DE2413319A1 - Optisches messverfahren und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

• Optisches Meßverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein optisches Meßverfahren zur Abstandsmessung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Auf vielen Gebieten der Technik ist es erforderlich, den Abstand zwischen zwei relativ zueinander bewegten Körpern oder Flächen laufend mit großer Genauigkeit zu messen. Von besonderer Wichtigkeit ist diese Aufgabe bei den sogenannten Magnetplattenspeichern, bei denen ein Magnetkopf radial in bezug auf eine schnell rotierende Magnetspeicherplatte mit möglichst gleichbleibendem Abstand zwischen Kopf und Platte steuerbar verschoben wird. Dieser Abstand kann theoretisch durch geeignete Ausbildung der die Strömungsverhältnisse zwischen Kopf und Platte bestimmenden Flächen aufgrund der Bernoulli-Gleichung bestimmt werden. In der Praxis hat es sich aber gezeigt, daß die Inhomogenitäten selbst bei mit höchster Genauigkeit bearbeiteten Platten so groß sind, daß Schwankungen und Instabilitäten der Relativlage zwischen Kopf und Platte nicht zu vermeiden sind. Zur Sicherstellung der Konstanz des Abstandes zwischen Magnetkopf und Magnetplatte hat es sich daher als notwendig erwiesen, Servoeinrichtungen vorzusehen, die eine laufende, die Funktion der Magnetplattenspeicher nicht störende Messung zur Voraussetzung haben. Die in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaft erscheinenden optischen Meßverfahren und Meßgeräte erscheinen für die Lösung der vorliegenden Aufgabe wenig geeignet, da sie entweder zu ungenau oder, wie die dies vor allen Dingen bei den interferrometrischen Meßverfahren der Fall ist, nur für bestimmte, eng begrenzte Meßbereiche sinnvoll sind. Ein weiterer Nachteil aller in diesem Zusammenhang verwendbar erscheinenden bekannten Verfahren ist der erforderliche hohe konstruktive Aufwand sowie ihre Störanfälligkeit, die sie für die laufende Uberwachung des Betriebes von Magnetplattenspeichern ungeeignet machen.
• Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein optisches Verfahren zur Abstandsmessung zwischen bewegten Flächen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, die bei einfachem Aufbau, geringer Störanfälligkeit und großer Genauigkeit den Anforderungen einer ständigen Abstandsmessung zur laufenden Steuerung von Anlagen besonders gewachsen ist.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur optischen Messung von Abständen zwischen bewegten Flächen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß je ein linear polarisierter Strahl auf die beiden Flächen gerichtet wird, deren gegenseitiger Abstand gemessen werden soll, daß die dort reflektierten Strahlen, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen müssen, beispeilsweise durch eine /2-Platte in gegensinnig zirkular polarisierte Strahlen umgewandelt werden, und daß diese Strahlen paarweise über je einen Polarisator zwei Photodetektoren zur Anzeige der Phasenlage der beiden linear polarisierten Strahlen zugeführt werden.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
• Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung eines Plattenspeichers mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung Fign. 2 und 3 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
• In Fig. 1 wird ein an sich bekannter Magnetplattenspeicher mit schwebenden Magnetköpfen dargestellt. Der in dieser Figur schema tisch dargestellte Speicher besteht aus einer mit einem Oxyd überzogenen Platte 10, die auf einer durch einen nicht dargestellten Motor angetriebenen Spindel 11 mittels eines Freigabemechanismus 12 befestigt ist. Der Magnetkopf 13 ist unter einem Block 14 befestigt, der von einem sich in radialer Richtung erstreckenden Arm 15 getragen wird. Das andere Ende dieses Arms ist mit einer in einem Gehäuse 16 untergebrachten Vorrichtung zur steuerbaren Verschiebung des Magnetkopfes verbunden. Auf der Magnetplatte befinden sich in Form von konzentrisch verlaufenden magnetischen Mustern dargestellte Daten. Der Magnetkopf kann durch eine radiale Verschiebung auf jede dieser konzentrischen Spuren eingestellt werden. Der Abstand zwischen benachbarten Flächen des Magnetkopfes und der Oxydschicht der Magnetplatte wird durch verschiedene Faktoren, beispielsweise durch den Bernoulli-Effekt der unter dem Magnetkopf rotierenden Platte bestiimnt. Da die Oxydoberfläche nicht glatt genug ist, um als eben in bezug auf die für die Gültigkeit der Bernoulli-Gleichung erforderlichen Randbedingung betrachtet zu werden, wird eine Vorrichtung benötigt, die diesen Abstand in dynamischer Weise überwacht. Da die Bewegungen der zu überwachenden Flächen in mehreren Freiheitsgraden verlaufen und da ein Minimum an Rückwirkung auf das System unabdingbar ist, wurde ein interferrainetrisches Verfahren gewählt.
• Zu diesem Zweck werden nicht dargestellte Spiegel am Block 14 befestigt, mit deren Hilfe zwei von einer über dem Gehäuse 16 angeordneten optischen Vorrichtung 17 ausgehende Strahlen einmal senkrecht auf den Magnetkopf 13 und einmal senkrecht auf die Oxydschicht in der Nähe des Magnetkopfes gerichtet werden. Die an diesen Flächen reflektierten Strahlen gelangen über die gleichen Spiegel zurück zur optischen Vorrichtung 17. Es hat sich herausgestellt, daß die reflektierenden Eigenschaften der Oxydschicht für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ausreichend waren, während am Magnetkopf selbst eine kleine reflektierende Fläche angebracht werden mußte, die parallel zur unteren Fläche des Kopfes und zu dem von dieser Fläche und der Oxydschicht gebildeten Spalt liegt. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die von der Meßvorrichtung ausgehenden Rückwirkungen auf das zu überwachende System genügend klein gehalten werden.
• In Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Weise dargestellt, wobei die am Block 14 angeordneten Spiegel zur Erhöhung der Übersichtlichkeit weggelassen wurden.
• Die Vorrichtung besteht aus einem Laser 20 zur Erzeugung eines monochromatischen kohärenten Lichtstrahls 21, der beim Durchtritt durch einen Polarisator 22 in einen linear polarisierten Strahl 23 umgewandelt wird. Dieser Strahl wird durch einen Strahlenteiler 24 in zwei ebenfalls linear polarisierte Strahlen 25 und 26 aufgespalten, die nach Durchtritt durch Phasenplatten 27 und 28 und nach Reflektion an reflektierenden Flächen 29 und 30 zum Strahlenteiler zurückgelangen. Während die reflektierende Fläche 29 keine seitliche Versetzung des Strahls bewirkt, erfährt dieser Strahl an der reflektierenden Fläche 30 eine seitliche Versetzung, so daß beim zweiten Auftreffen auf den Strahlenteiler 24 zwei parallel zueinander versetzte linear polarisierte und monochromatische Strahlen 31 und 32 entstehen, deren Polarisationsebene senkrecht aufeinander stehen. Diese Strahlen verlaufen entlang des Armes 15 und werden durch die nicht dargestellten, am Block 14 vorgesehenen Spiegel einerseits auf den Magnetkopf 13 und andererseits auf die Oxydschicht der Platte 10 gerichtet. Die an diesen Flächen reflektierten Strahlen 33 und 34 gelangen über die am Block 14 vorgesehenen Spiegel entlang des Armes 15 zur optischen Vorrichtung 17, wo sie durch Spiegel 35 und 36 durch eine Phasenplatte 38 zu einem zweiten Strahlenteiler 37 abgelenkt werden. Durch den Strahlenteiler 37 werden vier Strahlen erzeugt, von denen die Strahlen 39 und 40 aus dem Strahl 33 und die Strahlen 41 und 42 aus dem Strahl 34 entstehen.
• Die Strahlen 39 und 42 werden durch Reflektion an der spiegelnden Fläche 43 jeweils um gleiche Beträge, jedoch in entgegengesetzter Richtung, seitlich versetzt, während die Strahlen 40 und 41 an der reflektierenden Fläche 44 ohne seitliche Versetzung reflektiert werden. Auf diese Weise werden durch den Strahlenteiler 37 zwei Ausgangsstrahlen 45 und 46 erzeugt, von denen der Strahl 45 die Strahlen 39 und 41 und der Strahl 46 die Strahlen 40 und 42 enthält. Eine der aneinander gleichen Strahlen 45 und 46, beispielsweise der Strahl 46, wird durch eine Blende unterbrochen, während der andere Strahl 45 auf einen weiteren Strahlenteiler 47 fällt und die Strahlen 48 und 49 bildet. Der Strahl 48 durchsetzt einen Polarisator 52 und fällt auf einen Photodetektor 53, während der Strahl 49 einen Polarisator 54 durchsetzt und auf einen Photodetektor 55 fällt.
• Die am Ausgang der Photodetektoren 53 und 55 auftretenden Signale stellen zwei zwei frequenzmodulierte identische sinusförmige Wellenzüge dar, die um 900 gegeneinander phasenverschoben sind.
• Die Modulation ist ein Maß für die Phasendifferenz in den optischen Wegen. Bei richtiger Einstellung der Vorrichtung ist sie dem doppelten Abstand zwischen der reflektierenden Fläche am Magnetkopf 13 und der Oxydschicht auf der flagnetplatte 10 proportional. Diese Signale werden über Leitungen 56 und 57 einer Anzeige vorrichtung 58 zugeführt, die im einfachsten Falle aus einer Verstärkerstufe, einer Detektorstufe und einer Wiedergabestufe zur Darstellung der den beiden Wellenformen entsprechenden Lissajous-Figuren besteht.
• Es ist ohne weiteres einleuchtend, daß die im vorgehenden beschriebene Vorrichtung ein Maß für den Abstand der beiden Flächen mit dopptelter Empfindlichkeit liefert, da die auf die Änderung des Abstandes aufgrund der geometrischen Anordnung der Einzelelemente entstehende Phasenverschiebung in jedem Strahl zweimal auftritt und in der Detektorstufe erneut verdoppelt wird.
• Im folgenden wird eine theoretische Deutung der Wirkungsweise des beschriebenen Ausführungsbeispiels gegeben. Die auf die Phasenplatte 38 der Detektoreinheit auffallenden Strahlen 33 und 34 sind linear polarisiert, ihre Polarisationsebenen bilden einen rechten Winkel. Es wird angenommen, daß zwischen diesen Strahlen wegen der unterschiedlichen Länge der optischen Wege zu dem Magnetkopf 13 und der Magnetplatte 10 eine Phasendifferenz von 2d besteht. Ferner sei angenommen, daß die Referenzachsen parallel zu den schnellen Achsen F und den langsamen Achsen S (niedrigere und höhere Brechungsindizes) der Phasenplatte 38 liegen.
• Weiterhin wird davon ausgegangen, daß die Polarisationsebenen der einfallenden Strahlen mit den Achsen der Phasenplatte einen Winkel e bilden, wobei die Polarisationsebene des einen Strahls einen Winkel 6 mit der schnellen Achse und die Polarisationsebene des anderen Strahls einen Winkel (3 mit der langsamen Achse bildet. Die Parameter des Lichtes werden durch den Term (ßt bestimmt, wobei w gleich 2f ist, mit f gleich der Frequenz der Strahlung. Die Komponenten der beiden auf die Phasenplatten auftreffenden Strahlen können gemäß der oben angegebenen Beziehung definiert werden als: Strahl 34 Strahl 33 F A Cos 6 Cos (cot + d) B Cos (3 Cos (wt - d) S A Sin (3 Cos (wt + d) B Sin 6 Cos (wt - d) Die Phasenplatte 38 ist so ausgebildet, daß bei Strahlen, die sie parallel zu den langsamen und schnellen Achsen durchsetzen, eine Phasenverschiebung von 900 entsteht. Die auftretenden Strahlen werden durch die Gleichungen definiert: F A Cos (3 Cos (wt + d + 90) B Cos 6 Cos (t - d + 90) S A Sin 6 Cos (wt + d) B Sin (3 Cos (t - d) Zweckmäßigerweise wird eine Phasendifferenz von 2¢ miteingeschlossen, durch die die konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung berücksichtigt wird. Die am Strahlenteiler eintreffenden Strahlen werden durch die Ausdrücke gekennzeichnet: F A Cos # Cos (wt + d + 90 + 4)) B Cos 0 Cos (wt - d + 90 - 4)) S A Sin # Cos (wt + d + 4)) B Sin 6 Cos (wt - d - 4)) Während der Ausrichtung des Instrumentes werden die Intensitäten der Strahlen an der Phasenplatte 38 egalisiert, so daß A=B und da Cos (0 + 90) = -Sin # können die zuletzt aufgeführten Gleichungen reduziert werden zu: F -A Cos # Sin (#t + d + 4)) -A Cos 0 Sin (#t - d - #) S A Sin 0 Cos (wt + d + #) A Sin 0 Cos (wt - d - #) Die Summation im Strahlenteiler bewirkt F + F = FF und S + S = SS daraus folgt FF -2A Cos 0 Sin (d + #) Cos wt und SS 2A Sin 0 Cos (d + #) Cos wt Weiterhin wird während des Ausrichtens # gleich 45°, so daß 45 durch seine Komponenten wiedergegeben wird FF -2A Sin (d + #) Cos wt SS 2A Cos (d + #) Cos wt #2 Dieser Strahl ist gemäß den in Phase befindlichen Cos wt-Termen linear polarisiert, die Polarisationsebene dreht sich aber, wie durch die Sin- und Cos-Terme angegeben, mit d und 4). Die Wiederholungsperiode dieser Drehung beträgt 27r-Radian. Die Polarisatoren 52 und 54, die zur Feststellung der optischen Polarisation dienen, übertragen linear polarisierte Strahlen zu den Photozellen, deren Wiederholungsperiode in d lediglich 7r-Radian beträgt. Durch diesen Umstand wird die Empfindlichkeit des Interferometers weiter gesteigert.
• In Fig. 3 wird eine Vorrichtung dargestellt, die, bis auf einen vibrierenden Spiegel 70, durch den die Justierung der Vorrichtung erleichtert wird, und eine bessere Ausnutzung der Detektoranordnung, der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung gleicht. Im Verlauf der Strahlen 33 und 34 sind Spiegel 70 und 71 vorgesehen, von denen der Spiegel 70 steuerbar in Schwingung versetzt werden kann und der Spiegel 71 fest angeordnet ist. Diese zusätzlichen Maßnahmen haben den Vorteil, daß man bei ruhender Magnetplatte und bei ruhendem Magnetkopf künstlich eine Bewegung einführt, durch die das gewünschte Signal erzeugt wird. Auf diese Weise wird die Voreinstellung der Vorrichtung erleichtert. Weiterhin wurde die Detektoranordnung nach Fig. 2 zur Erhöhung der Wirksamkeit vereinfacht. Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung geht die Hälfte des zur Verfügung stehenden Lichtes durch Unterdrückung des Strahles 46 verloren, während dieser Strahl bei der in Fig. 3 wiedergegebenen Vorrichtung verwendet wird. Die Strahlen 33 und 34 treffen nach ihrem Durchtritt durch die Phasenplatte 38 auf einen Strahlenteiler 72 von zwei verschiedenen Seiten und in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen auf, wobei der Strahl 34 durch einen Spiegel 73 um einen rechten Winkel abgelenkt wird. Die Strahlen verlaufen vom Strahlenteiler 72 unmittelbar zu den Polarisatoren 52 und 54 sowie zu den Photodetektoren 53 und 55.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Erfindungsgedankens wird als Lichtquelle ein Laser verwendet, der eine Vorrichtung zur Drehung der Polarisationsebene enthält. Dieser linear polarisierte, monochromatische und koharente Strahl wird unmittelbar auf einen polarisationsempfindlichen Strahlenteiler gerichtet, in dem zwei linear polarisierte Lichtstrahlen entstehen, deren Polarisationsebene senkrecht zueinander stehen. Die relativen Intensitäten können durch den Laserpolarisator gesteuert werden.
• Zur Umlenkung der beiden Lichtstrahlen werden reflektierende Flächen benützt.
• Es hat sich gezeigt, daß durch den Strahlenteiler 24 Störungen erzeugt werden, die indessen bei Ausgestaltung der reflektierenden Flächen 35, 73 als Chrom-Glaselemente weitgehend kompensiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, den Polarisator 52 drehbar am Eingang -zum Photodetektor 53 und den Polarisator 55 drehbar am Eingang zum Photodetektor 55 zu montieren. Die Einstellung der Vorrichtung erfolgt bei vibrierendem Spiegel 70 am vorteilhaftesten mit Hilfe eines Oszillographen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat sich insbesondere auch bei der Eichung von Mikrometern und von Beschleunigungsmessern für kleines g als besonders vorteilhaft erwiesen. Auch Untersuchungen von Verzerrungen können mit der beschriebenen Vorrichtung in vorteilhafter Weise durchgeführt werden.

Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE

1. Optisches Meßverfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß je ein linear polarisierter Strahl auf die beiden Flächen, deren gegenseitiger Abstand gemessen werden soll, gerichtet wird, daß die dort reflektierten Strahlen, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen müssen, beispielsweise durch A/2-Platten in gegensinnig zirkular polarisierte Strahlen umgewandelt werden, und daß diese Strahlen paarweise über je einem Polarisator zwei Photodetektoren zur Feststellung der gegenseitigen Phasenlage zugeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsebene des in die beiden Teilstrahlen aufzuspaltenden Strahls drehbar ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (20, 22) zur Erzeugung eines linear polarisierten Strahls (23), einen Strahlenteiler (24) und diesem zugeordnete reflektierende Flächen (29, 30) zur Erzeugung von zwei parallel gegeneinander verschobenen Meßstrahlen (31, 32) sowie zwei zwischen Strahlenteiler und reflektierenden Flächen angeordnete Phasenplatten (27, 28), eine weitere im Wege des von den zu vermessenden Flächen reflektierten Lichtes angeordnete Phasenplatte (38), einen im Verlauf der die Phasenplatte verlassenden Strahlen angeordneten Strahlenteiler (37) und mit diesem zusammenwirkende reflektierende Flächen (43, 44), die gemeinsam mit dem Strahlenteiler die beiden von den zu vermessenden Flächen reflektierten Strahlen (33, 34) zu einem einzigen Strahl vereinen, und durch einen im Verlauf dieses Strahls angeordneten Strahlenteiler, von dem jeweils ein Teilstrahl über einen ersten Polarisator (52) zu einem ersten Photodetektor (53) und ein zweiter Teilstrahl (49) über einen zweiten Polarisator (54) zu einem zweiten Photodetektor (55) gelangt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der im Verlauf der von den zuLvermessenden Flächen reflektierten Meßstrahlen angeordneten Umlenkspiegel (70) steuerbar in Schwingungen versetzbar ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (20) als ein einen monochromatischen linear polarisierten Lichtstrahl mit drehbarer Polarisationsebene erzeugender Laser (20) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Erzeugung zweier monochromatischer linear polarisierter Lichtstrahlen mit senkrecht zueinander liegenden Polarisationsebenen, durch Elemente zum Sammeln, zum zirkularen Polarisieren und Kombinieren der reflektierten Anteile der Strahlen und durch Anordnungen zur Feststellung der Drehung der Polarisationsebene des sich ergebenden Strahls in bezug auf eine vorgegebene Lage.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 6, gekennzeichnet durch einen Laser und einen drehbar angeordneten Polarisator, einen polarisationsabhängigen Strahlenteiler und reflektierende Flächen.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 7, gekennzeichnet durch sammelnde reflektierende Flächen, eine gemeinsame Phasenplatte, eine räumlich einstellbare reflektierende Fläche, einen Strahlenteiler, Polarisatoren und Photodetektoren.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Photodetektor einen eigenen, vor ihrem Eingang drehbar angebrachten Polarisator aufweist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die Meßstrahlen erzeugende Strahlenteiler und mindestens eine der reflektierenden Flächen so ausgebildet sind, daß sie am jeweils anderen Element auftretende Fehler kompensieren.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der die Meßstrahlen erzeugende Strahlenteiler polarisationsabhängig ist und daß die räumlich einstellbare reflektierende Fläche aus einem mit einer Chromschicht überzogenen Glaskörper besteht.

12. Vorrichtung nach einem und mehreren der Ansprüche 3 bis 11, gekennzeichnet durch einen Magnetplatten speicher mit schwebendem Magnetkopf, durch eine Anordnung zur Erzeugung von zwei monochromatischen linear polarisierten Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen, durch Spiegel zum reflektieren dieser Strahlen auf je eine Fläche der Magnetplatte und des Magnetkopfes, Vorrichtungen zur Abnahme, zur zirkularen Polarisation und zur Kombination der reflektierten Strahlen und durch Vorrichtungen zur Messung der Drehung der Polarisationsebene des sich ergebenden Strahles in bezug auf eine vorgegebene Richtung.