DD254792A5 - MEASURING DEVICE AND MEASURING METHOD FOR DISTANCE MEASUREMENT BY POLARIZATION MODULATION - Google Patents
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Abstract
Bei einem Entfernungsmesssystem wird polarisiertes Licht von einer Haupteinheit (8) zu einem Zielreflektor (46) projiziert und wieder reflektiert. Die Polarisation wird moduliert durch einen elektrooptischen Pockelsschen Kristall (20), der im Strahlenweg des projizierten und zurueckgeworfenen Lichts angeordnet ist, wobei ein variabler Lichtweg (42, 44) so justiert wird, dass am Photodetektor (50) nach dem Durchgang des zurueckgeworfenen Lichts durch ein Polarisationsfilter (18) ein Nullwert ermittelt wird. Damit ein einziges Filter (18) fuer die Polarisierung des projizierten Strahlenbuendels und zur Filterung des zurueckgeworfenen Strahlenbuendels ausreicht, kann eine relative Phasenverzoegerung von etwa einem Viertel Wellenlaenge durch einen Rhombus (38) in das projizierte und zurueckgeworfene Strahlenbuendel eingefuehrt werden. Damit die sonst erforderliche Ausrichtung des Filters (18) mit den Achsen der quer zum Strahlenbuendel verlaufenden Kristallachsen umgangen werden kann, ist der Rhombus vor dem Kristall (20) in dem projizierten Strahlenbuendel anzubringen, so dass der Kristall im allgemeinen zirkular polarisiertes Licht empfaengt. Zur Regulierung der Qualitaet des am Photodetektor erzielbaren Nullwertes, kann die Ausrichtung des Rhombus nachreguliert werden. Damit der Nullwert mit groesserer Genauigkeit nachweisbar ist, koennen entweder die Modulationswellenlaenge, die Laenge des Lichtwegs oder die Zeitverzoegerung des Lichtwegs gewobbelt werden. Um Messwerte fuer eine Struktur zu entnehmen, die hinsichtlich einer Bezugstemperatur korrigiert sind, kann die Modulationswellenlaenge fuer einen Bezugsresonator (72), der aus demselben Material wie die Struktur besteht und in Beruehrung mit dem Kristall angeordnet ist, festgelegt werden. Fig. 1In a distance measuring system, polarized light is projected from a main unit (8) to a target reflector (46) and reflected again. The polarization is modulated by a Pockels electro-optical crystal (20) located in the beam path of the projected and reflected light, with a variable light path (42, 44) being adjusted so that the photodetector (50) passes through after the return of the reflected light a polarization filter (18) is determined a zero value. In order for a single filter (18) to be sufficient for the polarization of the projected beam and for the filtering back of the beam, a relative phase delay of about one quarter of a wavelength can be introduced by a rhombus (38) into the projected and returned beam. In order to avoid the otherwise required orientation of the filter (18) with the axes of the crystal axes transverse to the beam, the rhombus must be placed in front of the crystal (20) in the projected beam such that the crystal generally receives circularly polarized light. To regulate the quality of the zero value achievable at the photodetector, the orientation of the rhombus can be readjusted. So that the zero value can be detected with greater accuracy, either the modulation wavelength, the length of the light path or the time delay of the light path can be wobbled. To derive measurements for a structure that are corrected for a reference temperature, the modulation wavelength can be set for a reference resonator (72) made of the same material as the structure and in contact with the crystal. Fig. 1
Description
Nachweis des zurückgeworfenen Teils des Strahlenbündels nach der Modulation; gekennzeichnet durch den Schritt der Einführung einer justierbaren unmodulierten relativen Phasenverschiebung im Strahlenbündel.Detection of the reflected part of the beam after the modulation; characterized by the step of introducing an adjustable unmodulated relative phase shift in the beam.
Hierzu 4 Seiten ZeichnungenFor this 4 pages drawings
< Anwendungsgebiet der Erfindung<Field of the invention
Die Erfindung betrifft ein Meßgerät und ein Meßverfahren für die Entfernungsmessung unter Anwendung der Polarisationsmodulation eines Strahlenbündels.The invention relates to a measuring device and a measuring method for the distance measurement using the polarization modulation of a beam.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft insbesondere ein Meßgerät, bestehend aus:A first aspect of the invention relates in particular to a measuring device consisting of:
— einer Vorrichtung für die Projektion eines polarisierten Strahlenbündels, mit deren Hilfe das Strahlenbündel im wesentlichen entlang des gleichen Wegs zurückgeworfen (reflektiert) werden kann;- a device for the projection of a polarized beam, with the aid of which the beam can be reflected back (reflected) substantially along the same path;
— einer Vorrichtung für die Modulation der Polarisation der projizierten und reflektierten Teile des Strahlenbündels; und- a device for the modulation of the polarization of the projected and reflected parts of the beam; and
— einer Vorrichtung für den Nachweis des reflektierten Teils des Lichtstrahlenbündels nach der Modulation.- A device for the detection of the reflected part of the light beam after the modulation.
Des weiteren betrifft ein zweiter Apsekt der Erfindung ein entsprechendes Meßverfahren, das die folgenden Schritte umfaßt:Furthermore, a second aspect of the invention relates to a corresponding measuring method comprising the following steps:
— Projektion eines polarisierten Strahlenbündels;- Projection of a polarized beam;
— Reflektion des polarisierten Strahlenbündels im wesentlichen längs desselben Wegs;- Reflection of the polarized beam substantially along the same path;
— Modulation der Polarisation der projizierten und reflektierten Teile des Strahlenbündels; und- modulation of the polarization of the projected and reflected parts of the beam; and
— Nachweis des reflektierten Teils des Strahlenbündels nach der Modulation.- Detection of the reflected part of the beam after modulation.
Ein derartiges Meßgerät und -verfahren werden in der GB-Patentschrift 1172668 beschrieben. Bei der in dieser Patentschrift offenbarten Anordnung wird das Strahlenbündel durch ein erstes Polarisationsfilter polarisiert und dann durch mindestens einen elektrooptischen Kristall moduliert. Der reflektierte Teil des Strahlenbündels wird mindestens durch einen weiteren solchen Kristall moduliert, dereine Kristallstruktur aufweist, dessen X-und Y-Achsen senkrecht zu jenen des ersten Kristalls ausgerichtet sind, und dann durch ein zweites Polarisationsfilter, dessen Polarisationsrichtung sich mit der des ersten Filters kreuzt, gefiltert.Such a meter and method are described in GB patent 1172668. In the arrangement disclosed in this patent, the beam is polarized by a first polarizing filter and then modulated by at least one electro-optic crystal. The reflected part of the beam is modulated at least by another such crystal having a crystal structure whose X and Y axes are perpendicular to those of the first crystal, and then by a second polarizing filter whose polarization direction intersects with that of the first filter , filtered.
Es wird eingeschätzt, daß mit zwei gleichen, genau ausgerichteten Kristallen, mit genau ausgerichteten Polarisationsfiltern und bei Ausschaltung von Streupolarisationseffekten oder natürlicher Doppelbrechung der Kristalle, keine Strahlung durch das zweite Polarisationsfilter hindurchgeht, wenn die Entfernung längs des optischen Weges vom ersten Kristall zum zweiten Kristall ein ganzzahliges Vielfaches der Modulationswellenlänge ist. Es ist jedoch schwierig, wenn nicht unmöglich, die Meßanordnung so auszubilden, daß sie perfekt funktioniert.It is estimated that with two equal, precisely aligned crystals, with precisely aligned polarizing filters and eliminating scattering polarization effects or natural birefringence of the crystals, no radiation will pass through the second polarizing filter as the distance along the optical path from the first crystal to the second crystal enters is an integer multiple of the modulation wavelength. However, it is difficult, if not impossible, to design the measuring assembly to function perfectly.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, sowohl die Herstellungskosten als auch den Justieraufwand zu reduzieren.The aim of the invention is to reduce both the manufacturing costs and the adjustment effort.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät und ein Meßverfahren zur Entfernungsmessung mittels Polarisationsmodulation zu schaffen, das eine geringere Anzahl von Bauelementen und Baugruppen erfordert und bei dem alle durch die Modulationsvorrichtung oder durch die anderen optischen Bauteile verursachten unerwünschten Polarisationseffekte kompensiert werden.The invention has for its object to provide a measuring device and a measuring method for distance measurement by means of polarization modulation, which requires a smaller number of components and assemblies and in which all caused by the modulation device or by the other optical components unwanted polarization effects are compensated.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist das Meßgerät gekennzeichnet durch eine Phasenverschiebungsvorrichtung für die Einführung einer justierbaren unmodulierten relativen Phasenverschiebung im Strahlenbündel. Ein entsprechendes Meßverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist gekennzeichnet durch den Schritt der Einführung einer justierbaren unmodulierten relativen Phasenverschiebung im Strahlenbündel. Somit können alle durch die Modulationsvorrichtung oder durch die anderen optischen Bauteile des Systems verursachten unerwünschten Polarisationseffekte kompensiert werden. Die Phasenverschiebungsvorrichtung kann einen Rhombus und eine Einrichtung für die Justierung des Rhombus um eine Achse senkrecht zur Ebene des Rhombus umfassen, so daß die durch den Rhombus bewirkte Phasenverschiebung justiert werden kann. Es kann ebenfalls eine Einrichtung für die Justierung der Schwenkbewegung des Rhombus zumindest um eine Achse in der Ebene des Rhombus besitzen, mit der die Hauptachsen des Rhombus und der Modulationsvorrichtung genau ausgerichtet werden können. Wenn andererseits die Strahlung speziell oder zusätzlich Laserlicht ist, kann die Phasenverschiebungsvorrichtung ein Verzögerungsplättchen sowie eine Einrichtung für die Justierung des Plättchens um eine Achse senkrecht zur Plättchenebene umfassen, die für die Justierung der erforderlichen Phasenverschiebung bestimmt ist.According to the first aspect of the invention, the meter is characterized by a phase shifting device for introducing an adjustable unmodulated relative phase shift in the beam. A corresponding measuring method according to the second aspect of the invention is characterized by the step of introducing an adjustable unmodulated relative phase shift in the beam. Thus, any unwanted polarization effects caused by the modulation device or by the other optical components of the system can be compensated. The phase shifting device may include a rhombus and means for adjusting the rhombus about an axis perpendicular to the plane of the rhombus so that the phase shift caused by the rhombus can be adjusted. It may also have means for adjusting the pivotal movement of the rhombus at least about an axis in the plane of the rhombus with which the major axes of the rhombus and the modulating device can be accurately aligned. On the other hand, if the radiation is specifically or additionally laser light, the phase shifting device may include a retardation plate and means for adjusting the plate about an axis perpendicular to the plate plane, which is for adjusting the required phase shift.
Es werden nun spezielle Ausführungsformen der Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die dazugehörige Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:Specific embodiments of the invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. In the drawing show:
Fig. 1: die schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßgerätes; Fig. 2 a den Ausgang des Photodetektors des Gerätes gemäß Figur 1 unter verschiedenen Umständen, während die Länge des bis 2 f: optischen Wegs des Lichtstrahlenbündels durch eine Modulationswellenlänge variiert wird; Fig. 3: einen Bezugsresonator, der beim Meßgerät gemäß Figur 1 genutzt wird;Fig. 1: the schematic representation of an embodiment of the measuring device according to the invention; 2 a shows the output of the photodetector of the device according to FIG. 1 under different circumstances, while the length of the optical path up to 2 f: optical path of the light beam is varied by a modulation wavelength; 3 shows a reference resonator used in the measuring device according to FIG. 1;
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Meßgerätes gemäß bestimmter erfindungsgemäßer Aspekte.Fig. 4 is a schematic representation of another embodiment of the measuring device according to certain aspects of the invention.
Als erstes wird der Aufbau der optischen Anordnung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben. Das Meßgerät von Figur 1 umfaßt eine Haupteinheit 8 und einen im bestimmten Abstand angeordneten Reflektor 46. In der Haupteinheit 8 erzeugt eine Xenon-Entladungsröhre 12 weißes Blitzlichtstarker Intensität. Dieses Licht wird durch eine Zerstreuungslinse 14 kollimiert und dann mittels eines Spiegels 16 durch einen planen Polarisator 18 und auf einen Pockelsschen Kristall 20 reflektiert, der wie gezeigt, im Resonator 22 mit Modulationshohlraum befestigt ist. Der Kristall 20 kann im Resonator für die Schwenkjustierung montiert sein, und der Resonator kann durch Drehen um seine Längsachse eingestellt werden, so daß die Achse der Kristallstruktur mit dem Rest des Meßgerätes ausrichtbar ist. Das Licht tritt aus dem Kristall 22 aus, dringt in ein innenreflektierendes Porroprisma 26 ein und gelangt von dort zu einem zweiten Porroprisma 28, das auf einer Feder 30 montiert ist und durch einen Elektromagneten 32 angesteuert wird. Das vom Prisma 28 kommende Licht tritt in eine Negativlinse 34 kurzer Brennweite ein, die das Übertragungsobjektiv 36 mit Licht füllt. Das vom Objekt 36 kommende Licht tritt in einen total innenreflektierenden Glasrhombus 38 (TIR) ein. Das aus dem Rhombus 38 austretende übertragene Licht kreuzt einen Lichtweg variabler Länge (VLP), der ein befestigtes Porroprisma 40 und ein Porroprisma 42 einschließt, die auf einer beweglichen Skala 44 montiert sind. Diese Bewegung kann mittels eines dargestellten Nonius oder mittels eines herkömmlichen oder digitalen Mikrometers gemessen werden. Das Licht verläßt dann die Haupteinheit 8 und fällt auf den außerhalb des Meßgerätes angeordneten Zielreflektor 46. Der Reflektor 46 ist vorzugsweise vom Typ eines Katzenauges, das ein an der Frontseite versilberter konkaver Reflektor ist, der im Brennpunkt einer Zerstreuungslinse angeordnet wurde, wobei der Radius des Reflektors gleich dem Brennpunkt dieser Linse ist. Die Haupteinheit8 und der Reflektor46 haben komplementäre Bezugsflächen 68 bzw. 70. Vom Reflektor 46 aus gelangt das Licht durch das System entlang seines ursprünglichen Wegs zurück und dringt durch ein Loch in den Reflektor 16 ein. Das Licht wird dann durch eine Linse 49 auf eine Lochblende 48 fokussiert, um das durchtretende Tageslicht auf ein Minimum zu reduzieren, und fällt auf einen Photodetektor 50, bei dem es sich vorzugsweise um einen Photovervielfacher handelt.First, the structure of the optical arrangement of an embodiment of the present invention will be described. The measuring apparatus of Fig. 1 comprises a main unit 8 and a predetermined spaced reflector 46. In the main unit 8, a xenon discharge tube 12 generates high intensity white flash. This light is collimated by a diverging lens 14 and then reflected by a mirror 16 through a plane polarizer 18 and onto a Pockels crystal 20 which, as shown, is mounted in the resonator 22 with modulating cavity. The crystal 20 may be mounted in the cavity for the pivotal adjustment, and the resonator may be adjusted by rotating about its longitudinal axis so that the axis of the crystal structure is alignable with the rest of the gauge. The light exits the crystal 22, penetrates into an internally reflecting Porro prism 26 and from there to a second Porro prism 28 which is mounted on a spring 30 and is driven by an electromagnet 32. The light coming from the prism 28 enters a negative lens 34 of short focal length, which fills the transmission lens 36 with light. The light coming from the object 36 enters a totally internally reflecting glass rhombus 38 (TIR). The transmitted light emerging from the rhombus 38 crosses a variable length light path (VLP) including a fixed porro prism 40 and a porro prism 42 mounted on a movable scale 44. This movement can be measured by means of a vernier or by means of a conventional or digital micrometer. The light then leaves the main unit 8 and falls onto the target reflector 46 located outside the meter. The reflector 46 is preferably of the cat's eye type, which is a front silvered concave reflector located at the focal point of a diverging lens, the radius of the Reflector is the focal point of this lens. The main unit 8 and the reflector 46 have complementary reference surfaces 68 and 70, respectively. From the reflector 46, the light passes back through the system along its original path and enters the reflector 16 through a hole. The light is then focused through a lens 49 onto a pinhole 48 to minimize the passing daylight and incident on a photodetector 50, which is preferably a photomultiplier.
In Figur 1 werden die Ablenkungen des Strahlenbündels im rechten Winkel der Einfachheit halber in der Ebene des Zeichenblattes dargestellt. In der Praxis muß zur Vermeidung der Einführung unerwünschter relativer Phasenverschiebungen jede Ablenkung in einer Ebene durch eine entsprechende Ablenkung in einer senkrechten Ebene kompensiert werden, es ist jedoch nicht schwer, diesem Kriterium Rechnung zu tragen.In Figure 1, the deflections of the beam are shown at right angles for the sake of simplicity in the plane of the drawing sheet. In practice, to avoid the introduction of undesirable relative phase shifts, any deflection in a plane must be compensated for by a corresponding deflection in a vertical plane, but it is not difficult to take this criterion into account.
Anschließend wird die Wirkungsweise des optischen Meßgerätes beschrieben. Die Polarisation des Strahlenbündels im Falle eines perfekten Gerätes, bei dem keine Streupolarisation durch optische Bauteile eingeführt wird, bei dem keine natürliche Doppelbrechung des Kristalls 20 auftritt und dessen Kristallmodulation eine Tiefe von beispielsweise 90° aufweist, ist wie folgt: Das die Blitzlichtentladungsröhre 12 verlassende Licht ist unpolarisiert, aber nach seinem Durchgang durch den Polarisator 18 ist es linear polarisiert. Der Kristall 20 führt im Strahlenbündel eine Phasenverzögerung ein, die mit der Zeit zwischen plus und minus 90° sinusförmig variiert. Dies ist der Fall, da eine Modulation M von 90° Anwendung findet. Somit handelt es sich bei dem Strahlenbündel um elliptisch moduliertes, linear polarisiertes Licht, wobei die Grenzfälle der Modulation zirkulär polarisiertes Licht entgegengesetzter Richtung sind. Der Rhombus 38 führt eine Phasenverzögerung von 90° in der y-Komponente des Strahlenbündels in bezug auf die x-Komponente ein, und somit alterniert die sich ergebende Phasenverzögerung mit der Zeit zwischen 0°und —180°. Somit ist das Strahlenbündel elliptisch polarisationsmoduliertes, zirkulär polarisiertes Licht, wobei die Grenzfälle der Modulation linear polarisiertes Licht gekreuzter Richtung sind. Nach Ablenkung durch den im bestimmten Abstand angeordneten Reflektor 46, kann eine Phasenverzögerung von 180° sowohl in die x-als auch y-Komponente eingeführt werden, ohne daß sich eine relative Phasenveränderung zwischen den beiden Komponenten ergibt. Wenn das Strahlenbündel durch den Rhombus 38 zurückkehrt, wird eine weitere Phasenverzögerung von 90° eingeführt, so daß das übertragene Strahlenbündel elliptisch polarisationsmoduliertes, linear polarisiertes Licht ist, obwohl bemerkt werden muß, daß die Richtung der linearen Polarisation im rechten Winkel zur Polarisationsrichtung des abgehenden Strahlenbündels zwischen dem Kristall 20 und dem Rhombus 38 verläuft. Der Kristall 20 fügt der Phasenverzögerung 64 im einfallenden Strahlenbündel zwischen der x- und der y-Richtung eine weitere Phasenverzögerung hinzu, die mit der Zeit zwischen plus und minus 90° sinusförmig alterniert. Diese Phasenverzögerung geschieht in Phase mit der Phasenverzögerung, die dem abgehenden Strahlenbündel zugefügt wird. Die Phaseneinstellung dieser beiden Phasenverzögerungen hängt jedoch von der Länge des Wegs ab, den das Strahlenbündel —gemessen vom Kristall 20—zum außerhalb des Meßgeräts angeordneten Reflektor 46 und zurück zum Kristall durchwandert. Es muß erwähnt werden, daß bei einer zweckmäßigen Phaseneinstellung dieser beiden Phasenverzögerungen die Summe der Phasenverzögerungen konstant ist und linear polarisiertes Licht erzeugt, dessen Richtung sich mit der des Polarisators 18 kreuzt. Auf diese Weise gelangt kein Licht durch den Polarisator und der Photodetektor 50 weist eine Lichtintensität von Null nach. Die Zeit T, die das Licht benötigt, um vom Kristall 20 zum Reflektor 46 und wieder zurück zu gelangen, beträgt:Subsequently, the operation of the optical measuring device will be described. The polarization of the beam in the case of a perfect apparatus in which no scattering polarization is introduced by optical components in which no natural birefringence of the crystal 20 occurs and whose crystal modulation has a depth of, for example, 90 °, is as follows: The light leaving the flash discharge tube 12 is unpolarized, but after passing through polarizer 18 it is linearly polarized. The crystal 20 introduces a phase delay in the beam which varies sinusoidally with time between plus and minus 90 °. This is the case since a modulation M of 90 ° applies. Thus, the beam is elliptically modulated linearly polarized light, with the limiting cases of modulation being circularly polarized light of opposite direction. The rhombus 38 introduces a phase delay of 90 ° in the y component of the beam with respect to the x component, and thus the resulting phase lag alternates with time between 0 ° and -180 °. Thus, the beam is elliptically polarization modulated, circularly polarized light, with the limiting cases of the modulation being linearly polarized light of crossed direction. After being deflected by the particular spaced reflector 46, a phase delay of 180 ° can be introduced into both the x and y components without resulting in a relative phase change between the two components. As the beam returns through rhombus 38, another phase delay of 90 ° is introduced so that the transmitted beam is elliptically polarization modulated, linearly polarized light, although it must be noted that the direction of linear polarization is at right angles to the direction of polarization of the outgoing beam between the crystal 20 and the rhombus 38 runs. The crystal 20 adds another phase delay to the phase retardation 64 in the incident beam between the x and y directions which sinusoidally alternates with time between plus and minus 90 °. This phase delay occurs in phase with the phase delay added to the outgoing beam. However, the phasing of these two phase delays depends on the length of travel of the beam-measured by the crystal 20-out to the reflector 46 and back to the crystal. It should be noted that, with proper phase adjustment of these two phase delays, the sum of the phase delays is constant, producing linearly polarized light whose direction intersects that of the polarizer 18. In this way, no light passes through the polarizer and the photodetector 50 detects a light intensity of zero. The time T that the light takes to travel from the crystal 20 to the reflector 46 and back again is:
T=2d/cT = 2d / c
wobei d die Entfernung zwischen Kristall und Reflektor längs des optischen Wegs und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Eine angemessene Phaseneinstellung zwischen der Phasenverzögerung des zurückgekehrten in den Kristall eintretenden Strahlenbündels und der Phasenverzögerung, die durch den Kristall verursacht wird, ergibt sich, wennwhere d is the distance between crystal and reflector along the optical path and c is the speed of light. A proper phase adjustment between the phase delay of the returned beam entering the crystal and the phase delay caused by the crystal arises when
T = 2d/c = (η + 0,5) 1/c; oder T=2d/c = n1/c,T = 2d / c = (η + 0.5) 1 / c; or T = 2d / c = n1 / c,
je nach Art des Kristalls und der Art der Verwendung des Kristalls, wobei 1 die Modulationswellenlänge und n die Anzahl der kompletten Wellenlängen auf dem Weg vom Kristall und wieder zu diesem zurück ist. Deshalb ist der Abstand d gegeben durch:depending on the type of crystal and the method of use of the crystal, where 1 is the modulation wavelength and n is the number of complete wavelengths on the way back from the crystal and back to it. Therefore, the distance d is given by:
d = (0,5 n+ 0,25)1; oder d = 0,5nld = (0.5 n + 0.25) 1; or d = 0.5nl
Somit wird am Photodetektor 50 eine Phasendifferenz von Null ermittelt, wenn der Strahlweg in Abhängigkeit vom Kristall ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge plus einem Viertel der Wellenlänge, oder ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge ist.Thus, at the photodetector 50, a phase difference of zero is determined when the beam path is an integer multiple of half the wavelength plus one quarter of the wavelength, or an integer multiple of half the wavelength, depending on the crystal.
Ein wichtiges Merkmal der Anordnung gemäß Figur 1 besteht darin, daß bei Nullmodulation und geeigneten Werten für d die Richtungen der Polarisation des projizierten, in den Kristall eintretenden Strahlenbündels und des reflektierten, den Kristall verlassenden Strahlenbündels sich kreuzen. Somit ist der Einsatz eines einzigen Kristalls 20 und eines einzigen Polarisators 18 ausreichend.An important feature of the arrangement of Figure 1 is that at zero modulation and proper values for d, the directions of polarization of the projected beam entering the crystal and the reflected beam leaving the crystal intersect. Thus, the use of a single crystal 20 and a single polarizer 18 is sufficient.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Meßanordnung gemäß Figur 1 besteht darin, daß Streupolarisationseffekte ohne weiteres kompensiert werden können. Wenn der Kristall 20 eine natürliche Doppelbrechung aufweist, die eine Phasenverzögerung der y-Komponente in bezug auf die x-Komponente des Strahlenbündels bei Nullmodulation erzeugt, dann kommt zur Phasenverzögerung, die durch den Rest des Meßgerätes bewirkt wird, der doppelte Betrag der Verzögerung hinzu. Wenn somit ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlängen (plus einer viertel Wellenlänge, je nach Kristalltyp) vorliegt, die vom Strahlenbündel hin und zurück durchwandert werden (das ist der Fall, wenn bei einem perfekten Meßgerät ein Nullwert ermittelt wird), dann wird das aus dem Kristall 20 austretende Strahlenbündel elliptisch polarisiert und weist eine Phasenverzögerung zwischen derx- und der y-Komponente von 180° (oder von einer halben Wellenlänge) plus der zweifachen Verzögerung, die durch die natürliche Doppelbrechung des Kristalls bewirkt wird, auf. Deshalb ist das Strahlenbündel kein linear polarisiertes Licht, dessen Richtung die Richtung des Polarisators kreuzt, und ein „perfekter" Nullwert wird nicht beobachtet. Jedoch durch Justieren des Betrages der durch den Rhombus 38 bewirkten Phasenverzögerung — so daß anstelle einer Verzögerung von zwischen derx- und dery-Komponente bei jedem Durchgang durch den Rhombus 38 eine Phasenverzögerung von 90° minus der durch die natürliche Doppelbrechung des Kristalls hervorgerufenen Verzögerung — bewirkt wird, wird die Wirkung der natürlichen Doppelbrechung aufgehoben und es ist ein Nullwert zu beobachten. In ähnlicher Weise kann durch eine Verspannung in den optischen Bauteilen des Meßgerätes zwischen der x- und der y-Komponente des Strahlenbündels eine ungewollte Phasenänderung verursacht werden, aber diese kann in derselben Weise durch Justieren des Betrages der durch den Rhombus 38 bewirkten Phasenverzögerung kompensiert werden. Dieser Betrag der Phasenverzögerung wird durch Verdrehen des Rhombus 38 in der Richtung A gemäß Figur 1 justiert.Another important feature of the measuring arrangement according to FIG. 1 is that scattering polarization effects can be easily compensated. If the crystal 20 has a natural birefringence that produces a phase lag of the y-component with respect to the x-component of the beam at zero modulation, then the phase delay caused by the remainder of the gauge will add twice the amount of delay. Thus, if there is an integer multiple of half the wavelengths (plus a quarter wavelength, depending on the crystal type) being traversed back and forth from the beam (which is the case when a zero is found on a perfect meter), then that becomes Crystal emerging elliptically polarized beams and has a phase delay between the x and y components of 180 ° (or half a wavelength) plus twice the delay, which is caused by the natural birefringence of the crystal. Therefore, the beam is not a linearly polarized light whose direction crosses the direction of the polarizer, and a "perfect" zero value is not observed, however, by adjusting the amount of phase delay caused by the rhombus 38 so that instead of delaying between the x and If, for example, a phase delay of 90 ° minus the delay caused by the natural birefringence of the crystal is produced on each passage through the rhombus 38, the effect of natural birefringence is removed and a zero value is observed However, this can be compensated in the same way by adjusting the amount of the phase delay caused by the rhombus 38. This amount of phase delay w is adjusted by turning the rhombus 38 in the direction A in FIG.
Noch ein weiterer Vorteil der Meßanordnung gemäß Figur 1 besteht darin, daß der Kristall so ausgerichtet werden kann, daß für die Wanderung des Lichts längs der Z-Achse des Kristalls der Pockelssche Effekt (bei dem es sich um einen linearen Doppelbrechungs-Spannungs-Effekt) und der Kerrsche Effekt (bei dem es sich um einen quadratischen Doppelbrechungs-Spannungs-Effekt handelt) in Phase gebracht werden, so daß der Kerrsche Effekt die Qualität des zu erzielenden Nullwertes nicht verschlechtert.Yet another advantage of the measuring arrangement of Figure 1 is that the crystal can be oriented so that the Pockels effect (which is a linear birefringence-voltage effect) for the migration of light along the Z-axis of the crystal. and the Kerr effect (which is a square birefringence voltage effect) is brought into phase, so that the Kerr effect does not degrade the quality of the zero value to be achieved.
Der Rhombus 38, der verwendet wird, muß kein perfekt gestalteter Fresnelscher Rhombus sein, dereinen speziellen Spitzenwinkel (oder Prismenwinkel) von annähernd 50° aufweist. Es kann ein Rhombus verwendet werden, dereinen Spitzenwinkel im Bereich von z. B. zwischen 45° und 55° hat, vorausgesetzt, daß Vorrichtungen einbezogen sind, die eine geringe Justierung durch Drehen des Rhombus in Richtung A gemäß Figur 1 gestatten, um die durch den Rhombus 38 bewirkte Phasenverzögerung zu justieren.The rhombus 38 used need not be a perfectly designed Fresnel rhombus having a specific tip angle (or prism angle) of approximately 50 °. A rhombus may be used that has a point angle in the range of, for example, 10. Between 45 ° and 55 °, provided that devices are included which permit a slight adjustment by rotation of the rhombus in the direction A according to Figure 1 in order to adjust the phase delay caused by the rhombus 38.
Der Rhombus 38 ist nicht nur so eingebaut, daß er sich in Richtung A drehen kann, er ist auch so eingebaut, daß die Schwenkbewegung des Rhombus um die Achsen in der Ebene des Zeichenblattes mittels dreier Justierschrauben 112 justiert werden kann. Auf diese Weise können die Achsen des Rhombus 38 mit Hinblick auf die Achsen des Kristalls justiert werden.The rhombus 38 is not only installed so that it can rotate in the direction A, it is also installed so that the pivoting movement of the rhombus about the axes in the plane of the drawing sheet can be adjusted by means of three adjusting screws 112. In this way, the axes of the rhombus 38 can be adjusted with respect to the axes of the crystal.
Bei einer modifizierten Ausführungsform der Meßanordnung gemäß Figur 1 ist der Rhombus 38 fest angebracht, und ein Breitbandverzögerungsplättchen wie beispielsweise ein Glimmerplättchen ist im Lichtweg angebracht und durch Drehen und Schwenken justierbar, damit beim Photomultiplikator ein Nullwert erreicht wird.In a modified embodiment of the measuring arrangement according to FIG. 1, the rhombus 38 is firmly attached, and a broadband delay plate, such as a mica chip, is mounted in the light path and adjustable by turning and swiveling to achieve a zero value at the photomultiplier.
Bei einer weiteren modifizierten Ausführungsform sind der Rhombus 38 und/oder ein zusätzliches Verzögerungsplättchen in bezug auf die Richtung des projizierten Strahlenbündelteils vor dem Kristall 20 angeordnet. In diesem Fall kann ein kleinerer Rhombus verwendet werden. Des weiteren ist es wichtig, daß das in den Kristall eintretende projizierte Strahlenbündel im * wesentlichen zirkulär polarisiert wird und damit ist es wenig oder überhaupt nicht problematisch, die Kristallachsen senkrecht zur Richtung des Strählenbündels auf die Polarisationsrichtung des Strahlenbündels auszurichten.In another modified embodiment, the rhombus 38 and / or an additional retardation plate are positioned in front of the crystal 20 with respect to the direction of the projected beam portion. In this case a smaller rhombus can be used. Furthermore, it is important that the projected beam entering the crystal be substantially circularly polarized, and thus it is little or no problem to align the crystal axes perpendicular to the direction of the bundle of beams to the direction of polarization of the beam.
Die Bewegung des Prismas 42 führt zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Länge des Strahlenbündelwegs zwischen Kristall 20 und Reflektor 46 um die doppelte Strecke, um die das Prisma bewegt wird. Wenn somit die Modulationsfrequenz f beispielsweise annähernd 1,5GHz beträgt, so daß die Modulations-Halbwellenlänge c/2f genau 100mm beträgt, muß das Prisma 42 über eine Strecke von mindestens annähernd 50 mm bewegbar sein, damit ein Nullwert erzielt werden kann.The movement of prism 42 results in an increase or decrease in the length of the beam path between crystal 20 and reflector 46 by twice the distance that the prism is moved. Thus, for example, if the modulation frequency f is approximately 1.5GHz, so that the modulation half wavelength c / 2f is exactly 100mm, the prism 42 must be movable a distance of at least approximately 50mm for a zero value to be achieved.
Figur 2 A zeigt, wie der Ausgang I des Photomultiplikators 50 alterniert, wenn der Reflektor 46 um eine Modulationswellenlänge versetzt wird, wobei die Tiefe der Modulation M, die durch den Kristall 90° bewirkt wird, 90° und die gesamte konstante Phasenverschiebung P, die durch das Meßgerät bewirkt wird, 180° beträgt. Es bleibt zu erwähnen, daß die Nullpunkte bei einer Viertel Wellenlänge und drei Vierteln einer Wellenlänge erzielt werden und daß der Photodetektorausgang I sehr steile Gradienten auf beiden Seiten des Nullpunktes aufweist.FIG. 2A shows how the output I of the photomultiplier 50 alternates when the reflector 46 is offset by a modulation wavelength, the depth of the modulation M caused by the crystal being 90 ° and the total constant phase shift P, caused by the meter is 180 °. It should be noted that the zero points are achieved at a quarter wavelength and three quarters of a wavelength, and that the photodetector output I has very steep gradients on either side of the zero point.
Figur 2 B zeigt den Fall, bei dem die Tiefe der Modulation M größer als 90° ist. Es muß erwähnt werden, daß selbst noch steilere Gradienten des Photomultiplikatorausgangs I auf beiden Seiten aller Nullpunkte auftreten. Die Modulationstiefe sollte nicht allzuweit über 90° hinaus erhöht werden, da sonst des weiteren abgerundete Nullpunkte bei Null und den Halbwellenlängenpunkten, oder symmetrisch um diese Punkte herum, auftreten.Figure 2 B shows the case where the depth of modulation M is greater than 90 °. It must be mentioned that even steeper gradients of the photomultiplier output I occur on both sides of all zero points. The modulation depth should not be increased too far beyond 90 °, since otherwise rounded zero points occur at zero and half wavelength points, or symmetrically around these points.
Figur 2 C zeigt den Fall, bei dem die Tiefe der Modulation M kleiner als 90° ist. Es muß erwähnt werden, daß die Kurve neben dem Nullpunkt runder ist, und somit ist die Empfindlichkeit des Meßgerätes bei dieser geringeren Modulationstiefe vermindert.Fig. 2C shows the case where the depth of modulation M is smaller than 90 °. It should be noted that the curve is rounder near zero, and thus the sensitivity of the meter is reduced at this lower modulation depth.
Figur 2 D entspricht Figur 2 A mit der Ausnahme, daß die durch das System bewirkte konstante Phasenverschiebung nicht auf 180° eingestellt wird, sondern eine zusätzliche Phasenverschiebung von 45° eingeführt wird, so daß die gesamte konstante Phasenverschiebung 225° beträgt. Es ist ersichtlich, daß ein perfekter Nullpunkt nicht erzielt werden kann.FIG. 2 D corresponds to FIG. 2A except that the constant phase shift effected by the system is not set to 180 °, but an additional phase shift of 45 ° is introduced, so that the total constant phase shift is 225 °. It can be seen that a perfect zero can not be achieved.
Die Figuren 2 E und 2 F entsprechen den Figuren 2 B bzw. 2 C, sie stellen jedoch den Fall dar, bei dem ähnlich wie bei Figur 2 D die gesamte durch das System bewirkte Phasenverschiebung 225° anstelle von 180° beträgt.Figures 2 E and 2 F correspond to Figures 2 B and 2 C, respectively, but they represent the case in which, similar to Figure 2 D, the total phase shift caused by the system is 225 ° instead of 180 °.
Es werden nun die Grundschritte für die Ausführung der Entfernungsmessung beschrieben. Zunächst wird der Reflektor 46 mit seinen Bezugsflächen 70 flach gegen die Bezugsflächen 68 der Haupteinheit 8 gelegt. Der variable Lichtweg wird dann so justiert, daß am Photodetektor 50 ein Nullpunkt erzeugt wird. Die Lage der Bezugsebene (Normalfixpunkt) des variablen Lichtweges kann dann auf Null eingestellt werden, oder aber der Meßwert kann abgelesen werden. Wenn der Reflektor dann um eine Strecke zurückbewegt und der veränderliche Lichtweg durch Bewegen des Prismas 42 nach rechts (wie aus Figur 1 zu entnehmen ist) so eingestellt wjrd, daß ein Nullpunkt erzeugt wird, so entspricht die Differenz zwischen der eingestellten Stellung und dem Normalfixpunkt am Nonius 44 einer Hälfte der Strecke zwischen den Bezugsflächen 68 und 70 mehr als ein ganzzahliges Vielfaches der Modulationshalbwellenlängen. Für die meisten gerätetechnischen Messungen ist die erforderliche Entfernung grob bekannt, und mit Hilfe des veränderlichen Lichtweges ist es dann möglich, diese Entfernung genauer zu messen. Wird angenommen, daß die angenäherte Entfernung zwischen den Bezugsflächen 68 und 70 28,85 m beträgt und die Bewegung des Prismas 42 nach rechts (Figur 1) von der Bezugsstellung aus zur Erreichung eines Nullpunkts 36,745 mm beträgt, dann beträgt die Verkürzung der Länge des veränderlichen Lichtwegs 2 χ 36,745 = 73,49 mm und somit ist es offenbar, daß die genaue Entfernung 28,87349m beträgt, wenn die Modulationshalbwelle 100mm beträgt.The basic steps for executing the distance measurement will now be described. First, the reflector 46 is laid flat with its reference surfaces 70 against the reference surfaces 68 of the main unit 8. The variable light path is then adjusted so that a zero point is generated at the photodetector 50. The position of the reference plane (normal fix point) of the variable light path can then be set to zero, or the measured value can be read off. Then, when the reflector is moved back a distance and the variable light path is adjusted by moving the prism 42 to the right (as shown in Fig. 1) so as to generate a zero point, the difference between the set position and the normal fixed point on Nonius 44 half of the distance between the reference surfaces 68 and 70 more than an integral multiple of the modulation half-wavelengths. For most equipment measurements, the required distance is roughly known, and with the aid of the variable light path, it is then possible to more accurately measure that distance. Assuming that the approximate distance between the reference surfaces 68 and 70 is 28.85 m and the movement of the prism 42 to the right (Figure 1) from the reference position to reach a zero point is 36.745 mm, then the shortening is the length of the variable one Light path 2 χ 36.745 = 73.49 mm and thus it is apparent that the exact distance is 28.87349m when the modulation half-wave is 100mm.
Imfolgenden wird die Ansteuerung der Meßanordnung gemäß Figur 1 beschrieben. Ein Pulsgenerator 10 liefert die folgenden Ausgänge:In the following, the control of the measuring arrangement according to FIG. 1 will be described. A pulse generator 10 provides the following outputs:
a) einen Hochspannungsimpuls (ζ. B. 1 000 V) mit einer Dauer von 30 Mikrosekunden und einer Wiederholungszeit vona) a high voltage pulse (ζ B. 1 000 V) with a duration of 30 microseconds and a repetition time of
10 Millisekunden für die Anode einer keramischen Triodenröhre 24 mit geerdetem Gitter, die parallel zum Modulationsresonator 22 geschaltet ist;10 milliseconds for the anode of a grounded lattice ceramic triode tube 24 connected in parallel with the modulation cavity 22;
b) einen Triggerimpuls für eine Blitzlichtröhre 12, die zeitlich so gesteuert wird, daß sie etwa 12 Mikrosekunden nach den einzelnen Impulsen der Triodenröhre 24 angegeben werden, so daß beiTriggerung der Blitzlichtröhre 12 ein hoher stetiger Leistungspegel im Modulationsresonator 22 erzielt wird. Der durch die Röhre erzeugte Blitz hat eine Dauer von etwa 3 Mikrosekunden;b) a trigger pulse for a flash tube 12, which is timed to be approximately 12 microseconds after the individual pulses of the triode tube 24, so that when the flash tube 12 is triggered, a high steady power level is achieved in the modulation cavity 22. The flash generated by the tube has a duration of about 3 microseconds;
c) ein 50-Hz-Synchronrechteckwellensignal (erstens) zum Elektromagneten 32 über einen Kondensator 80 für das Prisma 28, so daß sich bei Triggerung der Blitzlichtröhre 12 das Prisma 28 abwechselnd an einem oder dem anderen Ende seines Bewegungsbereichs befindet, und/oder zweitens zum Varactor 82 (Kapazitätsvariationsdiode), der in den Modulationsresonator 22 eingebaut ist;c) a 50 Hz synchronous square wave signal (firstly) to the electromagnet 32 via a condenser 80 for the prism 28, so that upon triggering of the flash tube 12, the prism 28 is alternately at one or the other end of its range of motion, and / or secondly to Varactor 82 (capacitance varying diode) incorporated in the modulation resonator 22;
d) ein 50-Hz-Rechteckwellenbezugssignal für ein Synchronnachweisgeräteteil 78; undd) a 50 Hz square wave reference signal for a synchronous detection device part 78; and
e) ein 100-Hz-Rechteckwellensteuersignal zur Zuschaltung (d.h. Sperrung) einer oder mehrerer der Dynoden des Photomultiplikators 50, wenn kein Licht empfangen wird.e) a 100 Hz square wave control signal for connecting (i.e., blocking) one or more of the dynodes of the photomultiplier 50 when no light is received.
Der an die Triode 24 angelegte Impuls läßt den Modulationsresonator 22 bei einer Mikrowellenfrequenz von annähernd 1,5GHz in Resonanz geraten. Der Modulationsresonator 22 wird anfänglich mittels einer Abstimmschräube 73 auf den Bezugsresonator 72 abgestimmt. Der Bezugsresonator hat eine Resonanzfrequenz von 4,5GHz und eine Q-Röhre von zwischen 4000 und 5000. Eine Kopplungsschleife 75 in der Basis des Modulationsresonators 22 ist über ein Koaxialkabel an eine Mikrowellendiode der Vorspannung Null 74 in den Bezugsresonator 72 eingefügt. Eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Mikrowellendiode 76, die in den Bezugsresonator 72 eingefügt ist, ist mittels eines Koaxialkabels an das Synchronnachweisgeräteteil 78 angeschlossen. Eine Aufgabe des Synchronnachweisgeräteteils 78 besteht darin, die Abstimmung des Modulationsresonators 22 auf den Bezugsresonator 72 nachzuweisen und auf einem Meßgerät mit symmetrischer Skale 84 anzuzeigen. Die Abstimmschraube 73 wird justiert bis das Meßgerät 84 auf den Nullpunkt in der Skalenmitte eingestellt ist und anzeigt, daß der Modulationsresonator 22 so abgestimmt ist, daß der Bezugsresonator 72 als dritte Harmonische des Modulationsresonators mitschwingt, was heißt, daß der Modulationsresonator 22 bei genau 1,5GHz mitschwingt. Zur genauen Ermittlung der Frequenz des Bezugsresonators wird die Frequenz des Modulationsresonators um annähernd Vsooo gewobbelt oder oszilliert mittels einer Tauchkernspule 102, die aus einer Feder 30 durch eine Öffnung im Modulationsresonator 22 hervorragt und bei 50 Hz vibriert, und/oder mittels des Varaktors 82, der durch dasselbe Signal wie der Elektromagnet 32 angesteuert wird. Diese Frequenzveränderung von Vsooo bewirkt, daß die Modulationsfrequenz bei jedem Impuls von einer Schulter der Resonanzkurve des Bezugsresonators zur anderen springt. Auf diese Weise kann die Frequenz des Modulationsresonatprs genauer eingestellt werden, und zwar beispielsweise auf eine Genauigkeit in der Größenordnung von einem Millionstel, was durch Abstimmen der Frequenz des Modulationsresonators auf den Spitzenwert der Resonanzkurve des Bezugsresonators erreicht werden kann. Sobald der Modulationsresonator 22 abgestimmt ist, wird dieser mit dem Bezugsresonator 72 durch manuelle Betätigung eines Wahlschalters 86 mit Hilfe eines Varaktors 100, der im Modulationshohlraum angebracht ist, phasenverriegelt. Die. Phasenverriegelung kann durch Anlegen einer GS-Vorspannung an den Elektromagnet 32 oder an den Varaktor 82 genau beibehalten werden, wobei der Kondensator 80 die GS-Rückkopplung zum Phasengenerator 10 blockiert. Schwankungen bei der gemessenen Entfernung (z.B. durch thermische Veränderungen) können dann durch ein Fehlermeßgerät 110 in der Phasenverriegelungsschleife zum Elektromagnet 32 oder zum Varaktor 82 überwacht werden.The pulse applied to the triode 24 causes the modulation resonator 22 to resonate at a microwave frequency of approximately 1.5 GHz. The modulation resonator 22 is initially tuned to the reference resonator 72 by means of a tuning sweep 73. The reference resonator has a resonant frequency of 4.5 GHz and a Q-tube of between 4000 and 5000. A coupling loop 75 in the base of the modulation resonator 22 is inserted via a coaxial cable to a microwave diode of zero bias 74 in the reference resonator 72. A forward biased microwave diode 76, which is inserted in the reference resonator 72, is connected to the synchronous detector section 78 by means of a coaxial cable. An object of the synchronizer detector portion 78 is to detect the tuning of the modulating resonator 22 to the reference resonator 72 and display it on a symmetrical scale meter 84. The tuning screw 73 is adjusted until the meter 84 is set at the zero point in the middle of the scale and indicates that the modulation resonator 22 is tuned so that the reference resonator 72 resonates as the third harmonic of the modulation resonator, which means that the modulation resonator 22 at exactly 1, 5GHz resonates. In order to accurately determine the frequency of the reference resonator, the frequency of the modulation resonator is swept or oscillated by approximately Vsooo by means of a plunger coil 102 protruding from a spring 30 through an aperture in the modulation resonator 22 and vibrating at 50 Hz and / or by means of the varactor 82 is driven by the same signal as the solenoid 32. This frequency change of Vsooo causes the modulation frequency at each pulse to jump from one shoulder of the resonance resonator of the reference resonator to the other. In this way, the frequency of the modulation resonance pulse can be set more accurately, for example, to an accuracy of the order of one millionth, which can be achieved by tuning the frequency of the modulation resonator to the peak value of the resonance curve of the reference resonator. Once the modulation resonator 22 is tuned, it is phase locked to the reference resonator 72 by manual actuation of a selector switch 86 by means of a varactor 100 mounted in the modulation cavity. The. Phase lock can be accurately maintained by applying a DC bias to the solenoid 32 or to the varactor 82, with the capacitor 80 blocking the DC feedback to the phase generator 10. Variations in the measured distance (e.g., by thermal changes) may then be monitored by an error meter 110 in the phase locked loop to the solenoid 32 or to the varactor 82.
Nach der Einstellung der Frequenz des Modulationsresonators 22 wird der Nachweisgeräteteil 78 durch manuelles Betätigen des Wahlschalters 86 eingestellt, damit der Wert des Fotovervielfacherausgangs am Meßgerät 96 angezeigt wird, und die Ausrichtung von Haupteinheit 8 und Reflektor 46 können dann so eingestellt werden, daß ein maximaler Wert am Meßgerät 96 erzielt wird. Das Nachweisgeräteteil 78 enthält eine automatische Verstärkungsregelung 98 und liefert ein (automatisches) Verstärkungsregelungssignal (AGC) zum Fotovervielfacher. Die Verstärkungsregelung kann somit auf einen zweckmäßigen Pegel eingestellt werden. Die Aufgabe der automatischen Verstärkungsregelung besteht darin, die vom Fotovervielfacher wahrgenommenen Lichtimpulse auf einen durchschnittlichen konstanten Pegel zu bringen, so daß die Empfindlichkeit des Gerätes um so größer ist, je kleiner die Abweichung von einem Lichtminimum ist. Für den Nachweis eines Nullpunktes bei einem Fotovervielfacher 50 wird die Länge des Lichtwegs mittels eines Schwingprismas 28 gewobbelt oder oszilliert. Dazu wird nicht ein Nullpunkt 104 (siehe Figur 3A) nachgewiesen, sondern es werden die Intensitäten 106 und 108 auf beiden Seitendes Nullpunktes nachgewiesen, wobei das Synchronnachweisgeräteteil 78 in Aktion tritt, um die Gleichheit dieser Intensitäten nachzuweisen. Bei voller Verstärkung des Fotovervielfachers ergibt sich dabei eine Empfindlichkeit des Meßgerätes von 0,01mm.After adjusting the frequency of the modulation resonator 22, the detection device portion 78 is adjusted by manually operating the selector switch 86 to display the value of the photomultiplier output on the meter 96, and the orientation of the main unit 8 and reflector 46 can then be set to a maximum value achieved on the meter 96. The verifier section 78 includes an automatic gain control 98 and provides an (automatic) gain control signal (AGC) to the photomultiplier. The gain control can thus be set to an appropriate level. The object of the automatic gain control is to bring the light pulses perceived by the photomultiplier to an average constant level, so that the sensitivity of the device is greater, the smaller the deviation from a light minimum. For the detection of a zero point in a photomultiplier 50, the length of the light path by means of a vibrating prism 28 is wobbled or oscillated. It does not detect a zero point 104 (see Figure 3A), but detects the intensities 106 and 108 on either side of the zero point, with the synchronizer detector portion 78 taking action to detect the equality of these intensities. At full amplification of the photomultiplier results in a sensitivity of the measuring device of 0.01mm.
Das:Wobbein des Lichtweges durch das Prisma 28 und das Wobbeln der Modulationsfrequenz durch die Tauchkernspule oder durch den Varaktor 82 verstärken sich gegenseitig und es kann sein, daß das Wobbeln der Modulationsfrequenz wie beispielsweise durch den Varaktor 82 für den Nachweis der Bezugsfrequenz und des Photovervielfacher-Nullpunktes ausreicht.The wobble of the light path through the prism 28 and the wobble of the modulation frequency through the plunger coil or through the varactor 82 mutually reinforce each other and it may be that the wobble of the modulation frequency such as by the varactor 82 for the reference frequency detection and photomultiplier Zero point is sufficient.
Es folgt nunmehr eine Beschreibung des Bezugsresonators 22 unter Hinweis auf Figur 3.A description will now be given of the reference resonator 22 with reference to FIG. 3.
Der Resonator 22 hat einen im allgemeinen zylindrischen Körper 88, dereinen Hohlraum mit einer Resonanzfrequenz von einem Viertel der Wellenlänge aufweist. Die Innenfläche des Resonators ist mit Kupfer oder Silber plattiert. Ein mit einem Schraubengewinde versehener Metalltauchkern 90 ist in dem zylindrischen Körper montiert und kann zur Justierung der Resonanzfrequenz in axialer Richtung bewegt werden. Die Innenseite des Resonators wird zur Atmosphäre hin durch ein sehr feines Loch 92 entlüftet, und es sind Silicagelkörnchen 94 in den Resonator eingebracht. Auf diese Weise wird die Luft im Resonator trocken und auf Umgebungstemperatur und-druck gehalten; dies ist gleichzeitig eine gute Maßnahme der Kompensation atmosphärischer Lichtbrechungsänderungen. Der Körper 88 des Resonators kann aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten konstruiert sein wie beispielsweise aus Quarz oder ,Invar' (36% Nickel-Stahl), so daß er durch Temperaturänderungen nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Ist andererseits die Messung der Struktur eines bekannten Materials erwünscht, so kann der Körper des Resonators aus demselben Material wie diese Struktur oder aus einem Material mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sein. Im letzteren Fall kann die Resonanzfrequenz des Resonators bei einer bestimmten Bezugstemperatur wie beispielsweise bei 200C kalibriert sein, und der Resonator kann auf der zu messenden Struktur befestigt werden. Infolge der Änderung der Resonanzfrequenz mit der Temperatur liefert das Meßgerät Meßwerte von der Struktur,'die auf die Bezugstemperatur umgerechnet sind, und nicht die tatsächlichen Meßwerte bei der vorherrschenden Temperatur.The resonator 22 has a generally cylindrical body 88 having a cavity with a resonant frequency of one fourth the wavelength. The inner surface of the resonator is plated with copper or silver. A screw-threaded metal dipping core 90 is mounted in the cylindrical body and can be moved in the axial direction to adjust the resonant frequency. The inside of the resonator is vented to the atmosphere through a very fine hole 92, and silica gel granules 94 are introduced into the resonator. In this way, the air in the resonator is kept dry and at ambient temperature and pressure; this is at the same time a good measure of the compensation of atmospheric refraction changes. The body 88 of the resonator may be constructed of a material having a low coefficient of thermal expansion, such as quartz or 'invar' (36% nickel steel), so that it is not significantly affected by temperature changes. On the other hand, if the measurement of the structure of a known material is desired, the body of the resonator may be made of the same material as this structure or of a material having a similar coefficient of thermal expansion. In the latter case, the resonant frequency of the resonator may be calibrated at a certain reference temperature, such as 20 ° C., and the resonator may be mounted on the structure to be measured. Due to the change of the resonant frequency with temperature, the meter will provide readings of the structure converted to the reference temperature and not the actual readings at the prevailing temperature.
Hier nachfolgend wird nunmehr unter Bezugnahme auf Figur 4 eine weitere Ausführungsform eines bestimmten Aspektes der Erfindung beschrieben. In Figur 4 wurden die den in Figur 1 entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.Hereinafter, a further embodiment of a specific aspect of the invention will now be described with reference to FIG. In FIG. 4, the components corresponding in FIG. 1 have been identified by the same reference numerals.
Während die Meßanordnung gemäß Figur 1 ein koaxiales System ist, das heißt, die projizierten und reflektierten Strahlenbündelteile längs eines gemeinsamen Wegs wandern, ist die Meßanordnung gemäß Figur 4 ein quasikoaxiales System, bei dem sich die projizierten und reflektierten Strahlenbündelteile parallel dicht nebeneinander fortbewegen. Anstelle von nur einem einzigen Kristall werden zwei Kristalle 20 A und 20 B im projizierten und reflektierten Strahlenbündelteil angebracht. Die Kristalle können so angeordnet werden, daß die Z-Achsen der Kristallstrukturen parallel zum Lichtstrahl verlaufen, so daß die X-Achsen der Kristallstrukturen rechtwinklig zueinander verlaufen. Wenn die Abmessungen der Kristalle 20 A und 20 B in der Strahlrichtung innerhalb einiger Wellenlängen des Lichtes gleich sind, dann kompensiert diese Anordnung der Kristallachsen die natürliche Doppelbrechung der Kristalle. Zur Ausschaltung jeder Differenz zwischen der natürlichen Doppelbrechung der Kristalle 2OA und 2OBWhile the measuring arrangement of Figure 1 is a coaxial system, that is, the projected and reflected beam portions travel along a common path, the measuring arrangement of Figure 4 is a quasi-coaxial system in which the projected and reflected beam portions travel in close proximity to each other in parallel. Instead of a single crystal, two crystals 20A and 20B are placed in the projected and reflected beam portion. The crystals may be arranged so that the Z-axes of the crystal structures are parallel to the light beam so that the X-axes of the crystal structures are perpendicular to each other. If the dimensions of the crystals 20A and 20B are equal in the beam direction within a few wavelengths of light, then this arrangement of crystal axes compensates for the natural birefringence of the crystals. To eliminate any difference between the natural birefringence of crystals 2OA and 2OB
istfürdie Feinjustierung ein Breitband-Phasenverschieberplättchen in den optischen Weg des polarisierten Lichtstrahlenbündels eingefügt, das der Justierung durch Drehen oder Schwenken dient. Für den Fall, daß weißes Licht verwendet wird, kann ein solches Phasenverzögerungsplättchen aus Glimmer sein.For fine adjustment, a broadband phase shifter plate is inserted in the optical path of the polarized light beam which serves for adjustment by rotation or pivoting. In the case where white light is used, such a phase retardation plate may be of mica.
Zwei Polarisationsfilter 18 A und 18 B sind in den projizierten bzw. reflektierten Strahlenbündelteilen angeordnet. Die Richtungen der Polarisationsfilter kreuzen sich gegenseitig.Two polarizing filters 18A and 18B are disposed in the projected and reflected beam portions, respectively. The directions of the polarizing filters cross each other.
ZurWobblung der effektiven Länge des Lichtwegs, die zu dem Zweck der Erzielung eines Nullwerts beim Fotovervielfacher 50 vorgenommen wird, ist eine drehbare Anordnung für die Erzeugung eines alternierenden Lichtwegs vorgesehen. Ein Glasblock 114 und ein verhältnismäßig kurzer Glasblock 116 werden an radial gegenüberliegenden, aus einer durch einen Motor 118 getriebenen Welle herausragenden Armen befestigt. Es ist ein Wellenstellungsdetektor 120 vorgesehen, und der Motor wird synchron mit den Lichtblitzen der Blitzlichtröhre 12 angesteuert, so daß für abwechselnde Blitze der lange Block 114 und der kurze Block 116 im projizierten Teil des Strahlenbündels angebracht sind. Das Licht benötigt langer um durch den langen Block 114 zu gelangen als durch den kurzen Block 116, wodurch bewirkt wird, daß die Zeit, die das Licht benötigt, um durch das Meßgerät zu gelangen, gewobbelt wird.For sweeping the effective length of the light path made for the purpose of obtaining a zero value in the photomultiplier 50, a rotatable arrangement for generating an alternating light path is provided. A glass block 114 and a relatively short glass block 116 are secured to radially opposite arms protruding from a shaft driven by a motor 118. A shaft position detector 120 is provided and the motor is driven in synchronism with the flashes of the flash tube 12 so that for alternate flashes, the long block 114 and the short block 116 are mounted in the projected portion of the beam. The light takes longer to pass through the long block 114 than the short block 116, causing the time required for the light to pass through the meter to be swept.
Die Meßanordnung gemäß Figur 4 arbeitet mit einem optischen Resonator 124 und nicht mit einem Mikrowellenresonator als Wellenlängenstandard. Der optische Resonator 124 ist ein multiples Reflektionssystem, das ein Reflektorpaar 126 und 128 besitzt, die durch Stäbe 130 aus einem wärmebeständigen Material oder aus irgendeinem zweckmäßigen Material je nach gewünschtem Ausdehnungskoeffizienten voneinander getrennt sind. Es ist ein Temperaturfühler 132 vorgesehen, und die Temperatur des optischen Resonators wird auf einem Meßgerät 134 angezeigt, so daß jede zweckmäßige Temperaturkorrektur berechnet werden kann.The measuring arrangement according to FIG. 4 works with an optical resonator 124 and not with a microwave resonator as the wavelength standard. The optical resonator 124 is a multiple reflection system having a pair of reflectors 126 and 128 which are separated by rods 130 of a heat-resistant material or of any suitable material, depending on the desired coefficient of expansion. A temperature sensor 132 is provided and the temperature of the optical resonator is displayed on a meter 134 so that any convenient temperature correction can be calculated.
Ein Ventilator 136 unterstützt den optischen Resonanzkörper bei der Aufrechterhaltung der Umgebungstemperatur. Der optische Resonator hat eine Einlaßöffnung 138 und eine Auslaßöffnung 140. Zur Abstimmung des Modulationshohlraumes werden die beweglichen Spiegel 142 und 144 in den projizierten und reflektierten Strahlenbündelteilen in die in der Figur 4 gezeigten Stellungen gebracht, so daß das projizierte Strahlenbündel über den beweglichen Spiegel 142 und einen weiteren Spiegel 146 zur Eintrittsöffnung 138 des optischen Resonanzkörpers 124 ausgerichtet wird, und das Strahlenbündel von der Austrittsöffnung 140 wird über einen Spiegel 148 und über den beweglichen Spiegel 144 zurück zum Modulationsresonator 22 geschickt. Die gesamte optische Weglänge, die somit erzielt wurde, beträgt 10 m, wodurch eine Empfindlichkeit von bis zu einem Millionstel erreicht werden kann. Die Abstimmschraube 73 wird solange nachgeregelt, bis das Synchronnachweisgerät 78 anzeigt, daß eine Phasenverriegelungseinheit 150 die Modulations-Halbwellenlänge auf 100mm blockiert hat. Wie bei der Meßanordnung gemäß Figur 1 zum Nachweis der Modulationsfrequenz wird die Frequenz durch einen Varaktor gewobbelt, der dem Varaktor 82 gemäß Figur 1 ähnlich ist, oder durch ein bewegliches Blindleistungsbauelement ähnlich dem der oszillierenden Tauchkernspule 102 in Figur 1. Sobald der Modulationsresonator 22 abgestimmt ist, werden die beweglichen Spiegel 142 und 144 so gedreht, daß das projizierte Strahlenbündel zum Zielreflektor übertragen werden kann und das reflektierte Strahlenbündel zum Modulationsresonator zurückgeworfen wird.A fan 136 assists the optical resonator in maintaining the ambient temperature. The optical resonator has an inlet port 138 and an outlet port 140. To tune the modulation cavity, the movable mirrors 142 and 144 in the projected and reflected beam portions are brought into the positions shown in Figure 4 so that the projected beam is transmitted through the movable mirror 142 and another mirror 146 is aligned with the entrance aperture 138 of the optical resonator body 124, and the beam from the exit aperture 140 is sent back to the modulating resonator 22 via a mirror 148 and via the movable mirror 144. The total optical path length thus achieved is 10 m, which can achieve sensitivity of up to one millionth. The tuning screw 73 is readjusted until the synchronous detector 78 indicates that a phase lock unit 150 has blocked the modulation half-wavelength to 100mm. As in the measuring device of FIG. 1 for detecting the modulation frequency, the frequency is swept by a varactor similar to the varactor 82 of FIG. 1 or by a movable reactive power device similar to that of the oscillating plunger coil 102 in FIG. 1. Once the modulation resonator 22 is tuned , the movable mirrors 142 and 144 are rotated so that the projected beam can be transmitted to the target reflector and the reflected beam is reflected back to the modulation resonator.
In der Meßanordnung gemäß Figur 4 wird die gesamte Haupteinheit 8 in bezug auf die Skale 152 gleitbar angebracht, und eine Noniusskale 154 ist ebenso vorgesehen, so daß auf einen variablen Lichtweg gemäß Figur 1 verzichtet werden kann. Bei einer Modifikation der Meßanordnung gemäß Fig.4 durch in gewisser Weise Neuanordnung der Reflektoren 142 und 144 kann der optische Resonator als permanenter Bestandteil des Lichtübertragungswegs integriert werden. In diesem Fall kann die Haupteinheit 8 dadurch kalibriert werden, daß der Zielreflektor mit der Front der Haupteinheit 8 in Berührung gebracht wird, wobei die Reflektoren 146 und 148 in seitlicher Richtung geringfügig justiert werden können, um sicherzustellen, daß die Modulations-Halbwellenlänge genau 100mm beträgt, wenn die Phasenverriegelung beibehalten wird. Der Vorteil dieser Modifikation besteht darin, daß, wenn die optische Weglänge im optischen Resonanzkörper z. B. 10m und die Frequenzänderung zwischen den abwechselnden Impulsen der Modulatorwobbelung Vsooo beträgt, dann kann ohne die Verwendung des mechanischen Lichtwegalternators unter Nutzung der Glasblöcke 114 und 116 eine angemessene Empfindlichkeit erreicht werden.In the measuring arrangement according to FIG. 4, the entire main unit 8 is slidably mounted with respect to the scale 152, and a vernier scale 154 is likewise provided, so that a variable light path according to FIG. 1 can be dispensed with. In a modification of the measuring arrangement according to FIG. 4 by somewhat arranging the reflectors 142 and 144, the optical resonator can be integrated as a permanent component of the light transmission path. In this case, the main unit 8 can be calibrated by contacting the target reflector with the front of the main unit 8, whereby the reflectors 146 and 148 can be slightly adjusted in the lateral direction to ensure that the modulation half-wavelength is exactly 100mm when the phase lock is maintained. The advantage of this modification is that when the optical path length in the optical resonator z. 10m and the frequency change between the alternating pulses of the modulator sweep Vsooo is, then adequate sensitivity can be achieved without the use of the mechanical light path alternator utilizing the glass blocks 114 and 116.
Der veränderbare optische Weg, der durch die Meßanordnung einschließlich der Glasblöcke 114 und 116 möglich wird, kann in die Meßanordnung gemäß Figur 1 eingefügt werden, so daß auf die.Verwendung des Schwingprismas 28 verzichtet werden kann. Des weiteren kann der unter Bezugnahme auf Figur 4 beschriebene optische Resonator — anstelle des Mikrowellen-Hohlraumresonators 72'— auch in der Meßanordnung gemäß Figur 1 eingesetzt werden.The variable optical path, which is made possible by the measuring arrangement including the glass blocks 114 and 116, can be inserted into the measuring arrangement according to FIG. 1, so that the use of the oscillating prism 28 can be dispensed with. Furthermore, instead of the microwave cavity resonator 72 ', the optical resonator described with reference to FIG. 4 can also be used in the measuring arrangement according to FIG.
Während verschiedene Ausführungsformen und Modifikationen der unterschiedlichen erfindungsgemäßen Aspekte oben beschrieben wurden, muß eingeschätzt werden, daß andere Modifikationen und Entwicklungen innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung möglich sind.While various embodiments and modifications of the various aspects of the invention have been described above, it will be appreciated that other modifications and developments are possible within the scope of the invention.
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