Vorrichtung zum Messen von Verschiebungen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Verschiebung eines Gegenstandes gegeniiber einem zweiten Gegenstand, bei der mit dem ersten Gegenstand ein Raster verbunden ist, dessen Linien nahezu senkrecht zur Verschiebungsrichtung stehen, und mit dem zweiten Gegenstand eine Lichtquelle, ein optisches System und ein oder mehrere photoelektrische Elemente verbunden sind, und wobei mit Hilfe der Lichtquelle und des optischen Systems eine Zone des Rasters auf einer zweiten Zone des Rasters abgebildet wird und diese Abbildung sich bei der Bewegung des Rasters gegensinnig zur zweiten Zone bewegt und das Licht, nachdem es abermals mit der zweiten Zone zusammengewirkt hat, schliesslich auf ein oder mehrere photoelektrische Elemente geworfen wird,
der Photostrom eine periodische Funktion der Verschiebung ist und Mittel vorgesehen sind, durch die der Periodizität dieses Stromes die Grösse und die Richtung oder nur die Grösse der Verschie- bung entnommen werden kann.
Eine solche Vorrichtung ist aus der britischen Patentschrift Nr. 782 831 bekannt. Sie kann Anwendung finden bei Geräten, bei denen geradlinige oder kreisförmige Bewegungen ausgeführt werden, z. B. bei Werkzeugmaschinen, wie Bohrmaschinen, Fräsmaschinen und dergleichen. Es kommt dabei vor, dass von Hand oder selbsttätig herbeigeführte Verschiebungen eines beweglichen Teiles gegenüber einem stillstehenden Teil, z. B. eines Schlittens gegenüber einem Gestell, mit grosser Genauigkeit selbsttätig gemessen werden müssen.
Bei dieser bekannten Vorrichtung wird Licht durch den Raster hindurch in ein optisches Abbildungssystem geworfen. Das Licht wird von letzterem wieder auf den Raster zurückgeworfen und erzeugt dort ein Bild in etwa natürlicher Grösse, das sich gegensinnig zum Raster selbst bewegt. Die Bewegung kann eine lineare Verschiebung oder eine Drehung sein. In dem aus dem Raster rückwärts heraustretenden Licht treten dann Schwankungen auf, die der doppelten Periodenzahl entsprechen, über die der Raster verschoben worden ist und die photoelektrisch gezählt werden.
In der französischen Patentschrift Nr. 1221019 ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein Bild des Rasters an sich mittels eines optischen Systems erzeugt wird, welches aus einem flachen oder sphäri- schen Spiegel, einem Dachspiegel oder einem Prisma und einem zwischen diesem Element und dem Raster angeordneten optischen System besteht, welches zweimal durchlaufen wird, nämlich in der Vorwärts-und der Rückwärtsrichtung. Auf diese Weise kann ein Bild einer bestimmten Zone des Rasters auf derselben Zone erzeugt werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, solche Vorrichtungen zur Verwendung mit einem Reflexions- raster statt mit einem Durchlassraster geeignet zu machen, derart, dass der Lichtverlust innerhalb zulässiger Grenzen gehalten wird. Der Reflexionsraster kann ein Phasenraster oder ein Absorptionsraster sein. Es ist dabei im allgemeinen nicht erwünscht, mehrere halbdurchlässige Spiegel zu verwenden, da diese einen grossen Lichtverlust herbeiführen.
Die Erfindung besteht darin, dass der Raster als Reflexionsraster ausgebildet ist und das Licht der Lichtquelle in den Strahlengang hinein an die Stelle einer Fläche im optischen System geleitet wird, welche von der ersten Zone des Rasters aus über den zwischen dieser Fläche und dem Raster liegenden Teil des optischen Systems im Unendlichen gesehen wird und wobei das Licht aus dem Strahlengang heraus an die Stelle einer Fläche geleitet wird, die von der zwei ten Zone aus über den zwischen der zweiten Zone und der zuletzt genannten Fläche liegenden Teil des optischen Systems im Unendlichen gesehen wird, worauf das Licht dem (den) photoelektrischen Element (en) zugeleitet wird.
Hierbei kann sich die Lichtquelle oder ein Bild derselben in der zuerst genannten Fläche in einer Lage befinden, die senkrecht zur Streurichtung verschoben ist gegenüber dem Deckpunkt der Abbildung der ersten Fläche durch den ersten Teil des optischen Systems und die erste Zone des Rasters, wobei gleichzeitig durch den zweiten Teil des optischen Systems in der zweiten Fläche ein zweites Bild entworfen wird, das senkrecht zur Streurichtung gegenüber dem in dieser Fläche liegenden entsprechenden Deckpunkt verschoben ist, wobei letzteres Bild unmittelbar und über weitere optische Mittel auf die photoelektrischen Elemente geworfen wird.
Die erwähnten Zonen des Rasters können dabei, ebenso wie die Teile des optischen Systems, räumlich getrennt sein oder zusammenfallen.
Die Erfindung wird an Hand einiger in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher er läutert.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem um eine Achse A drehbaren, radialen Reflexionsraster R, der als Absorptionsraster ausgebildet ist.
Das Licht der Lichtquelle B wird über eine Linse L4, einen Spiegel S3 und eine Linse Li dem Raster zugeleitet. Es trifft auf den Raster in der Zone Di, das zuruckgeworfene Licht tritt nochmals durch die Linse Li hindurch und wird dann über Spiegel S und Sz zur Linse LS und von dort zur zweiten Zone D2 des Rasters geleitet. Zwischen den Spiegeln S und 5'a befindet sich noch die Linse L2, welche als Feldlinse wirksam ist und die Brennflächen Fi und V2 der Linsen Li und L3 aufeinander abbildet.
Nachdem das Licht nochmals in der Zone D2 reflektiert worden ist, tritt es wieder durch die Linse L3 hindurch und wird über einen Spiegel S4 und eine Linse L auf das photoempfindliche Element F geworfen.
Die Linsen Li und L3 sind z. B. Mikroskopobjektive ; durch Ll ist die Zone Dl der Fläche der Linse L2, und ebenso ist durch L3 die Zone D2 der Fläche von L2 zugeordnet.
In Fig. la ist der Strahlengang schematisch dargestellt. Das Licht wird von einer Zone Gt aus, die in einer Fläche Fi im optischen System liegt, welche Fläche vom Raster aus im Unendlichen gesehen wird, dem Raster zugeleitet. Nach erfolgter Abbildung des Rasters an sich wird das Licht von der Zone G2 einer gleichartigen Fläche V2 aus, die mit der ersten zusammenfallen kann, aus dem Strahlengang heraus und zum photoelektrischen Element geleitet. Dpi und Dpo sind die Deckpunkte der Bilder der Flächen, gegen über denen die Zonen etwas verschoben gewählt werden können, so dal3 Raum zum Anordnen der Spiegel S3 und S4 vorhanden ist. Die Rasternuten sind hier parallel zur Zeichenebene.
Hierbei kann bemerkt werden, dass das Bild der Lichtquelle aus den Beugungsmaxima des Rasters entsprechenden Abbildungen aufgebaut sein wird.
Das der normalen Spiegelung an der Rasteroberfläche entsprechende Bild ist das Bild der nullten Ordnung, das unter gewissen Verhältnissen fehlen kann.
Dadurch, dass die Zone G1 an der Stelle des Spiegels S3, von der aus das Licht zum Raster geleitet wird, derart gewählt wird, dass sie ausserhalb der Abbildung GII flillt, kann hier die Verwendung eines halbdurchlässigen Spiegels vermieden werden. In gleicher Weise wird die Zone G gewählt, von der aus das Licht zu den Photozellen geleitet wird. Auch dort wird also die Verwendung eines halbdurchlässigen Spiegels vermieden. Die Zone G wird vorzugsweise derart gewählt, dass G und ihre Abbildung G'in einer Richtung zueinander verschoben sind, die den Rasternuten entspricht und also senkrecht zur Streurichtung.
Die Lichtquelle B wird von der Linse L4 in der Ebene Fi beim Spiegel S3 abgebildet. Es ist einleuchtend, dass die Lichtquelle in V2 beim Spiegel 54 abgebildet ist. Mittels der Linse L5 wird die Lichtquelle auf der Photozelle F abgebildet, in der die sich aus der Drehung des Rasters R um seine Achse ergebenden Lichtschwankungen in Schwankungen eines elektrischen Stromes überführt werden. Bei jeder Drehung über eine Rasterperiode treten zwei Maxima im Lichtfluss auf.
Die beschriebene Vorrichtung kann in ähnlicher Weise wie bei bekannten Vorrichtungen dadurch richtungsempfindlich gemacht werden, dass, z. B. zwischen der Linse Li und der Zone D2 oder zwischen der Linse Le, und der Zone D2, eine Doppelbrechungs- platte mit schräger optischer Achse angeordnet und das Licht über ein polarisierendes Teilsystem, in zwei gegenseitig senkrecht polarisierte Bestandteile geteilt, zwei Photozellen zugeführt wird.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Messen linearer Verschie- bungen eines Rasters R senkrecht zu den Rasternuten, Vorausgesetzt ist, dal3 der Raster ein Phasenraster ist mit einem Durchschnitt senkrecht zu den Rasternuten, wie in Fig. 2a dargestellt ist. i ist die mittlere Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Bei dieser Ausführungsform fallen die Zonen D1 und D2 zusammen.
Die Vorrichtung besitzt einen einzigen Teilspiegel SI. Das Licht der Lichtquelle B wird über diesen Teilspiegel auf die Linse Lr geworfen, welche in der Offnung H des Hohlspiegels ein Bild der Lichtquelle erzeugt. Der Hohlspiegel 52 befindet sich etwa in der Brennfläche einer Linse L2. Durch die Offnung H hindurch trifft das Licht weiterhin über die Linse L2 auf der Zone D1 des Rasters R auf.
Bei einem solchen Raster ist das Beugungsmaximum der nullten Ordnung sehr schwach, ebenso wie die Maxima sämtlicher geraden Ordnungen. Die +lte und die-lte Ordnung sind stark und erzeugen am Spiegel'S2 die Bilder B+1 und B-1 der lten bzw.
-lten Ordnung. Infolge der Streuung sind diese Bilder, wie in Fig. 2b dargestellt, senkrecht zu den Rasternuten spektral ausgedehnt. Nach Zurückwerfung durch den Hohlspiegel trifft das Licht wieder über die Linse L2 auf derselben Zone des Rasters R auf. Durch die Öffnung H hindurch werden dann die Bündel der Ordnung +1,1 und-1 zurückgeworfen ; dies sind die Bündel, die sich aus dem von B+ herrührenden Licht der Ordnung +1 und aus dem von B l herrührenden Licht der Ordnung-1 ergeben. Diese kohärenten Bündel treten zusammen über die Offnung im Spiegel 52 durch die Linse Li und ergeben nach Zurückwerfung an S1 auf der Photozelle F zwei kohärente Bilder von B.
Das Signal hat die Gestalt :
EMI3.1
<tb> const <SEP> + <SEP> sin <SEP> rah
<tb> <SEP> Vl/4p/
<tb>
In Fig. 2b ist die Ansicht des Spiegels Ss von Li aus nochmals dargestellt.
Wenn das Licht der nullten Ordnung störend ist, kann die Anordnung abgeändert werden, wie es durch Fig. 2c verdeutlicht ist. Die Offnung H liegt dann in der Nutenrichtung exzentrisch zur optischen Achse 0 des aus L2 und 52 bestehenden Abbildungssystems.
Die nullte Ordnung liegt dann symmetrisch gegenüber 0, wenn vorausgesetzt wird, dass die Rasterfläche senkrecht zur optischen Achse des Abbildungssystems L2, 52 ist, und kann stellenweise durch örtliche Schwärzung des Spiegels S2 unschädlich gemacht werden.
Statt durch eine Öffnung H im Spiegel 5s, kann mittels eines vor S2 gesetzten Prismas oder Spiegels das Licht nach L2 abgelenkt werden. Zur Erzielung eines phasenmodulierten Signals zwecks Bestimmung der Verschiebung kann der Spiegel S2 in bekannter Weise in Schwingung versetzt werden. Auch können mehrere phasenverschobene Signale mittels einer zwischen L2 und R angebrachten Doppelbrechungsplatte mit schräger optischer Achse und eines polarisierenden Teilprismas erzeugt werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 trifft das Licht der Lichtquelle B längs des Spiegels Si auf der Linse L auf. Die Lichtquelle B wird von Li bei der Linse L2 und dem Ablenkprisma P abgebildet, die nahe am Hohlspiegel S2 stehen. S2 befindet sich etwa in der Brennfläche von L3. Das Licht trifft über L3 auf der Zone Dt des Rasters R auf, da La die Kante E von SI über das System Li, L2, P und L3 auf R abbildet. L2 wäre praktisch entbehrlich, wenn die Lichtquelle klein ist.
Das von D, zurückgeworfene Licht fällt durch L3 auf 52 zurück und erzeugt dort Bilder der Ordnung 1 und 0, welche durch Bi und Bo (siehe Fig. 3a) bezeichnet sind. Das Bild Bt ist spektral ausgedehnt. Das Licht wird von Sz zurückgeworfen und trifft über L3 auf D2 auf. Aus dem von D2 zurückgeworfenen Licht werden die Bündel der Ordnung 0,0 und 1,1 verwendet, die beide wieder auf dem Prisma P auftreten und dort die Bilder Bo, o und Bl, i der Lichtquelle erzeugen. Das Licht trifft dann auf dem Spiegel 51 auf und wird zur Photozelle P zurückgeworfen.
Das in der Photozelle erzeugte Signal hat die Gestalt :
EMI3.2
<tb> const <SEP> + <SEP> sin <SEP> iss
<tb> <SEP> \1/2puy
Der Raster kann die in Fig. 3b dargestellte Gestalt haben. Das Profil ist hier sinusförmig mit einer Wel- lentiefe von 2'A, um Aufflammenp in der-lten und +lten und der nullten Ordnung zu erzielen.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es auf gleiche Weise wie vorher möglich, zwei gegenseitig phasenverschobene Signale zu erzielen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Rastergestalt wie beim vorhergehenden Ausführungs- beispiel. Die Lichtquelle B wird von Li bei Pi abgebildet. Hierbei werden die Maxima Bo X und Bl o verwendet, die auf P2 auftreffen. L3 bildet schliesslich die Lichtquelle in F ab. Das Signal ist wieder von gleicher Gestalt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist kein Teilspie- gel notwendig, während trotzdem die ganze Zone Di an sich abgebildet wird. Die Abbildungen Bo t und Bi, o sind aber spektral ausgedehnt, so dass nur ein Teil des Spektrums in die Photozelle einfällt. Um mehr Licht auf die Photozelle zu erzielen, kann mittels eines geradsichtigen Dispersionsprismas im Weg von P2 nach F die Streuung beseitigt oder wenigstens herabgesetzt werden.
Ebenso wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel ist die Symmetrie in den Richtungen der verwendeten Maxima für nur eine Ordnung erfüllt.