DE9018079U1 - Polarisationsoptische Anordnung - Google Patents
Polarisationsoptische AnordnungInfo
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Description
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 4. Oktober 1990
Polarisationsoptische Anordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine polarisationsoptische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches
1.
Polarisationsoptische Anordnungen sind bei Längenoder Winkelmeßeinrichtungen bekannt. In der DE 39
42 385 Al ist zum Stand der Technik eine Längenmeßeinrichtung beschrieben, bei der mittels Beugungsgitter,
Polarisatoren, Strahlteiler, Viertelwellenlängenplatte, Analysatoren und optischen Betektoren
Meßsignale erzeugt werden, die zu einem Referenzsignal, welches keine Interferenzstreifen
aufweist, eine Phasenverschiebung von 45° und untereinander eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine polarisationsoptische
Anordnung in einer interferometrischen Meßeinrichtung zu schaffen, mit der
durch Aufspaltung an einem Gitter interferierende Teilstrahlenbündel möglichst gleicher Modulation
und Intensität zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung liegen in der einfachen Auswertung der gleichartigen Si-
»Q gnale und darin, daß bei der Erzeugung von beispielsweise
drei um 120° zueinander phasenverschobenen Signalen ein sogenanntes Drehfeld entsteht.
Ein derartiges Drehfeld kann durch vektorielle Addition und Subtraktion so ausgewertet werden, daß
-c symmetrische Signale ohne Gleichstromanteil er^ieugt
werden. Mit Hilfe von Prinzipdarstellungen und Ausführungsbeispielen soll die Erfindung nachstehend
noch näher erläutert werden.
2Q Es zeigt:
Figur 1 ein Prinzipschaubild einer Strahlenbündelaufspaltung mittels
Gitter;
Figur 2 eine Variante mit Gitterkaskade :
Figur 3 eine Gittervariante;
Figur 4 eine interferometrische Meßeinrichtung;
Figur 5 eine Variante einer interferone
metrischen Meßeinri'&Lgr;&idiagr; >>ng;
Figur 6 eine weitere Variante einer interferometrischen Meßeinrichtung;
Figur 7 eine Längenmeßeinrichtung mit einer polarisationsoptischen
Anordnung und
Figur 8 einen Abstandssensor mit einer
<. polarisationsoptischen Anord
nung.
Das in Figur 1 dargestellte Prinzipschaubild zeigt ein Signalstrahlenbündel 1, welches von einer
, r später noch beschriebenen interferometrischen Meßeinrichtung
geliefert wird, Dieses Signalstrahlenbündel 1 ist linear polarisiert, was durch interferierende
Teilstrahlenbündel in der interferometrischen Meßeinrichtung bedingt ist.
Eine Besonderheit dieses linear polarisierten Signalstrahlenbündels
1 ist die Rotation seiner Schwingungsebene. Das heißt, daß das Signalstrahlenbündel
1 eine linear polarisierte Welle dar-
2c stellt, deren Schwingungsazimut von der gegenseitigen
Phasenlage der zuvor interferierenden Teilstrahlenbündel
abhängt. Dieser Sachverhalt ist durch einen Pfeil 2 verdeutlicht, der in einem perspektivisch symbolisierten Kreis 3 dargestellt
2Q ist. An einem Aufspaltgitter 5, entstehen drei
Strahlenbündel 6, 7, 8 gleicher Intensität.
In den Strahlengängen der jeweiligen Strahlenbündel 6,1, 8 sind Analysatoren 9, 10, 11 angeordnet. Die
Analysatoren 9, 10, 11 sind zueinander um 60° verdreht angeordnet. Bei einer Rotation der
Schwingungsebene 2 um 360° ergeben sich im elektrischen
Signal zwei Schwingungsperioden, so daß bei drei zueinander geometrisch um 60° orientierten
Analysatoren 9, 10, 11 drei elektrisch um 120° zueinander versetzte Signale von den photoelektrischen
Wandlern 12, 13, 14 detektiert werden können.
In Figur 2 ist schematisch dargestellt, daß das Aufspaltgitter auch durch eine Gitterkaskade 15,
das heißt, durch hintereinandergeschaltete Gitter 15a, 15b, 15c gebildet sein kann, wobei das Gitter
15a als Laminargitter ausgebildet ist.
Das Aufspaltgitter kann auch als sogenanntes -c "Dammann"-Gitter 16 ausgebildet sein, wie in Figur
3 dargestellt ist. Derartige Gitter sind besonders geeignet, die Intensität der Teilstrahlenbündel gezielt
zu beeinflussen.
2Q Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen Anordnungen, mit denen
durch interferometrische Meßeinrichtungen rotierende Signalstrahlenbündel erzeugt werden.
Bei dem Beispiel aus Figur 4 durchläuft ein linearpolarisiertes Strahlenbündel 40 eine Viertelwellenlängenplatte
44 - auch ä-Plättchen genannt, welches um 45° zu dem linear polarisierten Strahlenbündel
40 orientiert ist. Das anschließend zirkulär polarisierte Strahlenbündel 40' durchtritt
2Q einen Strahlteiler 45 mit dem zwei Teilstrahlenbündel
40a und 40b erzeugt werden. Durch eine Halbwellenlängenplatte 46 - auch d-Plättchen genannt
wird das zirkulär polarisierte Teilstrahlenbündel 40a gegenüber dem ebenfalls zirkularpolarisierten Teilstrahlenbündel 40b gegenläufig zirkularpolarisiert und mit diesem an einem Strahlvereiniger 47
wird das zirkulär polarisierte Teilstrahlenbündel 40a gegenüber dem ebenfalls zirkularpolarisierten Teilstrahlenbündel 40b gegenläufig zirkularpolarisiert und mit diesem an einem Strahlvereiniger 47
zur Interferenz gebracht. Eine relative Phasenänderung der Teilstrahlen entsteht z.B. durch eine unterschiedliche
Beeinflussung der optischen Weglängen, oder durch Verschiebung von Phasengittern als
Strahlteiler 45 oder Strahlvereiniger 47. Die Baugruppe aus Strahlteiler 45, A -Plättchen 45 und
Strahlvereiniger 47 stellt ein herkömmliches Interferometer 14 dar, welches auch als an sich bekanntes
Element den Figuren 5 und 6 zugrunde liegt. Da diese interferometrisch arbeitenden Baugruppen 14
bzw. 15 und 16 nur zur Erzeugung des resultierenden
Strahlenbündels 41 bzw. 51 und 61 dienen, werden sie auch nur prinzipiell beschrieben.
- £. Im Beispiel von Figur 5 ist ebenfalls ein Interferometer
15 dargestellt. Die Strahlenteilung erfolgt bei diesem Interferometer 15 in einem Strahlteiler
55, die Interferenz in einem Strahlvereiniger 57. Eine Halbwellenlängenplatte - §-Plättchen 56 ist im
Strahlengang 50a des Interferometers 15 eingefügt. Die durch das A/2-Plättchen 56 senkrecht zueinander
polarisierten Teilstrahlenbündel 50a und 50b durchlaufen nach ihrer Interferenz ein
/4-Plättchen 58. Daraus resultiert ein linear po-
/4-Plättchen 58. Daraus resultiert ein linear po-
jr larisiertes Signalstrahlenbündel 51, dessen
Schwingungsazimut {Pfeil 52) von der gegenseitigen Phasenlage der Teilstrahlenbündel 50a und 50b abhängt.
Ein weiteres Beispiel ist in Figur 6 symbolisch dargestellt. Im wesentlichen entsprechen die Vorraussetzungen
denen in Figur 4 und 5 - gleichen Merkmalen sind gleiche Bezugsziffern zugeordnet,
denen jedoch die Figurenbezifferung als Index vorangestellt
ist.
• ·
Ein linear polarisiertes Strahlenbündel 60 wird in einem Strahlteiler 65 aufgeteilt. Beide Teilstrahlenbündel
60a und 60b durchlaufen &Lgr;/4-Plättchen 66 und 66', die unter +45° (66) und -45° (66') zur Polarisationsrichtung
der Teilstrahlenbündel 60a und 60b stehen. Die anschließend rechts- und links zirkulär
polarisierten Teilstrahlenbündel vereinigen sich im Strahlvereiniger 67 und bilden am Ausgang
ein linear polarisiertes Signalstrahlenbündel 61, dessen Schwingungsazimut (Pfeil 62) von der relativen
Phasenlage der beiden Teilstrahlenbündel 60a und 60b abhängig ist. Auch hier wird ein Interferometer
gebildet, das mit 16 bezeichnet ist.
- (. In den Figuren 7 und 8 sind Anwendungsbeispiele gezeigt,
bei denen die erfindungsgemäße polarisationsoptische Anordnung in besonders vorteilhafter
Weise eingesetzt werden kann.
2Q Figur 7 zeigt ein Wegmeßsystem, dessen Arbeitsweise
nachstehend kurz erläutert wird:
An einem nicht dargestellten, relativ zu einem anderen Objekt beweglichen Objekt ist ein Beugungs-
?r gitter in Form eines Phasengitters 72 befestigt.
Das Objekt bewegt sich mit dem Phasengitter 72 parallel zu einem ebenfalls nicht dargestellten
zweiten Objekt. An diesem zweiten Objekt ist ebenfalls ein Beugungsgitter 71 befestigt.
Von einer Beleuchtungseinrichtung - vorzugsweise einem Laser 73 - wird Licht ausgesendet und am
Phasengitter 71 gebeugt. Gebeugte Teilstrahlenbündel -&phgr; und +&phgr; treffen auf das zweite Beugungsgitter
72 und werden abermals gebeugt. Die 0. Beugungsordnung wird mittels einer Blende 74 ausge-
blendet, bevor dieses Teilstrahlenbündel auf das zweite Beugungsgitter 72 auftrifft.
Dem zweiten Beugungsgitter 72 ist ein sogenanntes retroreflektierendes Element nachgeordnet. Solche
Elemente sind an sich bekannt und für dieses Ausführungsbeispiel ist ein Tripelspiegel 75 gewählt
worden. Das Beugungsgitter 72 und der Tripelspiegel 75 sind so aufeinander abgestimmt, daß sich die
-Q Teilstrahlenbündel -&phgr; und +&phgr; in einem einzigen
Punkt schneiden. Nach dem Austritt aus dem Tripelspiegel 75 werden die Teilstrahlenbündel -&phgr; und +&phgr;
beim Durchtritt durch das Beugungsgitter 72 wieder gebeugt und treffen auf das Phasengitter 71, wo sie
c nochmals gebeugt werden. In den Strahlengängen befinden sich &lgr;/4-Plättchen 17 und 18, die um +45°
und -45° zur Schwingungsebene orientiert sind. Beim
Durchtreten dieser &lgr;/4-Plättchen werden die Teilstrahlenbündel
70a und 70b gegenläufig zirkulär po-
2Q larisiert und erzeugen bei ihrer Interferenz am
Gitter 71 ein schon beschriebenes Signalstrahlenbündel 701, dessen Schwingungsazimut von der relativen
Phasenlage der beiden Teilstrahlenbündel 70a und 70b abhängt.
Dieses Signalstrahlenbündel 701 wird am Aufspaltgitter 19 in drei Teilstrahlenbündel 76, 77, 78 aufgespalten,
durchlaufen je einen Analysator 79, 710, 711 die um 60° zueinander orientiert sind und werden
auf fotoelektrische Wandler 712, 713, 714 gelenkt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist bei einem Abstandssensor gemäß Figur 8 dargestellt. Im wesentliehen
sind die der Erfindung zuzuordnenden Bedingungen die gleichen, wie schon beschrieben, je-
doch soll der Anwendungsfall nochmals erläutert
werden.
Ein in der Figur 8 dargestellter Abstandssensor A weist als Beleuchtungseinrichtung einen Laser 83
auf, der einen linearpolarisierten Beleuchtungsstrahl 80 auf ein Beugungsgitter 81 wirft, das sich
in einer Ebene El befindet. Von dem Beugungsgitter
81 wird der Beleuchtungsstrahl 80 in zwei Teil-
.jQ strahlenbündel 80a und 80b aufgespalten, die in
unterschiedliche Richtungen laufen. Hier soll angemerkt werden, daß selbstverständlich auch andere
optische Elemente zur Aufspaltung des Beleuchtungsstrahles 80 verwendet werden können. Parallel zur
Ebene El des Aufspaltungsortes, in der sich das Beugungsgitter 81 befindet, liegt in einer Ebene E2
ein weiteres Beugungsgitter 82, an dem die Teilstrahlenbündel 80a und 80b nochmals gebeugt werden.
Nach der Umlenkung am Beugungsgitter 82 verlaufen
2Q die Teilstrahlenbündel 80a und 80b parallel zueinander,
treten in ein Tripelprisma 85 ein, durchlaufen es und treffen als immer noch parallele
Teilstrahlenbündel wieder auf das Beugungsgitter 82 in der Ebene E2. Hier werden sie derart gebeugt,
daß sie am Beugungsgitter 81 in der Ebene El zur Interferenz kommen. Die Teilstrahlenbündel 80a und
80b durchlaufen von der Aufspaltung bis zur Vereinigung unterschiedlich lange optische Wege. Dies
nennt man den Gangunterschied OPD, als Kürzel für
3Q den international gebräuchlichen Begriff "OPTICAL
PATH DIFFERENCE".
Wenn sich der Abstand der Beugungsgitter 81 und 82 in den Ebenen El und E2 ändert, ändert sich auch
der Gangunterschied OPD der Teilstrahlenbündel 80a
und 80b. Das heißt, wenn sich die Ebenen El und E2 einander nähern, wird der Gangunterschied OPD kleiner,
wenn sich der Ebenen-Abstand vergrößert, wird auch der Gangunterschied OPD größer.
Eine Relativbewegung in Normalenrichtung der beiden
Beugungsgitter 81 und 82 hat eine direkt zu deren Abstandsänderung As proportionale Gangunterschiedsdifferenz
AOPD der interferierenden Teilstrahlenbündel 80a und 80b zur Folge, was als Hell- Dunkelmodulation
von einer Detektoreinrichtung detektiert werden kann. Eine polarisationsoptische Anordnung
liegt räumlich hinter dem Laser 83 und wird nachstehend unter Bezug auf die vorangegangenen Figurerenbeschreibungen
nur noch kurz erläutert.
Aus den gegenläufig zirkulär polarisierten Teilstrahlenbündeln
80a und 80b wird nach der Vereinigung am Gitter 81 ein linear polarisiertes Si-
2Q gnalstrahlenbündel 801 erzeugt, welches wie vorbeschrieben
an einem Aufspaltgitter 20 gebeugt und Analysatoren 89, 810, 811 so wie nachgeordneten Detektoren
812, 813, 814 zugeführt wird. Die Voraussetzungen für diese Analyse ist im Prinzip zur
je Figur 1 beschrieben worden.
Die Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen begrenzen die Anwendung der erfindungsgemäßen polarisationsoptischen
Anordnungen keineswegs auf Län-2Q genmeßeinrichtungen, andere Anwendungen, vor allem
bei der Winkelmessung sind eingeschlossen.
Claims (7)
1. Polarisationsoptische Anordnung zur Erzeugung phasenverschobener Signale in interferometrischen
Meßeinrichtungen, vorzugsweise in Längenoder Winkelmeßeinrichtungen, bei der mehrere
interferierende Teilstrahlenbündel so polarisiert sind, daß ein analysierbares Signalstrahlenbündel
erzeugt wird, und daß wenigstens ein Gitter als Aufspaltgitter für das Signalstrahlenbündel
vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalstrahlenbündel (1, 41, 51,
61, 701, 801) linear polarisiert ist und dessen Schwingungsazimut von der gegenseitigen Phasenlage
der interferierenden Teilstrahlenbündel (40a, 40b; 50a, 50b; 60a, 60b; 70a, 70b; 80a,
80b) abhängt, daß ferner die am Aufspaltgitter (5, 19, 20) erzeugten i (i=2...n) Strahlenbündel
von i (i=2.,.n) photoelektrischen Wandlern (12, 13, 14; 712, 713, 714; 812, 813, 814) detektiert
werden, und daß die gegenseitige Phasenlage der so erzeugten Detektorsignale von der gegenseitigen
Orientierung von Analysatoren (9, 10, 11; 79, 710, 711; 89, 810, 811) in den jeweiligen
Strahlengängen {6, 7, 8; 76, 77, 78; 86, 87, 88) abhängig ist.
2. Polarisationsoptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoren (9,
10, 11; 79, 710, 711? 89, 810, 811) unter einem Winkel von l/i 180° (i=2...n) zueinander orientiert
sind.
3. Polarisationsoptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufspaltgitter
(5, 19, 20) als Transmissions- oder Reflexionsgitter ausgebildet ist.
in 4. Polarisationsoptische Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß als Aufspaltgitter eine Gitterkaskade (15) vorgesehen ist.
5. Polarisationsoptische Anordnung nach Anspruch 1, - _ dadurch gekennzeichnet, daß als Aufspaltgitter
ein sogenanntes Dammann-Gitter (16) vorgesehen ist.
6. Polarisationsoptische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufsp:
ein Laminar-Gitter (15a)vorgesehen ist.
ein Laminar-Gitter (15a)vorgesehen ist.
2Q dadurch gekennzeichnet, daß als Aufspaltgitter
7. Polarisationsoptische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als
Transmissionsgitter ein Phasengitter vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9018079U DE9018079U1 (de) | 1990-10-18 | 1990-10-18 | Polarisationsoptische Anordnung |
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DE9018079U DE9018079U1 (de) | 1990-10-18 | 1990-10-18 | Polarisationsoptische Anordnung |
DE4033013A DE4033013C2 (de) | 1990-10-18 | 1990-10-18 | Polarisationsoptische Anordnung |
Publications (1)
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---|---|
DE9018079U1 true DE9018079U1 (de) | 1994-10-06 |
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DE9018079U Expired - Lifetime DE9018079U1 (de) | 1990-10-18 | 1990-10-18 | Polarisationsoptische Anordnung |
Country Status (1)
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DE (1) | DE9018079U1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3220106A1 (de) * | 2016-03-16 | 2017-09-20 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Optischer abstandssensor und positionsmesseinrichtung mit einem derartigen abstandssensor |
-
1990
- 1990-10-18 DE DE9018079U patent/DE9018079U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3220106A1 (de) * | 2016-03-16 | 2017-09-20 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Optischer abstandssensor und positionsmesseinrichtung mit einem derartigen abstandssensor |
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