestellt.

Wie man im übrigen feststellen kann, stellt das Signal S die Ableitung des in Fig.2 gezeigten Signals I nach χ dar. Das Signal S giht bei einem Abstand χ gleich Null durch den Nullpunkt und dieser Durchgang kann mit Genauigkeit festgestellt werden. Andererseits sind die Änderungen von S sehr genau proportional zu den Änderungen von χ um den Wert Null, wodurch eine sehr genaue Bestimmung des Abstands χ möglich 1st. Das Signal S kann entweder als Meßsignal oder als Fehlersignal für eine Regelung verwendet werden, welche P' mit der Oberfläche 5,zur Koinzidenz führt.

Fig.5 zeigt eine erste Ausführungsform des optischen Systems 9 mit veränderlicher Konvergenz. Das Prinzip dieser Ausführungsform besteht darin, -daß eine stehende akustische Welle in einem durchsichtigen Material aufrecht erhalten wird, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit von den ausgeübten mechanischen Belastungen ändert, und in*.dem ein Lichtbündel verwendet wird, dessen Durchmesser bezüglich der verwendeten akustischen Wellenlänge gering ist und welches auf einen Schwingungsbauch der akustischen Welle im

Inneren 109824/12U

Inneren des elasto-optischen Materials zentriert ist.

In Fig.5 ist ein piezo-elektrischer Quarzkristall 90 dargestellt, auf welchen die erforderlichen mechanischen Belastungen mit Hilfe eines zwischen zwei Elektroden 91 angelegten elektrischen Feldes ausgeübt werden, wobei die Elektroden mit dem Generator der Modulationssignale verbunden sind.

Durch eine Blende 92 mit einer Öffnung 93 kann in dem vom Kollimator-Objektiv 2 gelieferten Lichtbündel ein Liehtbündel mit zweckmäßigen Abmessungen ausgewählt werden. Eine scheraatisch dargestellte Regeleinrichtung Sk ermöglicht die Regelung der Lage der Blende zur Erzielung der gewünschten Zentrierung des Bündels auf einen Schwingungsbauch der stehenden Welle.

Die Eigenschaften der Ablenkung der Lichtstrahlen zu den Bereichen mit höherem Druck und infolgedessen höherem Brechungsindex in einem solchen elasto-optischen Material sind bekannt.

Der von dem Lichtbündel mit geringem Durchmesser bezüglich der akustischen Wellenlänge begrenzte Teil des Materials verhält sich in ersterNäher-ung wie eine bald sammelnde, bald zerstreuende Linse Je nach Richtung und Amplitude der den Änderungen der ausgeübten Belastung entsprechenden Indexänderung Δη.

Wie in Fig.5 dargestellt, ist im Zeitpunkt t^ die Indexänderung im ganzen Material Null. Das durchgelassene Bündel bleibt ein Bündel miyparallelen Strahlen und der Brennpunkt der optischen Anordnung 9 - 4 ist F¹. Im Zeitpunkt ^2» welcher von tj durch eine Viertelperiode der akustischen

Welle

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Welle getrennt ist, hat man eine maximale Vergrößerung A η im betrachteten Wellenbauch, das System besitzt maximale Konvergenz (Lichtstrahlen in ausgezogenen Linien) und die Anordnung 9-4 hat den Brennpunkt F₁ (Fig.3). Im Zeitpunkt t, schließlich, welcher von t₂ um eine Halbperiode der akustischen Welle getrennt ist, hat man eine maximale Verringerung A η im betrachteten Wellenbauch, das System 9 weist eine maximale Divergenz auf (gestrichelte LichtBtrahlen) und die Anordnung 9-4 hat den Brennpunkt Fp.

Man kann natürlich als System 9 andere Arten von Zellen verwenden, beispielsweise eine Zelle, welche eine Flüssigkeit, wie Tetrachloräthylen, enthält und in welcher man eine Ultraschallwelle mit Hilfe eines Wandlers erzeugt, wobei die Abmessungen der Zelle in Abhängigkeit von der Frequenz der zu erregenden Welle derart gewählt wurden, daß man stehende Wellen erhält.

In Fig.6 ist eine weitere Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Geräts dargestellt.

Das optische System 9 besteht aus einem sammelnden Objektiv 97, welches das vom Objektiv 2 über einen unter 45° angeordneten halbdurchlässigen Spiegel 98 gelieferte Bündel von parallelen Lichtstrahlen empfängt, sowie aus einem ebenen Spiegel 95, welcher im Brennpunkt des Objektivs 97 angeordnet ist. Dieser Spiegel 95 ist auf einer Längsschwingungen (das heißt längs der Achse X) ausführenden Einrichtung 96 angebracht. Diese Einrichtung kann beispielsweise ein zu flicken-Schwingungen angeregter Quarzkristall (wie in Fig.6 gezeigt) oder eine schwingende

Membran

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Membran oder eine eingespannte schwingende Blattfeder sein. Die Erregung dieser schwingenden Einrichtung 96 wird durch die Modulationssignale des Generators 11 gewährleistet.

Die übrigen Teile des Geräts sind ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform. Die Arbeitsweise des Systems 9 ist die folgende:

Wenn die Einrichtung 96 nicht erregt wird, befindet sich der Spiegel 95 im Brennpunkt des Objektivs 97 und das System 9 überträgt ein Bündel von parallelen Strahlen auf das Objektiv 4, wobei die Anordnung 9-4 den Brennpunkt P hat. Wenn die Einrichtung 96 erregt wird, gibt der Spiegel 95 auf das Objektiv 97 ein Bild der Lichtquelle, dessen Lage sich von dem Brennpunkt dieses Objektivs nach beiden Richtungen verschiebt,und das optische System 9 ist abwechselnd konvergent oder divergent. Es sind die beiden Endlagen des Spiegels 95 und der entsprechenden Strahlenbündel am Ausgang des Objektivs 4 jeweils in ausgezogenen Linien bzw. gestrichelten Linien dargestellt.

Es ist ersichtlich, daß bei anderen Ausführungsformen des in Fig.6 gezeigten Geräts der Spiegel 95 nicht eben sein muß.

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Claims

Patentansprüche

./Optisches Präzisionsmeßgerät zur Erzeugung eines elektrisehen Signals als Maß für den Abstand zwischen einer gegebenen Oberfläche und einem Bezugspunkt längs einer durch diesen Punkt verlaufenden, gegebenen Achse, mit ersten optischen Einrichtungen, deren optische Austrittsachse die genannte Achse ist und welche ein von einer Lichtquelle ausgehendes Bündel liefern, das an einem auf dieser Achse gelegenen Brennpunkt gesammelt wird, und mit zweiten optischen Einrichtungen, welche das von der genannten Oberfläche reflektierte Lichtbündel auf eine Detektoranordnung leiten, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Einrichtungen aus einem optischen System mit veränderlicher Konvergenz bestehen, welches von einem Generator von Modulationssignalen gesteuert wird, und daß ein Synchrondetektor mit zwei Eingängen, welche mit der Detektoranordnung bzw. dem Generator von Modulationssignalen gekoppelt sind, und eine«-- das Meßsignal abgebenden Ausgang vorgesehen 1st.
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System mit veränderlicher Konvergenz einen Teil aus einem Material, dessen Brechungsindex mit den auf denselben ausgeübten mechanischen Belastungen veränderlich ist, von den Modulationssignalen gesteuerte Erregereinrichtungen zum Erregen von stehenden akustischen Wellen senkrecht zur optischen Achse des Systems sowie Bündel· Begrenzungs- und Anordnungs-Einrichtungen zur Bestimmung des Durchtritts eines auf einen Schwingungsbauch der stehenden Wellen zentrierten und geringe Querabmessungen be-

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züglich der Wellenlänge der stehenden Wellen aufweisenden Lichtbündels durch den genannten Teil aufweist.
3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die ersten optischen Einrichtungen ein Kollimator-Objektiv zum Leiten eines Bündels von parallelen Lichtstrahlen zum optischen System mit veränderlicher Konvergenz aufweissen und daß die Bündel-Begrenzungs- und Anordnungs-Einrichtungen eine Blende und eine Regeleinrichtung zur Anordnung der Blende parallel zu dem genannten Teil aufweisen,
4. Meßgerät nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil ein Quarz-Kristall ist und daß die Erreger-Einrichtungen Elektroden aufweisen, welche die Modulationssignale empfangen und so angeordnet sind, daß sie an den Quarz-Kristall ein entsprechendes elektrisches Feld anlegen.
5. Meßgerät nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Material eine Flüssigkeit ist und der genannte Teil eine Zelle ist, welche einen elektroakustischen Wandler enthält, der die Modulationssignale empfängt und in der Zelle angeordnet ist.
6. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System mit veränderlicher Konvergenz einen Spiegel und eine Halteeinrichtung aufweist, welche durch die Modulationssignale gesteuert wird, so daß der Spiegel in Schwingungen versetzt wird.
7. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten optischen Einrichtungen ein Kollimator-Objektiv zum Leiten eines Bündels von parallelen Lichtstrahlen

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zum optischen System mit veränderlicher Konvergenz aufweisen, daß der Spiegel eben ist und daß das optische System einen bezüglich des Bündels von parallelen Strahlen geneigten, teildurchlässigen Spiegel und ein Objektiv aufweist, welches das Lichtbündel am Spiegel sammelt.
8. Meßgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung aus einem piezoelektrischen Kristall besteht.
9. Meßgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung aus einer schwingenden Membran besteht.

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