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B München 22. Sle'.ncdorfstr. 10B Munich 22. Sle'.ncdorfstr. 10
23.Oktober 197523rd October 1975
Commissariat ä 1' Energie AtomiqueParis (Prankreich)Commissariat ä 1 'Energie AtomiqueParis (France)
Meßanordnung "zum Messen'von PhasenverschiebungenMeasuring arrangement "for measuring phase shifts
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zumMessen der durch ein System zur Phasenverschiebung bei einer elektromagnetischen Strahlung ausgelösten PhasenverschiebungThe invention relates to a measuring arrangement forMeasuring the phase shift caused by a system for phase shifting electromagnetic radiation
Der erfindungsgemäß ausgebildeten Meßanordnung stehenzahlreiche Anwendungen offen, von denen hier nur insbesonderedieMessungder Elektronendichte in einem Plasma, die Messung von'Brechungsindizes, die Messung von Veränderungenin den Abmessungen mechanischer Bauteile und Messungen auf meteorologischem Gebiet als Beispielegenannt' seien. ·The measuring arrangement designed according to the invention are availablenumerous applications are open, of which only measurement in particularthe electron density in a plasma, the measurement of 'refractive indices, the measurement of changesin the dimensions of mechanical components and measurements in the meteorological field as examplesbe called '. ·
Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Einwirkungen,die eine Strahlung bei ihrem Durchgang durch ein phasenverschiebendes System oder bei Berührung mit einem solchenIt has already been suggested that the actionsone radiation when it passes through a phase-shifting system or when it comes into contact with such a system
409819/103409819/103
System erfährt, mit Hilfe interferometrischer Verfahrenzu messen. Diese Verfahren sind insbesondere bei der Untersuchung von Plasmen angewandt worden. Siearbeiten im allgemeinen mit einer beispielsweise von einem Laser gelieferten einfallenden Welle, die in zweiTeilwellen mit gleicher Frequenz aufgeteilt wird, von denen die eine den mit dem Durchgang durch dasPlasma verbundenen Effekten ausgesetzt wird, während die andere keinerlei Veränderung erfährt und daher alsBezugswelle dienen kann. Beispiele für interferometr.ischeVorrichtungen, die zur-Durchführung dieser Verfahrendienen können, finden sich in den US-PSen 3 510 665·und 3 539 262. Bei diesen bekannten Anordnungen können die einfallenden Wellen, die von einem Laser stammen,zwei verschiedene Frequenzen enthalten, die mit zwei verschiedenen Schwingungsmoden im Laser gekoppelt sind,wobei jedoch diese Frequenzen das Plasma alle beide durchqueren. Diesen bekannten Verfahren und Anordnungenfehlt es jedoch an der für bestimmte Messungen zu fordernden Genauigkeit.System learns with the help of interferometric methodsto eat. These methods have been used in particular in the investigation of plasmas. shegenerally work with an incident wave supplied by, for example, a laser, which is divided into twoPartial waves are split with the same frequency, one of which is the one with the passage through thePlasma related effects is exposed, while the other experiences no change and therefore asReference shaft can serve. Examples of interferometricDevices that are used to carry out these procedurescan be found in U.S. Patents 3,510,665and 3 539 262. In these known arrangements, the incident waves originating from a laser can becontain two different frequencies that are coupled with two different oscillation modes in the laser,however, these frequencies both traverse the plasma. These known methods and arrangementsHowever, the accuracy required for certain measurements is lacking.
Zur Vergrößerung der mit diesen bekannten Anordnungenerzielbaren Genauigkeit ist bereits vorgeschlagen worden, den Bezugsstrahl· beispielsweise mit Hilfe eines einePendelbewegung ausführenden Spiegels periodisch abzulenken und eine Fourier-AnaIyse für die auf das Interferometerübertragene Leistung durchzuführen; daraus kann man dann die von einer der beiden Teilwellen im'Interferometer erfahrene Phasenverschiebung herleiten. Hinsichtlich der Einzelheiten dieser Arbeitsweise kannauf einen von JrN. Olsen unter dem Titel "Fractional FringeHCN Laser-Interferometer" in der Zeitschrift "The ReviewTo enlarge the arrangements known with theseachievable accuracy has already been proposed, the reference beam · for example with the help of aPeriodically deflect the pendulum motion executing mirror and a Fourier analysis for the on the interferometerperform the transferred service; from this one can then use one of the two partial waves in the 'Interferometer derive phase shift experienced. Regarding the details of this mode of operationon one of JrN. Olsen under the title Fractional FringeHCN Laser Interferometer "in" The Review
of Scientific Instruments", "Band 42, Nummer 1, Janauar 1971»Seite 104, veröffentlichten Aufsatz Bezug genommenwerden. Dieses Verfahren ist jedoch wegen der an demerfaßten Signal durchzuführenden Fourier-Analyse in seiner Durchführung sehr kompliziert.of Scientific Instruments "," Volume 42, Number 1, January 1971 »Page 104, published articlewill. However, this procedure is because of thedetected signal to be carried out Fourier analysis in its implementation very complicated.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eineMeßanordnung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, da"ß sie unter Vermeidung der oben geschildertenNachteile "der bekannten Verfahren und Anordnungen diean einer elektromagnetischen Welle durch ein System mit Phasenverschiebung hervorgerufene Phasenverschiebungmit hoher Genauigkeit und auf einfache Weise zu messen gestattet.The invention is therefore based on the object of aTo train the measuring arrangement of the type mentioned in such a way that it can be used while avoiding those described aboveDisadvantages "of the known methods and arrangementsPhase shift on an electromagnetic wave caused by a phase shift systemto be measured with high accuracy and in a simple manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßanordnung eine Quelle für elektromagnetischeStrahlung, die eine Welle der Form χ = a cos wt aussendet, einen mit dieser Weile gespeisten Strahlteiler,der die ihm zugeführte Welle in zwei Teilwellen aufspaltet, ein sich drehendes zylindrisches Beugungsgitter,dem die eine dieser Teilwellen zugeführt wirdund das die Frequenz dieser Teilwelle um eine Größe w' - w= (v/c)w verschiebt, wobei c für die Lichtge-,schwindigkeit und ν für die Komponente der linearenGittergeschwindigkeit entlang der Richtung der Welle an ihrer Auftreffstelle stehen, ein auf dem Wege der einender beiden Teilwellen angeordnetes System zur Phasenverschiebung,das die Phase der ihm zugeführten Welle um den Wert^verschiebt, ein Vereinigungsglied zum erneutenVereinigen d.er beiden in Frequenz und Phase gegeneinanderverschobenen Teilwellen,' einen mit dem von diesem Vereinigungsgliedabgegebenen Strahl gespeisten ersten nichtThis object is achieved according to the invention in that the measuring arrangement has a source for electromagnetic radiation which emits a wave of the form χ = a cos wt, a beam splitter fed with this time, which splits the wave fed to it into two partial waves, a rotating cylindrical diffraction grating , to which one of these partial waves is fed and which shifts the frequency of this partial wave by an amount w '- w = (v / c) w, where c is the speed of light and ν is the component of the linear grating speed along the direction of the Wave stand at their point of impact, a system for phase shifting arranged on the path of one of the two partial waves, which shifts the phase of the wave fed to it by the value^ , a union element to recombine the two partial waves, which are mutually shifted in frequency and phase, 'a first not fed with the beam emitted by this union member
0.8.1-9/10-3-3.0.8.1-9 / 10-3-3.
linearen Detektor, der ein niederfrequentes elektrisches Signal ζ = c cos I ( w' - w) t -fjabgibt und einean den Ausgang dieses Detektors angeschlossene Einrichtung zum Messen der in diesem niederfrequenten elektrischenSignal enthaltenen Phasenverschiebung -f aufweist.. .linear detector which emits a low-frequency electrical signal ζ = c cos I (w '- w) t -fj and has a device connected to the output of this detector for measuring the phase shift -f contained in this low-frequency electrical signal. . .
Das Grundprinzip der Erfindung besteht- darin, die Phasenverschiebung, die gemessen werden soll und diesich auf eine Welle mit sehr hoher Frequenz auswirkt, auf ein niederfrequentes Signal umzusetzen, indem als Bezugswelleeine Welle verwendet wird, deren Frequenz gegenüber der der einfallenden Welle geringfügig verschobenist. Die Schwebungen zwischen diesen beiden in Phase und Frequenz gegeneinander versetzten Wellen lieferndann ein niederfrequentes Signal, das die zu messende Information, nämlich die interessierende Phasenverschiebung enthält* die Messung dieser Größe läßt sich dannjedoch mit hoher Genauigkeit vornehmen, da sich die interessierende Phasenverschiebung in diesem Falle aufein niederfrequentes Signal auswirkt.The basic principle of the invention consists in the phase shift that is to be measured and theaffects a very high frequency wave, converting it to a low frequency signal by acting as a reference wavea wave is used whose frequency is slightly shifted from that of the incident waveis. The beats between these two waves, which are mutually offset in phase and frequency, deliverthen a low-frequency signal that contains the information to be measured, namely the phase shift of interest * the measurement of this variable can then be carried outhowever, make it with high accuracy, since the phase shift of interest occurs in this caseaffects a low frequency signal.
Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, die einen Teilvon Systemen nach Art eines Interferometers bilden unddie Frequenz einer Welle unter Ausnutzung des Doppler-Effektesverschieben. Die einfachste Vorrichtung dieser Art arbeitet mit einer gleichförmigen Bewegung eines derSpiegel, der das Ende des einen Armes des entsprechenden Interferometers bildet. Hinsichtlich der Einzelheitenin Bau und Arbeitsweise einer solchen Vorrichtung kann auf einen von R.W. Peterson unter dem Titel "A far-infraredcoupled-cavity interferometer" in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 18, Nummer 10, 15.5.1971,There are already devices known that a partof systems in the manner of an interferometer andthe frequency of a wave using the Doppler effectmove. The simplest device of this type works with a uniform movement of one of theMirror that forms the end of one arm of the corresponding interferometer. Regarding the detailsthe construction and operation of such a device can be based on one of R.W. Peterson under the title "A far-infraredcoupled-cavity interferometer "in the journal" Applied Physics Letters ", Volume 18, Number 10, May 15, 1971,
^09019/1033^ 09019/1033
Seite 14O, veröffentlichten Aufsatz Bezug genommen werden.Die Arbeitsweise eines solchen Interferometers beruhtim wesentlichen auf einer Variation in der Länge des einen Armes dieses Interferometers. Daher eignet es sich nichtfür permanente Messungen oder für lang andauernde Messungen, da der Spiegel nicht unendlich verschoben werdenkann. In dem oben zitierten Aufsatz ist weiter eine Vorrichtung beschrieben, die einen rotierenden Spiegelenthält. Auch diese Vorrichtung kann Jedoch nicht inPermanenz arbeiten, sondern nur während der kurzen Zeitintervalle,in denen der Spiegel eine passende Läge inBezug auf den Arm des Interferometers einnimmt.Page 14O, published article may be referred to.The operation of such an interferometer is basedessentially due to a variation in the length of one arm of this interferometer. Therefore it is not suitablefor permanent measurements or for long-term measurements, as the mirrors are not displaced infinitelycan. In the article cited above, a device is further described which has a rotating mirrorcontains. However, this device can also not be used inWork permanently, but only during the short time intervalsin which the mirror is a suitable lengthIn relation to the arm of the interferometer.
Weiter ist mit dem Ziel, die Frequenz einer Wellemittels des Doppler-Effekts zu verschieben, und stetsfür einen Einsatz in Vorrichtungen zur Überlagerungsuntersuchungvorgeschlagen worden, ein Streurad zu verwenden. Hinsichtlich der Einzelheiten dieser Methode kannauf einen von M.C. Teich und anderen unter dem Titel"Optimum Heterodyjne detection at 10,6 /Um in photoconductiveGe;Cu"in der Zettschrift Applied Physics Letters,Band 9, Nummer 10, I5.II.I966, Seite 357, veröffentlichtenAufsatz Bezug genommen werden.Bei diesen Vorrichtungen fällt jedoch die gestreute und in ihrer Frequenzverschobene Leistung sehr gering aus; sollen als ursprüngliche Energiequelle Cyanwasserstoffsäurelaser (HCN-Laser)verwendet werden, deren Emissionsleistung von Hause aus sehr klein ist, dann ist es erforderlich, Detektorenvon sehr komplizierter Bauart und schwieriger Handhabungei'rEusetzen.Next is aiming the frequency of a waveby means of the Doppler effect, and alwaysfor use in devices for overlay testingit has been proposed to use a spreader wheel. Regarding the details of this method canon one of M.C. Pond and others under the title"Optimum Heterodyjne detection at 10.6 / Um in photoconductiveGe; Cu "in the Zettschrift Applied Physics Letters,Volume 9, Number 10, I5.II.I966, page 357In these devices, however, the scattered and the frequency dropspostponed performance is very low; are said to be the original source of energy using hydrocyanic acid lasers (HCN lasers)are used whose emission power is inherently very small, then it is necessary to use detectorsof very complicated design and difficult to useexpose yourself.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung einessich drehenden Beugungsgitters gibt ein Mittel an die H and, das den verschiedenen Forderungen der.Praxis besserThe inventive use of arotating diffraction grating provides a means to the hand that better meets the various demands of practice
" 4QS819/1033 *"4QS819 / 1033 *
gerecht wird als die bisher bekannten Vorrichtungen für den gleichen Zweck und insbesondere zu einem' hohenWirkungsgrad führt, wobei keine Veränderung in der Länge des Interferometerarraes, in dessen Zug das Beugungsgittereingefügt ist, erforderlich wird.is fair than the previously known devices for the same purpose and in particular at a 'highEfficiency leads, with no change in the length of the Interferometerarraes, in whose train the diffraction gratinginserted is required.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und. Weiterbildungender Erfindung sind in Unteransprüchen im einzelnengekennzeichnet.Advantageous embodiments and. Advanced trainingof the invention are detailed in the subclaimsmarked.
Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen,in der bevorzugte AusfUhrungsbeispiele für eine erfindungsgemäß ausgebildete Meßanordnung veranschaulichtsind; dabei zeigen in der Zeichnung:For the further explanation of the invention and its advantages, reference is now made to the drawing,illustrated in the preferred exemplary embodiments for a measuring arrangement designed according to the inventionare; show in the drawing:
Fig. 1 ein Gesamtschema für den Aufbau einererfindungsgemäß ausgebildeten Meßanordnung;Fig. 1 is an overall diagram for the construction of ameasuring arrangement designed according to the invention;
Fig. 2 eine erste AusführungsVariante für eineFig. 2 shows a first variant embodiment for a
erfindungsgemäß ausgebildete Meßanordnung, die in ein Interferometer eingefügt ist;measuring arrangement designed according to the invention, which is inserted into an interferometer;
Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Kenngrößen und des Verhaltens,eines in Autokollimation arbeitenden und als Echelette-Gitter ausgebildetenBeugungsgitters;3 shows a graphic representation to illustrate the parameters and the behavior,one that works in autocollimation and is designed as an echelette gratingDiffraction grating;
Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichungdes Meßprinzips für die Messung der Phasenverschiebung-fan einerniederfrequenten Welle;4 shows a graphic representation to illustrate the measuring principle for measuring the phase shift-f on a low-frequency wave;
9819/10339819/1033
ORiaiNAL INSPECTEÖORiaiNAL INSPECTEÖ
Fig, 5 zwei Ausführungsvarianten für eine elektronische Schaltung zur Messung derPhasenverschiebung ^ undFig. 5 shows two design variants for an electronic circuit for measuring thePhase shift ^ and
Fig. 6 eine zweite Ausführungsvariante für denAufbau eines Interferometers mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten. Meßanordnung. ".."■-.." · .~.\~6 shows a second embodiment variant for the construction of an interferometer with one designed according to the invention. Measuring arrangement. ".." ■ - .. "·.~. \ ~
In der Gesamtdarstellung von Fig» 1 gibt eine Strahlungsquelle 2 eine Strahlung"4 ab, deren Form der Formelχ = a cos wt genügt, wobei a die Amplitude des der Welle zugeordneten Feldes und w deren Kreisfrequenz bezeichnen.Durch einen Strahlteiler 6 wird die Strahlungin zwei Teiiwellen 8 und 10 aufgespalten» Eine dieserbeiden· Teilwellen, beispielsweise die Teilwelle 10, gehtdurch eine Vorrichtung 12 hindurch,'die eine in ihrerFrequenz verschobene Welle 14 der Form y = b cos w't abgibt.Die verschobene Welle 14 geht durch ein Milieu-remit "Phasenverschiebung hindurch, aus dem.eine Welle 18der Form u = c1 cos (w't +^) austritt. Hinter demMilieu 16 vereinigt eine optische Einrichtung 20 zurStrahlvereinigung die Welle l8 mit der unverändert gebliebenenTeilwelle 8 zu einem einzigen Strahl 22, der einem Detektor:24 nicht linearer Art zugeführt wird. Anden Ausgang des Detektors 24 ist eine Schaltung 26 fürdie Aufbereitung des vom Detektor 24 aufgefangenen Signalsangeschlossen.In the overall representation of FIG. 1, a radiation source 2 emits radiation "4, the shape of which satisfies the formula χ = a cos wt, where a denotes the amplitude of the field assigned to the wave and w its angular frequency split into two partial waves 8 and 10 'One of these two partial waves, for example partial wave 10, passes through a device 12 which emits a wave 14 of the form y = b cos w't shifted in frequency passes through a milieu remit "phase shift, from which a wave 18 of the form u = c1 cos (w't +^ ) emerges. Behind the medium 16 combines an optical device 20 to the beam combining shaft l8 with the remaining unchanged part of shaft 8 into a single beam 22 to a detector24 of nonlinear type is supplied. A circuit 26 for processing the signal captured by the detector 24 is connected to the output of the detector 24.
Die Strahlungsquelle 2 kann mit Vorteil ein CyanwasserstoffSäurelaser sein, der eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 337 /U abgibt. ·The radiation source 2 can advantageously be a hydrogen cyanideBe an acid laser that emits radiation with a wavelength of 337 / U. ·
Die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung gestaltet sich' in folgender Weise· ... . _The mode of operation of the arrangement shown in FIG. 1 is structured in the following way.... _
4098 19/10334098 19/1033
Der Dtektor 24, der zum einen die Welle 18 derForm x" = a" cos (w't +4) zugeführt erhält und zumanderen mit der Teilwelle 8 der Form x1 = a' cos wtgespeist wird, erzeugt seinerseits ein Signal derForm:The detector 24, which on the one hand receives the wave 18 of the form x "= a" cos (w't +4 ) and on the other hand is fed with the partial wave 8 of the form x1 = a 'cos wt, in turn generates a signal theshape:
OOOO
(x" + x1)2=-^—±^I— + a'. a" cos £(w'-w) t - f J.(x "+ x1 )2 = - ^ - ± ^ I- + a '. a" cos £ (w'-w) t - f J.
Die in diesem Signal enthaltene frequenz^junabhängigeKomponente kann ohne weiteres eliminiert werden. Die außerdem vorhandene niederfrequente Komponente enthältdie zu messende Phasenverschiebung-f. Die Messung dieserPhasenverschiebungψgestaltet sich sehr einfach, dasie sich auf eine Welle niederer Frequenz (wf - w) und nicht mehr auf die ursprüngliche hochfrequente Welle 18der Form cos (w' t + -f )bezieht. Die Messung der Phasenverschiebungf wird in der Schaltung 26 in unten im einzelnen erläuterter Weise vorgenommen.The frequency-dependent component contained in this signal can easily be eliminated. The low-frequency component also present contains the phase shift-f to be measured. The measurement of this phase shiftψ is very simple, since it relates to a wave of lower frequency (wf - w) and no longer to the original high frequency wave 18 of the form cos (w 't + -f). The phase shift f is measured in circuit 26 in the manner explained in detail below.
Das Milieu 16 mit Phasenverschiebung kann in der Anordnung von Fig. 1 statt in den Weg der Welle 1Λ ohneweiteres auch in den Weg der Teilwelle 8 eingefügt werden, ohne daß sich dadurch am Arbe\tsprinzip der Meßanordnungetwas ändert. Ebenso kann die Vorrichtung 12 für die Ftfequenzverschiebung nach dem Milieu 16 mit Phasenverschiebungangeordnet werden.The milieu 16 with phase shift can in the arrangement of FIG. 1 instead of in the path of the wave 1Λ withoutfurther can also be inserted into the path of the partial shaft 8 without affecting the working principle of the measuring arrangementsomething changes. The device 12 can also be used for frequency shifting according to the milieu 16 with phase shiftingto be ordered.
Die ganze Anordnung kann mit Vorteil die allgemeine Form eines Interferometers haben, wie dies in Fig. 2 dargestelltist, wo die Vorrichtung 12 zur Frequenzverschiebung beispielshalber als rotier.endes Beugungsgitter ausgebildetist. -The entire arrangement can advantageously have the general form of an interferometer, as shown in FIGis where the device 12 for frequency shifting is designed, for example, as a rotating diffraction gratingis. -
In der Darstellung in Fig.2 stammt die einfallende Welle409819/1033In the illustration in Fig. 2, the incident wavecomes from 409819/1033
.in Form einer Strahlung 4 wiederum von einer Strahlungsquelle2. Eine in den Weg der Strahlung 4 eingefügte semitransparente Platte 30 läßt aus dieser Strahlung 4zwei Teilwellen 32 und 34 entstehen. Die Teilwelle 34wird an einem Beugungsgitter 36 von zylindrischer Ausbildunggebeugt, das in Pig. 2 durch einen Kreis veranschaulichtist. Das BeugungsgitterJ>6wird über einenvon einer Stromquelle 40 gespeisten Motor 38 in Drehungum seine Achse versetzt. Die Teilwelle 34 erfährt amBeugungsgitter 36 eine Umlenkung um 18O° und wird sodann"an der semitransparenten-Platte 30 in Richtung aufeinen nicht linearen Empfänger/reflektiert. Die Teilwelle32 durchquert ein Milieu 16 mit Phasenverschiebungund trifft dann auf einen festen Umlenkspiegel 44,an dem sie. eine totale Reflexion erfährt, durch die sieein zweitesMial durch das Milieu 16 hindurchgeschickt wird,wobei sie durch den doppelten Durchgang durch.das Milieu 16 eine Phasenverschiebung -f erfährt.In the form of a radiation 4, in turn, from a radiation source 2. A semitransparent plate 30 inserted in the path of the radiation 4 allows two partial waves 32 and 34 to arise from this radiation 4. The partial wave 34 is bent at a diffraction grating 36 of cylindrical design, which in Pig. 2 is illustrated by a circle. The diffraction gratingJ> 6 is set in rotation about its axis via a motor 38 fed by a current source 40. The partial wave 34 is deflected by 180 ° at the diffraction grating 36 and is then "reflected on the semitransparent plate 30 in the direction of a non-linear receiver. at which it experiences a total reflection, by means of which it is sent a second time through the medium 16, whereby it experiences a phase shift -f due to the double passage through the medium 16.
Mit strichpunktierten Linien ist in Fig. 2 einezweite semitransparente Platte 50 dargestellt, die miteinem Umlenkspiegel "52 und einem· zweiten Detektor 54von dem Empfänger 42 analoger Bauart gekoppelt ist. Diesemitranspärente Platte 50 nimmt einen Teil der einfallenden Strahlung. 4 und einen Teil der vom. Beugungsgitter36 kommenden Welle auf. Der Detektor 54 gibt daherein niederfrequentes Signal der Form z1 = d cos (wT - w)t:ab, indem die Phasenverschiebung ^ nicht enthalten 1st, · da keiner der den Detektor 54 erreichenden Teilstrahlendurch das Milieu 16 mit Phasenverschiebung hindurchgegangenist. Der Empfänger 42 dagegen gibt entsprechend der vorstehenden Beschreibung ein Signal ζ ab, das diePhasenverschiebung -F enthält und die Form ζ = c cos£w' - w)t -fJ aufweist. Diese beiden Signale.ζ und z'·A second semitransparent plate 50 is shown in dash-dotted lines in FIG Part of the wave coming from the diffraction grating 36. The detector 54 therefore emits a low-frequency signal of the form z1 = d cos (wT - w) t: in that the phase shift ^ is not included, since none of the detector 54 The partial beams reaching the phase shifted through the milieu 16. The receiver 42, on the other hand, emits a signal ζ in accordance with the description above, which contains the phase shift -F and has the form ζ = c cos £ w '- w) t -f J. These two signals, and z '
. 409 819/10 33. 409 819/10 33
werden vom Empfänger 42 bzw. vom Detektor 54 der Schaltung26 zugeführt. In der praktischen Ausführung·wirddas in Fig.2 dargestellte Interferometer geringfügig außer Fluchtung gebracht, um zu vermeiden, daß die Teilwelle32 nach ihrer Reflexion am Umlenkspiegel 44 und an der semitransparenten Platte 30 den Detektor 54 erreichenkann, und es entsteht aufldiese Weise ein abgelenkterStrahl 33· Eine solche Art der Einstellung eines Interferometers ist auf dem Gebiete interferometrischer Messungenhäufig und dem Fachmann durchaus geläufig.are fed from the receiver 42 or from the detector 54 to the circuit 26. In the practical embodiment, the interferometer shown in FIG. 2 is brought slightly out of alignment in order to avoid that the partial wave 32 can reach the detector 54 after its reflection on the deflecting mirror 44 and on the semitransparent plate 30, and in this way a deflected beam 33 Such a type of setting of an interferometer is common in the field of interferometric measurements and well known to the person skilled in the art.
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist, wie noch gezeigt werden wird, die Kombination ausder semitransparenten Platte 50, dem Umlenkspiegel 52und dem Detektor 54 unnötig; diese Bauelemente sind daherin der Darstellung in Fig.2 sämtlich nur in strichpunktierten Linien enthalten. .In a preferred embodiment of the invention, as will be shown, the combination isthe semitransparent plate 50, the deflecting mirror 52and detector 54 unnecessary; these components are thereforein the illustration in FIG. 2 all only contained in dash-dotted lines. .
In optischer Hinsicht ähnelt die Arbeitsweise der JnFig.2 dargestellten Anordnung der oben in Verbindung mit Fig.l beschriebenen Arbeitsweise der Meßanordnung nach 'Fig.l. Darüber hinaus läßt die Darstellung in Fig.2 jedochden Vorteil erkennen, der sich aus der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung eines in Drehung um seine Achseversetzten Beugungsgitters 36 ergibt. Bezeichnet man mit Wdie Winkelgeschwindigkeit für die Rotation des Beugungsgitters 36 um seine Achse und den Radius des Beugungsgitters36 mit R, so berechnet sich die lineare GeschwindigkeitV am Umfang des Beugungsgitters 36 zu V= WR. Fällt die Teilwelle 34 unter einem Einfallswinkel i aufdas Beugungsgitter 36,.so berechnet sich die Komponenteder linearen Geschwindigkeit V des Beugungsgitters 36entlang der Richtung der Teilwelle 34 zu ν = V sin i. DieVisually, the way of working is similar to that of JnFig. 2 shows the arrangement of the method of operation of the measuring arrangement according to 'described above in connection with Fig.Fig.l. In addition, however, the illustration in FIGrecognize the advantage that results from the use provided according to the invention in rotation about its axisoffset diffraction grating 36 results. If one denotes with Wthe angular velocity for the rotation of the diffraction grating 36 about its axis and the radius of the diffraction grating36 with R, the linear speed is calculatedV at the periphery of the diffraction grating 36 to V = WR. If the partial wave 34 falls at an angle of incidence ithe diffraction grating 36, so the component is calculatedthe linear velocity V of the diffraction grating 36along the direction of the partial wave 34 to ν = V sin i. the
4Ö9819/1Q34Ö9819 / 1Q3
auf den Doppler-Effekt zurückgehende Frequenzverschiebungfür die TeilwelleJ>kmit der Kreisfrequenz w ergibtsich dann zu (v/c)w, wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Diese Phasenverschiebung läßt sich unterEinwirkung auf die,die Drehzahl des Motors 38 für denAntrieb des Beugungsgitters 36 bestimmende Stromquelleauf jeden gewünschten Wert einstellen.Frequency shift due to the Doppler effect for the partial waveJ> k with the angular frequency w then results in (v / c) w, where c denotes the speed of light. This phase shift can be set to any desired value under the influence of the current source which determines the speed of the motor 38 for driving the diffraction grating 36.
Als nächstes sollen die Eigenschaften eines in Autokollimationbeschriebenen Beugungsgitters ins Gedächtnis zurückgerufen werden. Dabei ist jedoch klar, daß dieseArt einer Auslösung der Frequenzverschiebung mittels desDoppler-Effektes einen ausgezel· dineten Wirkungsgrad- den des Beugungsgitters für die Beugung der verwendeten. Ordnung - ergibt und keinerlei Modifikation in der Längedes Interferometerarmes mit sich bringt. Außerdem istoffensichtlich,- daß die Meßanordnung ständig in Betrieb 'sein kann,-da das Beugungsgitter im Verlaufe seiner Rotation um seine Achse ständig in der Lage ist, dieTeilwelle 34 in sich selbst zurückzuref Ifcktiereii,.. wasbei einem rotierenden Spiegel natürlich nicht der Fall sein kann. . ;Next, consider the properties of one in autocollimationdescribed diffraction grating can be recalled. It is clear, however, that thisType of triggering the frequency shift by means of theDoppler effect has an individual degree of efficiency- that of the diffraction grating used for diffraction. Order - results in and no modification in lengthof the interferometer arm. Also isobviously, - that the measuring arrangement is constantly in operation 'can be, -as the diffraction grating in the course of its rotation around its axis is constantly able toPartial wave 34 to return to itself Ifcktiereii, .. whatof course, this cannot be the case with a rotating mirror. . ;
Nunmehr sei kurz an das Funktionsprinzip eines inAutokollimation betriebenen Beugungsgitters erinnert.Dazu sind in der oberen Hälfte a von Fig.3 die üblicher-,weise für die Besehreibung der .Beugung eines einfallendenStrahls 60 an einem Gitter 62 verwendeten Größen präzisiert,In dieser Darstellung ist diev Normale auf das Beugungsgitter62 an der Auftreffstelle des Strahls 60 mit N bezeichnet,.Der Einfallswinkel für den Strahl 60 gegenüber dieser Normalen N,führt das Bezugszeichen, i, undder Beugungswinkel ist mit r bezeichnet. Für eine kleineLet us now briefly recall the functional principle of a diffraction grating operated in autocollimation. For this purpose, in the upper half of a 3 shows the customarily, as an incident beam 60 specifies 62 parameters used for the Besehreibung .Beugung to a grid, In this illustration is thev normal to the Beugungsgitter62 at the impingement of the beam 60 denoted by N ,. The angle of incidence for the beam 60 with respect to this normal N, has the reference symbol, i, and the angle of diffraction is denoted by r. For a little one
4 09810/10334 09810/1033
Fläche rund um den Auftreffpunkt des Strahles 6o kanndas Gitter 62 ungeachtet seiner allgemein zylindrischen Ausbildung als eben angesehen werden, so d aß mit derüblichen Formel für Beugungsgitter, nämlich:Area around the point of impact of the beam 6o canthe grid 62, regardless of its generally cylindrical configuration, can be regarded as flat, so d aß with theusual formula for diffraction gratings, namely:
m/L= d (sin i + sin r)m / L = d (sin i + sin r)
gearbeitet werden kann, in der d die Schrittweite des Beugungsgitters, m die Ordnung für die betrachtete Beugungund A die Wellenlänge der einfallenden Strahlung bezeichnen.can be worked, in which d is the step size of the diffraction grating, m the order for the diffraction under considerationand A denotes the wavelength of the incident radiation.
Wird der einfallende Strahl 60 vom Beugungsgitter'62in sich selbst zurückgeworfen, werden also der Einfallswinkel i und der Beugungswinkel einander gleich, soverhält sich das Beugungsgitter 62 in dieser Hinsicht wie ein Reflektor, und man spricht dann von Reflexionnach Littrow. Diese Autokollimation vollzieht sich inder Ordnung.1 wenn zwischen der Wellenlänge Λ und dem Einfallswinkel i die Beziehung besteht;If the incident beam 60 from the diffraction grating '62thrown back into itself, so the angle of incidence i and the angle of diffraction become equal to each other, see aboveIf the diffraction grating 62 behaves like a reflector in this regard, one speaks of reflectionto Littrow. This autocollimation takes place inof order.1 if the relationship exists between the wavelength Λ and the angle of incidence i;
Λ = 2d sin i 'Λ = 2d sin i '
Ein Teil der einfallenden Strahlung wird micht in sichselbst zurückgeworfen, sondern geht als Beugung anderer Ordnung als 1 verloren, was insbesondere auf den Beugungsstrahlder Ordnung m = 0 zutrifft, dem die sogenannte Spiegelreflexion entspricht. Diese Verluste lassensich jedoch bekanntlich dadurch vermindern, daß geeignete Werte für die Schrittweite des Beugungsgitters undgeeignete Formen für dessen öttfufen gewählt werden. Insbesondereist es entsprechend der Darstellung in der unteren Hälfte b von Fig.3 von Vorteil, dem Winkel θ derPart of the incident radiation is not absorbedreflected back, but is lost as diffraction of a different order than 1, which is particularly due to the diffraction beamthe order m = 0 applies, to which the so-called mirror reflection corresponds. Let these losseshowever, as is known, decrease in that suitable values for the step size of the diffraction grating andsuitable forms for its öttfufen can be selected. In particularit is according to the representation in the lower half b of Fig.3 of advantage, the angle θ of the
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Facetten des Beugungsgitters gegenüber der Tangentean das Beugungsgitter, dem sogenannten Anblaswinkel,die Größe des Einfallswinkels i zu geben, um die für das Beugungsspektrum erster Ordnung abgegebeneIntensität auf ihren Maximalwert zu bringen.Facets of the diffraction grating opposite the tangentto the diffraction grating, the so-called angle of attack,to give the size of the angle of incidence i to that given off for the first order diffraction spectrumBringing intensity to its maximum value.
Auch kann .man die Schrittweite d für das Beugungsgitterso wählen, daß die nachstehende Bedingung erfüllt ist:You can also use the step size d for the diffraction gratingchoose so that the following condition is met:
Dabei läßt sich zeigen, daß unter diesen Bedingungendie einzigen Lösungen der Gittergleichung für m = O .und für m = 1 zu erhalten sind; damit existieren nur die BeugungsOrdnungen 1 und O, wodurch sich die Verlusteentsprechend vermindern.It can be shown that under these conditionsthe only solutions to the lattice equation for m = O.and can be obtained for m = 1; thus only the diffraction orders 1 and O exist, which results in the lossesdecrease accordingly.
Bei einem von der Anmelderin gebauten Ausführungsbeispielfür einen Betrieb mit einer Wellenlänge von 337jawardas Beugungsgitter als Echelette-Gitter ausgebildet undwies Insgesamt 36OO Stufen, also 10 Stufen öder Zähne jeWinkelgrad auf.. Diese Zähne waren normal zur Einfausrichtungdes Lichtes in eine, Metallscheibe eingeschnitten. Der prozentuale Anteil der in sich selbst reflektiertenStrahlungsintensität lag höher als 80$.In an exemplary embodiment built by the applicant for operation with a wavelength of 337yes , the diffraction grating was designed as an echelette grating and had a total of 3600 steps, i.e. 10 steps or teeth per degree of angle , Cut into metal disc. The percentage of self-reflected radiation intensity was greater than $ 80.
Der in Fig. 2 dargestellte Aufbau ist nicht der einzigmögliche» Im Rahmen der Erfindung kann man auch ein Interferometerder Bauart nach Mach-Zehnder verwenden, daszwei versetzte Arme aufweist. Für die Abnahme eines Bezugssignals der Form z1■ = d cos (w' - w)t ist dann einThe structure shown in FIG. 2 is not the only possible one. Within the scope of the invention, an interferometer of the Mach-Zehnder design can also be used, which has two offset arms. For the acceptance of a reference signal of the form z1 ■ = d cos (w '- w) t is then a
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zweiter Detektor hinzuzufügen, der einen Teil der .aufgenommenenV/ellen vor und nach der Frequenzverschiebungzugeführt erhält. Diese zweite A usfuhrungsVarianteder Erfindung ist in Fig. 6 veranschaulicht.to add a second detector that covers part of theV / ellen before and after the frequency shiftreceives fed. This second variantof the invention is illustrated in FIG.
'In der Darstellung in Fig. 6 tragen Bauelemente, dieauch bei der AusfUhrungsVariante nach Fig.2 vorhandensind, die gleichen Bezugszahlen wie dort. Bei dem Ausführungsbeispielnach Fig. 6 teilt eine erste semitransparente Platte 100 die von einer Strahlungsquelle 2gelieferte einfallende Strahlung 4 in zwei Teilwellen 8 und 10 auf. Die Teilwelle 8 geht durch ein Milieu l6mit Phasenverschiebung hindurch, wobei sie eine Phasenverschiebung-t"erfährt, und wird anschließend an einemtotal reflektierenden Spiegel 102 und einer zweiten semitransparentenPlatte 104 zu einem nichtlinearen Empfänger reflektiert. Die Teilwelle 10 wird an.einer semitransparentenPlatte 10δ zu einem Beugungsgitter36umgelenkt,an dem sie eine Frequenzverschiebung erfährt, und gelangt anschließend zum Empfänger 42," Eine weiteresemitransparen,te Platte 108 spaltet einen Teil der Teilwelle 10 ab und führt.ihn einem zweiten nichtlinearenDetektor 54 zu. Eine semitransparente Platte 110 spalteteinen Teil der vom BeugungsgitterJ>6in ihrer Frequenzverschobenen Teilwelle ab und führt diesen abgespaltenen Teil über eine weitere semitransparente Platte 112 ebenfallsdem Detektor 54 zu. Der Detektor 54 gibt daheran eine Schaltung 26 ein Signal der Form z' = d- cos (w1 - w)tab, während der Empfänger 42 die Schaltung 26 miteinem Signal ζ der Form ζ = c cos [(w1 - w)t--f]speist.In the illustration in FIG. 6, components that are also present in the embodiment according to FIG. 2 have the same reference numbers as there. In the exemplary embodiment according to FIG. 6, a first semitransparent plate 100 divides the incident radiation 4 supplied by a radiation source 2 into two partial waves 8 and 10. The partial wave 8 passes through a milieu 16 with a phase shift, where itexperiences a phase shift -t " , and is then reflected on a totally reflecting mirror 102 and a second semitransparent plate 104 to a non-linear receiver Plate 10δ is deflected to a diffraction grating36 , at which it experiences a frequency shift, and then arrives at the receiver 42, "Another semitransparent plate 108 splits off part of the partial wave 10 and feeds it to a second non-linear detector 54. A semitransparent plate 110 splits off part of thepartial wave whose frequency is shifted by the diffraction grating J> 6 and also feeds this split off part to the detector 54 via a further semitransparent plate 112. The detector 54 therefore sends a signal of the form z '= d- cos (w1 - w) t to a circuit 26, while the receiver 42 sends the circuit 26 with a signal ζ of the form ζ = c cos [(w1 - w) t--f] feeds.
Der Vorteil des Aufbaues nach Fig. 6 liegt darin,daß der Detektor 54 nicht von im Milieu 16. einer Phasen-The advantage of the structure according to Fig. 6 is thatthat the detector 54 is not affected by a phase
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verschiebung unterworfener Strahlung getroffen werden kann, so daß die bei der Meßanordnung nach Fig. 2 erforderliehen,kleinen Fehleinstellungen für die AusfUhrungsform nach Fig. 6 entbehrlich sind. -shift subject radiation can be taken, so that the required in the measuring arrangement according to Fig. 2,small incorrect settings for the embodiment according to FIG. 6 can be dispensed with. -
Nach der vorstehenden Erläuterung der optischenEigenschaften einer erfindungsgemäß ausgebildetenweöan- .Ordnung anhand der Darstellungen in Fig. 2 und 6 sollnunmehr die eigentliche Messung der PhasenverschiebungAccording to the above explanation of the optical properties of aw eöan- designed according to the invention. Order based on the representations in FIGS. 2 and 6 is now intended to be the actual measurement of the phase shift
<fausgehend von den vom Empfänger 42 bzw. vom Empfängerabgegebenen elektrischen Signalen erläutert werden.<f will be explained on the basis of the electrical signals emitted by the receiver 42 or by the receiver.
Für'die Extraktion der hasenverschiebung -P aus demSignal ζ muß die Phase dieses Signals ζ mit der Phase desSignals ζ'verglichen werden, das die gleiche FrequenzwJ - w ausweist,, aber den auf die Phasenverschiebungfzurückgehenden Term.nicht enthält. In der Darstellung von Fig.4.sind die beiden niederfrequenten Signale ζ und z' einander p-egenUbergestellt. Dabei gibt die obere Hälfte von Fig.4das Signal ζ wieder, das die Amplitude c und die Kreisfrequenz w'-w aufweist und eine Phasenverschiebung·ΐenthält,während in der unteren Hälfte von Fig.4 das Signal z'mit der Amplitude d und der Kreisfrequenz w'-w dargestelltist. Das Signal ζ geht in einem Zeitpunt t, durch 0, dergegenüber dem Zeitpunkt t für. den Nulldurchgang desSignals z' um die Differenz t, -t- = rf/w'-w verzögert ist.Unter Einführung der Periode T der niederfrequenten Signale läßt sich dl§se Beziehung auch schreiben:For the extraction of the phase shift -P from the signal ζ, the phase of this signal ζ must be compared with the phase of the signal ζ ', which has the same frequency wJ - w, but not the term going backto the phase shift f contains. In the illustration of FIG. 4, the two low-frequency signals ζ and z 'are superposed on each other. The upper half of FIG. 4 reproduces the signal ζ, which has the amplitude c and the angular frequency w'-w and contains a phase shift· ΐ , while in the lower half of FIG. 4 the signal z 'with the amplitude d and the angular frequency w'-w is shown. The signal ζ goes at a time t, through 0, which compared to the time t for. the zero crossing of the signal z 'is delayed by the difference t, -t- = rf / w'-w. By introducing the period T of the low-frequency signals, this relationship can also be written:
Für die Messung der Phasenverschiebung-fkann man dahererfindungsgemäß eine elektronische Schaltung verwenden, fürdie in Fig.5 zwei mögliche Ausführungsvarianten veranschaulichtsind.:, ":According to the invention, an electronic circuit can therefore be used for measuring the phase shift-f, for which two possible design variants are illustrated in FIG.: , ":
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Die erste dieser AusführungsVarianten, die in Fig. 5in der oberen,Halfte dargestellt ist, enthält einenDetektor 70 für die Erkennung des Zeitpunkts t, der Nulldurchgänge des vom Empfänger 42 gelieferten Signals z,einen Detektor 72 für die Erkennung , des Zeitpunkts t der Nulldurchgänge des vom Detektor 5^ geliefertenSignals z1, eine Schaltung 74 zum Messen des Unterschiedszwischen den Zeitpunkten t, und t , einen Frequenzmesser für die Messung der Frequenz w'-w des einen der beidenSignale ζ oder z1, der auch als ein Chronometer fürdie Messung der Periode T der Signale· ζ oder z1 ausgebildetsein kann, und eine Schaltung 78, die an ihrem Ausgang die Phasenverschiebung-Ϋbeispielsweise in Form der^elativwerte '-F/2t[abgibt. .. .The first of these embodiment variants, which is shown in Fig. 5 in the upper half, contains a detector 70 for the detection of the time t, the zero crossings of the signal z supplied by the receiver 42, a detector 72 for the detection of the time t of Zero crossings of the signal z1 supplied by the detector 5 ^, a circuit 74 for measuring the difference between the times t, and t, a frequency meter for measuring the frequency w'-w of one of the two signals ζ or z1 , which is also called a chronometer can be designed for measuring the period T of the signals · or z1 , and a circuit 78 whichoutputs the phase shift -Ϋ at its output, for example in the form of the relative values' -F / 2t [. ...
Die dargestellte Schaltung ermöglicht eine perman/ienteMessung der Phasenverschiebung i . Nun gibt es jedoch Fälle, in denen das Milieu 16 mit Phasenverschietr.,n3 einesehr kurze Lebensdauer aufweist, während der man . die Drehgeschwindigkeit für das Beugungsgitter als bekanntoder sogar als konstant ansehen kann. Die das Beugungsgitter bildende Metallscheibe besitzt nämlich im allgemeineneine erhebliche Trägheit, und ihre Drehzahl bleibt bei " ihrem Antrieb mittels eines aus einer stabilisiertenStromquelle gespeisten Gleichstrommotor^ während mehrerer Sekunden praktisch konstant. Wenn die zur Phasenverschiebungführende Erscheinung eine vorübergehende Erscheinung ist und nur während eines Sekundenbruchteils zur Einwirkungkommt,, ist es sinnlos, in jedem Augenblick mit Hilfe der in Fig. 2 und 6 in strichpunktierten Linien dargestelltenBauelemente das Signal z1 abzuleiten, um schließlicheine Bezugsphase (w'-w)t zur Verfügung zu haben, mit derThe circuit shown enables permanent measurement of the phase shift i. Now, however, there are cases in which the milieu 16 with phase shift., N3 has a very short life, during which one. the speed of rotation for the diffraction grating can be regarded as known or even constant. The metal disk forming the diffraction grating generally has a considerable inertia and its speed of rotation remains practically constant for several seconds when it is driven by a DC motor fed by a stabilized current source When it comes into effect for a fraction of a second, it makes no sense to derivethe signal z 1 at any moment with the aid of the components shown in dash-dotted lines in FIGS the
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Λ dann die Phase (w'-w)t--| des Signals ζ verglichen werdenkann. Man kann dann diese Bezugsphase vor dem Durchgang der Strahlung durch (Las Milieu 16 mit Phasenverschiebung^also vor dessen Einwirkung auf die Phasenlage und zwar mitHilfe des Empfängers 42 gewinnen, indem dann diesePhase unter der Annahme eines bekannten und beispielsweisekonstanten Wertes für die Frequenz wl-w gespeichertwird, wobei diese Annahme weitgehend verifiziert ist, wenn-die zur Phasenverschiebung führende Erscheinung nurkurz ist. Der gleiche Empfänger^42 dient dann anschließendzur Erkennung.des Signals ζ.Λ then the phase (w'-w) t-- | of the signal ζ can be compared. This reference phase can then be obtained with the aid of the receiver 42 before the radiation passes through (Las Milieu 16 with phase shift ^ that is, before it has an effect on the phase position, by then assuming a known and, for example, constant value for the frequency wl -w is stored, this assumption being largely verified if the phenomenon leading to the phase shift is only brief The same receiver ^ 42 then serves to recognize the signal ζ.
Bei dieser vorteilhaften AusführungsVariante kann dieelektronische Schaltung so, aufgebaut sein, wie dies, in Fig.5 in der unteren Hälfte b veranschaulicht ist,wobei Bauelemente, die a'uch in der oben beschriebenenSchaltung gemäß der oberen Häufte a von Fig.5 vorhandensind, die gleichen Bezugszahlen tragen wie dort. EinDetektor 70, der mit einem vom Empfänger 42 geliefertenniederfrequenten Signal gespeist wird; stellt dieNulldurchgänge dieses Signals vor dem Auftreten der zur Phasenverschiebung führenden Erscheinung festJ die entsprechendenZeitpunkte sind den Zeitpunkten t- für" die Nulldurchgänge des nicht in seiner Phase verschobenenSignals ζ! äquivalent. Diese Information wird in eineman den Detektor 70 angeschlossenen Speicher 80 festgehalten. Der Speicher 80 ist außerdem an einen FrequenzmesserJ6angeschlossen, über den er mit der Frequenz- wf - w oderder Periode T gespeist wird, und anhand dieser beidenInformationen lassen sich die Zeitpunkte t für dieNulldürchgänge der Phase (w'-w)t bestimmen. Tritt nundie" zur Phasenverschiebung führende Erscheinung auf, sobestimmt der Detektor 70 immer noch'die Zeitpunkte fürden Nulldurchgang des vom Empfänger 42 abgegebenen Signals,In this advantageous embodiment variant, the electronic circuit can be constructed as shown in FIG are given the same reference numbers as there. A detector 70 fed with a low frequency signal provided by the receiver 42; determines the zero crossings of this signal before the occurrence of the phenomenon leading to the phase shift. The corresponding times are equivalent to the times t- for "the zero crossings of the signal ζ! which is not phase shifted. This information is stored in a memory 80 connected to the detector 70 The memory 80 is also connected to a frequencymeter J6 , via which it isfed with the frequency w f - w or the period T, and on the basis of these two pieces of information the times t for the zero crossings of the phase (w'-w ) t. If the phenomenon leading to the phase shift occurs, the detector 70 still determines the times for the zero crossing of the signal emitted by the receiver 42,
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und diese Zeitpunkte sind diesmal äquivalent den Zeitpunkten t, für die Nulldurchgänge des Signals z.Die so ermittelten Zeitpunkte t, können dann in einer an den Speicher 80 einerseits und den Detektor 70andererseits angeschlossenen Schaltung 74 miteinanderverglichen werden, an deren Ausgang dann ein der Differenz t?-t entsprechendes Signal erscheint.and these times are this time equivalent to the times t, for the zero crossings of the signal z. The times t determined in this way can then be compared with one another in a circuit 74 connected to the memory 80 on the one hand and the detector 70 on the other hand, at whose output a difference t? -t corresponding signal appears.
Bei beiden in Fig.5 dargestellten Ausführungsvarianten für die elektronische Schaltung zur Messungder PhasenverschiebungJwerden die Zeitpunkte für die Nulldurchgänge der niederfrequenten Signalemit Hilfe elektronischer Taktgeber bestimmt, die dem Fachmann bekannt sind. Die Genauigkeit für dieMessung der Differenz t,-t zwischen den Zeitpunktent.und t und damit die Messung der Phasenverschiebung wird im Prinzip .nur durch die Genauigkeit des verwendetenTaktgebers begrenzt. Sie kann daher sehr groß sein, wenn die Schwebungen bei niedriger Frequenz liegen. DieMessung kann in jeder Periode des niederfrequenten Signals oder sogar zweimal in jeder Periode vorgenommen werden,wenn die Zeitpunkte für beide Nulidurchgänge der Signale ζ und z1 bestimmt werden.In the two embodiment variants shown in FIG. 5 for the electronic circuit for measuring the phase shiftJ , the times for the zero crossings of the low-frequency signals are determined with the aid of electronic clock generators, which are known to the person skilled in the art. The accuracy for measuring the difference t, -t between timest. and t and thus the measurement of the phase shift is in principle only limited by the accuracy of the clock generator used. It can therefore be very large if the beats are at a low frequency. The measurement can be made in each period of the low-frequency signal or even twice in each period if the times for both zero crossings of the signals ζ and z1 are determined.
Auf diese Weise konnte die Anmelderin beispielsweise eine bessere Genauigkeit als 2^fIO" für die Messungder Phasenverschiebung ^erzielen, wobei alle 10 Sekundeneine Messung vorgenommen wurde, was einer Messung pro Periode des niederfrequenten Signals entsprach, da dieDopplerverschiebung auf w1 - w = 2 '< 10 Hz eingestelltwurde.In this way, the applicant was able, for example, to achieve an accuracy better than 2 ^ fIO "for the measurement of the phase shift ^, with a measurement being made every 10 seconds, which corresponded to one measurement per period of the low-frequency signal, since the Doppler shift on w1 - w = 2 '<10 Hz was set.
Bei einer bevorzugten AusführungsVariante für dieSchaltung zur Messung der Phasenverschiebungfsind die Detektoren 70 und 72 sowie der Frequenzmesser 76 und dieIn a preferred embodiment variant for the circuit for measuring the phase shiftf , the detectors 70 and 72 and the frequency meter 76 and the
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damit verbundenen Schaltungen 74 und. 78 in digitalerArt ausgeführt.associated circuits 74 and. 78 in digitalKind of executed.
Bei einer anderen, einfacheren AusfuhrungsVariantekönnen die beiden niederfrequenten Signale ζ und z' "auf dem Leuchtschirm eines zweikanaligen Oszilloskopssichtbar gemacht werden. Die Abschätzung der Phasenverschiebungzwischen den beiden Signalen geschieht dann visuell, was für bestimmte Anwendungsfälle genügt,wo die Fluktuationen der Phasenverschiebung'^langsamerfolgen.In another, simpler variant, the two low-frequency signals ζ and z '"can be made visible on the fluorescent screen of a two-channel oscilloscope. The phase shift between the two signals is then estimated visually, which is sufficient for certain applications where the fluctuations in the phase shift' ^ done slowly.
Bei wieder einer anderen AusführungsVariante kann dieSchaltung für die Messung der PhasenverschiebungJfdiedifferentieIlen Phasenverschiebungen von einer Periodezur anderen messen, worauf sich dann eine Integrationdieser differentiellen Phasenverschiebungen anschließt, als deren Ergebnis die gesamte Phasenverschiebung erhaltenwerden kann.In yet another embodiment, the circuit for measuring the phase shiftJf can measure the differential phase shifts from one period to another, which is then followed by an integration of these differential phase shifts, as a result of which the total phase shift can be obtained.
In gleicher Weise läßt sich als dritte Äusführungsvarianteauch eine Einriehtung mit Modulationker oben definierten Amplitude verwenden, deren Arbeitsweise demeinschlägigen Fachmann geläufig ist. "In the same way, as a third embodiment variantalso use a device with a modulation core defined above, whose mode of operation corresponds to therelevant person skilled in the art is familiar. "
Der oben beschriebenen Anordnung stehen zahlreiche Anwendungsmögliehkeiten offen; .The arrangement described above has numerous possible uses; .
a) Das System mit Phasenverschiebung kann beispielsweiseein Plasma sein,das vorübergehend oder permanent vorhandenist. Der Brechungsindex η eines Plasmas ergibt sich für eine Strahlung der Frequenz w bekanntlich zu:a) The system with phase shift can for examplebe a plasma that is temporarily or permanently presentis. The refractive index η of a plasma for radiation of frequency w is known to be:
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-20-23531-20-23531
wobei w die Plasmafrequenz bezeichnet, die ihrerseits gegeben ist durch die Beziehung:where w denotes the plasma frequency, which in turn is given by the relationship:
wp =(K Ne2/*)"! . (2)wp = (K Ne2 / *) "!. (2)
in der N die Elektronendichte des Plasmas bezeichnet.in which N denotes the electron density of the plasma.
Die Phasenverschiebung 4; für eine Welle nach zweiDurchgängen durch einen ein solches Plasma enthaltenden Behälter der Länge L ergibt sich dann zu:The phase shift 4; for a wave after two passes through a container of length L containing such a plasma then results in:
f= 2(w/c>J(1-n) dl (3)f = 2 (w / c>J (1-n) dl (3)
wobei sich η aus den oben angegebenen Beziehungen berechnet. Auf diese Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Messungder Phasenverschiebung-Peine genaue und rasche Beätimmungder Elektronendichte in einem Plasma.where η is calculated from the relationships given above. In this way, the measurement of the phase shift-P according to the invention enables an accurate and rapid determination of the electron density in a plasma.
b) Das System mit Phasenverschiebung kann weiterb) The system with phase shift can continue
eine Substanz sein, deren Brechungsindex nicht bekannt istund für die die Variationen dieses Brechungsindex gemessen werden sollen. Die gemessene Phasenverschiebungj'stehtdann mit dem interessierenden Brechungsindex über die oben angegebene Gleichung (3) in Verbindung.be a substance whose index of refraction is not known and for which the variations in this index of refraction are to be measured. The measured phase shiftj ' is then related to the refractive index of interest via equation (3) given above.
c) Das System mit Phasenverschiebung kann weiterhin ein beliebiges Bauelement sein, dessen Bewegung (Translation,Rotation oder Vibration) eine Verschiebung der reflektierenden oder streuenden Oberfläche und damiteine Phasenverschiebung der an dieser Oberfläche reflektierten oder rückgestreuten Strahlung bewirkt. Auf diese Weisec) The system with phase shift can still be any structural element whose movement (translation,Rotation or vibration) a displacement of the reflecting or scattering surface and thuscauses a phase shift of the radiation reflected or backscattered on this surface. In this way
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lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Meßanordnung die Fluktuationen im Radius einesum seine eigene Achse rotierenden Drehkörpers bestimmen,,indem die Meßstrahlung auf die Außenseite dieses Drehkörpers gerichtet wird. Die Variationen imRadius de? Drehkörpers führen dann zu Fluktuationenin der Phasenverschiebung der auftreffenden Lichtwellen,die sich mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Meßanordnung erfassen lasseh, wodurch sich die Möglichkeiteiner genauen Fertigungskontrolle für Drehkörper ergibt. Von besonderem Vorteil ist dabei eineAnwendung auf die Messung des Durchmessers von Turbinen.Diese Meßmethode weist den Vorteil auf, daß keinerleimaterieller Kontakt mit dem sich bewegenden Drehkörper für die Messung erforderlich ist.the fluctuations in the radius of ato determine the rotating body rotating around its own axis,by directing the measuring radiation onto the outside of this rotating body. The variations in theRadius de? Rotary bodies then lead to fluctuationsin the phase shift of the incident light waves,which can be detected with the aid of the measuring arrangement designed according to the invention, whereby the possibilitya precise production control for rotating body results. One is of particular advantageApplication to the measurement of the diameter of turbines.This measuring method has the advantage that nonematerial contact with the moving rotating body is required for the measurement.
d) Auf dem Gebiete der Meteorologie gestattet/dieerfindungsgemäß ausgebildete Meßanordnung die Vornahmevon Verschiebungsmessungen.;d) Permitted in the field of meteorologymeasuring arrangement designed according to the inventionof displacement measurements .;
Vorstehend ist bereits als Beispiel die Möglichkeit einer Verwendung -eines CyanwasserstoffSäurelasers (HCN-Laser)mit einer Ausgangsstrahlung der Wellenlänge 357Mals Strahlungsquelle erwähnt worden. Es versteht sichvon selbst, daß auch andere Strahlungsq.uelleri verwendbarsind, daß sich also beispielsweise COg-Laser verwenden lassen, die eine Ausgangsstrahlung mit.einer Wellenlängevon 10,6 /U abgeben. Ganz allgemein ist das Gebiet derInfrarotstrahlung von Interesse, wobei sich diese Strahlunginsbesondere für die Messung hohper Pla-smadichten alsvorteilhaft erweist. Für Plasmadichten in der, GrößenordnungThe possibility of using a hydrogen cyanide acid laser (HCN laser) with an outputradiation of wavelength 357 M as a radiation source has already been mentioned as an example. It goes without saying that other radiation sources can also be used, for example COg lasers which emit an output radiation with a wavelength of 10.6 / rev. In general, the field of infrared radiation is of interest, this radiation proving to be particularly advantageous for measuring high plastic densities. For plasma densities in the order of magnitude
!"5 14 -3 ' ■ ■ ■
von 10 bis 10 cm , wie sie in Vorrichtungen zur Untersuchung einer thermischen Kernverschitailzung vorkommen,! "5 14 -3 '■ ■ ■
from 10 to 10 cm, as it occurs in devices for the investigation of a thermal core dislocation,
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liegt nämlich die Plasniafrequent w , wie sie durch die oben angegebene Gleichung (2) definiert ist, etwabei der der Mikrowellen im Millimeterbereich, die demzufolge schlecht angepaßt werden. Andererseits wird, wenn mannamely, the plasnia frequency w, as defined by equation (2) given above, is approximatelyin the case of microwaves in the millimeter range, which are therefore poorly matched. On the other hand, if you can
2 22 2
w groß wegen w wählt, der Brechungsindex η desChooses w large because of w, the refractive index η des
P 2/2P 2/2
Plasmas zu η ungefähr gleich 1-w /2w , und die Phasenverschiebung-f ergibt sich zu: -Plasmas to η approximately equal to 1-w / 2w, and the phase shift-f results in: -
L ρ
3) 'WdlL ρ
3) 'W dl
Da diese Phasenverschiebung dann umgekehrt proportional zur Frequenz w der Sondierungswelle ist, besteht keinInteresse an der Verwendung einer Strahlung von zu hoher Frequenz, wie beispielsweise einer Strahlung im 'Bereich des sichtbaren Lichtes. Der' infrarote Teil des Spektrums bildet daher eine privilegierte Zone, wo dieMessung hoher Plasmadichten möglich ist, während die Mikrowellen durch das Plasma geschnitten werden, unddie Dichtemessung erfolgt mit hoher Empfindlichkeit.Since this phase shift is then inversely proportional to the frequency w of the probing wave, there is noneInterested in using radiation of too high a frequency, such as radiation in the 'Visible light range. The 'infrared part of the spectrum therefore forms a privileged zone where theMeasurement of high plasma densities is possible while the microwaves are being cut by the plasma, andthe density measurement is carried out with high sensitivity.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Meßanordnung zeigt einen ausgezeichneten Wirkungsgrad, wodurch wiebereits oben erwähnt, die relativ geringe Emissionsleistung der heute bekannten HCN-Laser kein Hindernis fürderen Verwendung mehr darstellt, wie dies bei den bisher bekannten Meßanordnungen der Fall ist. Außerdem könnensehr einfach gebaute pyroelektrische Detektoren verwendet werden, die bei einer nahe bei Zimmertemperaturliegenden Temperatur arbeiten; beispielsweise kommen Detektoren aus Glygokolesulfat, sogenannten T.G.S., inBetracht. Die Bandbteite dieser Detektoren - heute in der Größenordnung von 100 kHz - legt die obere Grenze fürThe measuring arrangement designed according to the invention shows an excellent efficiency, whereby howalready mentioned above, the relatively low emission power of the HCN laser known today is not an obstacletheir use represents more, as is the case with the previously known measuring arrangements. Also canVery simply built pyroelectric detectors can be used that operate at near room temperaturelying temperature work; for example, detectors made of glygocole sulfate, so-called T.G.S., come inConsideration. The bandwidth of these detectors - today in the order of 100 kHz - sets the upper limit for
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die'nutzbare Dopplerverschiebung fest. Hinzuzufügen ist noch, daß die Messung, der Phasenverschiebung gemäßder Erfindung unabhängig ist' von der Amplitude dere infallenden Wellen oder Teilwellenida sie allein aufder Bestimmung der Zeitpunkte für die Nulldurchgängeder verschiedenen Phasen beruht. Auf diese Weise wird die Messung unabhängig von den unvermeidlichen Fluktuationenin der Intensität der von den Strahlungsquellen und insbesondere den Lasern abgegebenen Strahlung.the usable Doppler shift. It should be added that the measurement, according to the phase shiftof the invention is independent of the amplitude of thee falling waves or partial wavesida them alonethe determination of the times for the zero crossingsof the different phases. In this way the measurement becomes independent of the inevitable fluctuationsin the intensity of the radiation emitted by the radiation sources and in particular the lasers.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR7237539AFR2203974B1 (en) | 1972-10-23 | 1972-10-23 |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2353108A1true DE2353108A1 (en) | 1974-05-09 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19732353108PendingDE2353108A1 (en) | 1972-10-23 | 1973-10-23 | MEASURING ARRANGEMENT FOR MEASURING PHASE SHIFTS |
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH569273A5 (en) |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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