DE9018079U1

DE9018079U1 - Polarisationsoptische Anordnung

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Publication number: DE9018079U1
Application number: DE9018079U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2000-10-19

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

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-

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

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 4. Oktober 1990 Ansprüche

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.

2Q dadurch gekennzeichnet, daß als Aufspaltgitter

7. Polarisationsoptische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Transmissionsgitter ein Phasengitter vorgesehen ist.