DE2329483C2 - Optische Vorrichtung zur Ermittlung von Abweichungen einer Fläche von einer vorbestimmten Form - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,
daß der die Bezugsachse festlegende Lichtstrahl (2) ein linear polarisierter Lichtstrahl ist,
daß das optische Element (31) aus optisch aktivem Materia! besteht und in Abhängigkeit von seiner Lageabweichung eine veränderliche Drehung der Po-' jarisationsebene bewirkt,

daß der Detektor (4) einen Polarisationsstrahlteiler (5) und zwei Photoelemente (61,62) aufweist, und
daß eine Auswerteschaltung (7) vorgesehen ist, die aus dem Intensitätsverhältnis der aus den Photoelementen (61, 62) austretenden Teilstrahlen die Flächenabweichung bestimmt

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsstrahlteiler (5) den einfallenden Lichtstrahl (20) in zwei Komponenten (21, 22) mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen zerlegt.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (7) folgende Elemente aufweist:

einen Summenverstärker (74) und einen Differenzverstärker (73), denen zu den Ausgangssignalen der Photoelemente (61, 62) proportionale Eingangssignale (A, B) zugeführt werden, und die ein Summensignal (A + B) bzw. ein Differenzsignal (A-B) der Eingangssignale erzeugen, sowie
einen Quotientenverstärker (75), der durch Normierung des Differenzsignals (A—B) auf das Summensignal (A+ B) ein Quotientensignal (A-B/A + B) bildet, dessen Amplitude die Flächenabweichung angibt.

4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzsignal (A-B) einer im Lichtstrahl (2) zwischen der Fühleinrichtung (3) und dem Polarisationsstrahlteiler (5) angeordneten elektrooptischen Zelle (9) zugeführt wird.

5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Quotientensignal (A—B/ A+ B) einer im Lichtstrahl (2) zwischen der Fühleinrichtung (3) und dem Polarisationsstrahlteiler (5) angeordneten elektrooptischen Zelle (9) zugeführt wird.

6. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (31) ein Quarzkeil ist, dessen Dicke sich quer zum Lichtstrahl ändert.

7. Optische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtstrahl ein zweiter Quarzkeil (33) angeordnet ist, der eine Drehung der Polarisationsebene entgegen der durch den ersten Quarzkeil (31 ty herbeigeführten Drehung bewirkt.

8. Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch

gekennzeichnet, daß der zweite Quarzkeil (33) gegenüber dem Detektor (4) ortsfest angeordnet ist

9. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Quarzkeil (316J mit Federn (36) an einem drehbaren Halter (34) angebracht und mit einem Fühler (37) verbunden ist, der die zu untersuchende Fläche (S) abtastet

10. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß zwischen der Lichtquelle (1) und dem Detektor (4) eine Reflektoreinrichtung (16, 17,18) angeordnet ist

11. Optische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung (16,17,18) eine Phasenänderung des Lichtstrahls um 180° bewirkt, und daß das optische Element der Fühleinrichtung (3) zwei Quarzkeile (316; 31c/; 31Λ, R, L) aufweist, die einander entgegengesetzte Drehungen der Polarisationsebene des Lichtstrahls bewirken.

12. Optische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl das optische Element (31h) der Fühleinrichtung (3) sowohl zwischen der Lichtquelle (1) und der Reflektoreinrichtung (16, 17,18) als auch zwischen der Reflektoreinrichtung und dem Detektor (4) durchläuft, und
daß das optische Element (31/?,) zwei Quarzkeile (R, L) aufweist die einander entsprechende, entgegengesetzte Drehungen der Polarisationsebene des Lichtstrahls bewirken.

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Ermittlung von Abweichungen einer Fläche von einer vorbestimmten Form nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Eine derartige optische Vorrichtung ist aus der GB-PS 7 72 505 bekannt. Die dort dargestellte Vorrichtung weist mehrere Fühler zur Abtastung der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks auf, die hintereinander auf dem optischen Weg eines für die Messung verwendeten Lichtstrahls angeordnet sind. Einer der Fühler ist dabei mit einem Fadenkreuz, ein anderer Fühler mit einer Objektivlinse verbunden, die im Strahlengang nach dem Fadenkreuz im Abstand ihrer Brennweite angeordnet und transversal zum Strahl bewegbar ist. Hinter dieser Linse ist eine Kollimatorlinse und danach ein

so Bildschirm vorgesehen, so daß die Kollimatorlinse das Bild des Fadenkreuzes im vergrößerten Maßstab auf dem Schirm abbildet. Bei der Abtastung des Werkstücks durch die Fühler bewegt sich die Objektivlinse relativ zum Fadenkreuz und lenkt damit den Lichtstrahl ab, wodurch auch das von der Kollimatorlinse erzeugte Schirmbild um einen Betrag gegen die Ausgangslage verschoben wird, der ein Maß für die Abweichung der Oberfläche von ihrem Sollwert ist. Das Meßprinzip dieser Vorrichtung besteht damit darin, den Meßstrahl entsprechend der zu ermittelnden Abweichungen der Fläche räumlich abzulenken und die Ablenkung auf dem Bildschrim zu messen.

Aus der US-PS 36 23 814 ist ein Sensor zur Erfassung der Ablenkung eines Lichtstrahls bekannt. Danach wird von dem zu untersuchenden Strahl mittels eines Strahlteilers ein Meßstrahl abgekoppelt und über einen Polarisator und eine Projektionslinse auf einen Keil aus doppelbrechendem Material gelenkt, dessen Dicke sich

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senkrecht zur Strahlrichtung ändert Durchläuft der dung Findet;

Meßstrahl den Keil in Abhängigkeit vom Maß seiner Fig.4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung

Ablenkung an verschiedenen Stollen, wird ihm eine el- des Meßprinzips der optischen Vorrichtung;

liptische Polarisation aufgeprägt, die sich in Abhängig- F i g. 5 eine schematische Darstellung einer modifi-

keit von der Keildicke an der Durchtrittistelle des 5 zierten Ausführungsform der Vorrichtung mit einer

Strahls ändert. Der aus dem Keil austretende, elliptisch elektrooptischen Zelle;

polarisierte Strahl wird auf eine optisch-elektronische F i g. 6 bis 9 weitere Ausführungsformen der opti-

Detektor- und Auswerte-Einrichtung gegeben, die ein sehen Vorrichtung; und

die zu bestimmende Abweichung des Lichtstrahls reprä- F i g. 10 bis 12 weitere Ausführungsforrjen der opti-

sentierendes, digitales Ausgangssignal liefert. io sehen Vorrichtung, in denen eine Umlenkung des Strah-

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine optische lengangs durch eine Reflektoreinrichtung erfolgt Vorrichtung zur Ermittlung von Abweichungen einer Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist Fläche von einem Sollwert für ein breites Anwendungs- eine Laserlichtquelle 1 vorhanden, die einen schmalen spektrum anzugeben, die aus wenigen Elementen aufge- Lichtstrahl 2 abgibt der eine Linie oder Achse bebaut und damit einfach zu justieren ist bei der der Meß- 15 stimmt gegenüber welcher Abweichungen eines Gestrahl eine raumfeste Bezugsachse festlegt und bei der genst?ndes oder einer Fläche gemessen werden sollen, die Auswertung der optischen Ausgangssignale unter . Der Lichtstrahl 2 fällt durch ein optisches Element 31, Kompensation der Schwankungen der Geräteparame- das einen Bestandteil einer Fühleinrichtung 3 bildet, die ter on-line durch eine elektronische Schaltung erfolgt dazu dient in Abhängigkeit von der zu messenden Ab-

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem kenn- 20 weichung eine Verlagerung des optischen Elements 31

zeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Danach ist der derart herbeizuführen, daß sich der Polarisationszu-

Meßstrahl, der eine feste Raumrichtung vorgibt, die bei stand des aus der Fühleinrichtung 3 austretenden Licht-

der Auswertung als Referenzwert dient, ein linear pola- Strahls 20 ändert welcher zu einem Detektor 4 gelangt

risierter Lichtstrahl. Relativ zu diesem Lichtstrahl wird dessen Aufbau im folgenden näher erläutert wird. Bei

ein die zu untersuchende Fläche abtastendes optisches 25 dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wirkt das

Element bewegt, das aus optisch aktivem Material be- optische Element 31 selbst als Polarisator, und es ist

steht und in Abhängigkeit von seiner Lageabweichung hierzu zweckmäßig als ein dünner Film von polarisie-

eine veränderliche Drehung der Polarisationsebene des renden Kristallen ausgebildet, wie er unter der gesetz-

Meßstrahls bewirkt Diese Drehung der Polarisations- lieh geschützten Bezeichnung »Polaroid« bekannt ist

ebene relativ zum Anfangswert wird von einer optisch- 30 Die Polarisationsebene des durch den Polarisator 31

elektronischen Detektor- und Auswerte-Schaltung e~- fallenden Lichtstrahls richtet sich somit nach der Orien-

faßt die daraus die Flächenabweichung bestimmt tierung des Films in seiner eigenen Ebene, und diese

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist Orientierung wird ihrerseits durch die relative Lage der einerseits darin zu sehen, daß keine komplizierte und Fühleinrichtung 3 gegenüber der optischen Achse beteure Projektionseinrichtung aus mehreren Linsen be- 35 stimmt deren Abweichung von einem Bezugswert nach nötigt wird. Aus diesem Grunde und weil die Richtung dieser Ausführungsform gemessen wird. des Lichtstrahls während des Meßvorgangs unverän- Der Detektor 4 weist einen Strahlenteiler 5 auf, bei dert bleibt wird die für die Genauigkeit des Meßergeb- dem es sich im vorliegenden Fall um einen polarisierennisses ausschlaggebende Justierung erheblich erleich- den Dünnfilmstrahlenteiler handelt, mit dem der auftreftert und damit der Anwendungsbereich der Vorrichtung 40 fende, variabel polarisierte Lichtstrahl 20 in zwei Komvergrößert Andererseits erfolgt erfindungsgemäß eine ponenten 21 und 22 unterteilt wird, die in zueinander hochpräzise elektronische on-line-Auswertung, wo- rechtwinkligen Ebenen polarisiert sind. Die Lichtstrahldurch die Meßergebnisse unmittelbar während des komponenten 21 und 22 fallen auf zugehörige photo-Meßvorgangs zur Verfügung stehen. Damit eröffnen elektrische Elemente 61 und 62, die entsprechende Aussich Anwendungsmöglichkeiten z. B. bei der justierung 45 gangssignale erzeugen, welche die Amplituden der beivon Werkzeugmaschinen oder bei Vermessungsarbei- den Komponenten repräsentieren. Diese beiden Austen. gangssignale werden in einer Schaltung 7 miteinander

Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildun- kombiniert die an einem Ausgang 70 ein Signal abgibt,

gen der Erfindung sind in den Unteransprüche.i angege- das die Drehung der Polarisationsebene des einfallen-

ben. Entsprechend Unteranspruch 3 ist die elektroni- 50 den Lichtstrahls 20 gegenüber einem vorbestimmten

sehe Auswerte-Schaltung aus einem Summen-, einem Bezugswert und damit auch die erfaßte Abweichung

Differenz- und einem Quotienten-Verstärker aufgebaut darstellt Der Aufbau der Schaltung 7 wird im folgenden

Durch diese Anordnung erfolgt eine Normierung des anhand von F i g. 3 im einzelnen erläutert

Differenzsignals der den beiden zueinander senkrechten Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungs'orm unter-

Polarisationskomponenten des Meßstrahls cntspre- 55 scheidet sich von derjenigen nach F i g. 1 dadurch, daß

chenden Ausgangssignale auf die Summe dieser Signale, der von der Laserlichtquelle 1 abgegebene Lichtstrahl

wodurch die Schwankungen der Lichtquelle sowie der selbst in einer Ebene polarisiert ist, die unter einem

Parameter der Meßvorrichtung eliminiert werden kön- Winkel von 45° zu den zueinander rechtwinkligen PoIa-

nen. risationsebenen der Strahlenkomponenten 21 und 22

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung wer- 60 des Detektors 4 verläuft wobei diese Strahlenkompo-

den im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. nenten aus dem Lichtstrahl 20 wiederum mit Hilfe eines

In den Zeichnungen zeigt Strahlenteilers 5 gewonnen werden. Um diese Polarisa-

^:F i g. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus ei- tion zu bewirken, weist die Laserlichtquelle 1 zusätzlich

ner Ausführungsform der optischen Vorrichtung; zu der eigentlichen Lichtquelle 10 eine Polarisationsein-

F i g. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus ei- 65 richtung 11 auf, bei der es sich zweckmäßig um ein

ner weiteren Ausführungsform der Vorrichtung; Polarisationsprisma bekannter Art handelt. Im vorlie-

Fig.3 ein Blockschaltbild einer elektronischen Aus- genden Fall gehört zu der Fühleinrichtung 3 ein opti-

werte-Schaltung, wie sie in der Vorrichtung Verwen- sches Element 31a, das in der in F i g. 2 durch den Dop-

pelpfeil 32 angedeuteten Weise in Abhängigkeit von der Abweichung eines Bauteils oder einer Fläche von einer Ebene parallel zu der optischen Achse quer zu dem Lichtstrahl bewegbar ist Bei dem optischen Element JIa handelt es sich hier um einen Quarzkeil, der vorzugsweise mit einem auf ihn optisch abgestimmten Glasprisma verkittet ist, so daß die einzige Wirkung, die diese Kombination auf den sie durchlaufenden Lichtstrahl ausübt, in einer Drehung der Polarisationsebene besteht, deren Wert sich nach der Dicke desjenigen Teils des Quarzkeils richtet, der von dem Lichtstrahl durchlaufen wird.

Bei dieser Ausführungsform wird der variable polarisierte Lichtstrahl 20 mit Hilfe eines Wollastonprismas 5 in zwei zueinander rechtwinklig polarisierte Lichtstrahlkomponenten 21 und 22 zerlegt, die, wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1, auf zugehörige photoelektrische Elemente 61 und 62 fallen, deren Ausgangssignale einer Schaltung 7 zugeführt werden, an deren Ausgang 70 ein Signal erscheint das die Abweichung der Polarisationsebene des auf das Prisma 5 auftreffenden Lichtstrahls 20 von einem vorbestimmten Bezugswert und damit auch die Abweichung des Meßobjekts repräsentiert

Bei den Ausführungsformen nach F i g. 1 und 2 verläuft die Bezugsebene für die Polarisationsebene des 2s einfallenden Lichtstrahls 20 zweckmäßig unter einem Winkel von 45° zu den Polarisationsebenen der beiden Lichtstrahlkomponenten, da, wie nachstehend anhand von F i g. 4 erläutert die Ausgangssignale der Photozellen 6t und 62 in diesem Fall den gleichen Wert annehmen.

Der Aufbau der Schaltung 7 nach F i g. 1 bzw. F i g. 2 ist in F i g. 3 dargestellt Die Signale der Photozellen 61 und 62 werden zugehörigen Verstärkern 71 und 72 zugeführt, die so eingestellt sind, daß sie gleich große Ausgangssignale liefern, wenn die Photozellen gleich stark beleuchtet werden. Die Ausgangssignale A und B der Verstärker 71 und 72 werden den zugehörigen Eingängen eines Differenzverstärkers 73 und eines Summenverstärkers 74 zugeführt Die Ausgangssignale der Verstärker 73 und 74, welche die Differenz (A—B) bzw. die Summe (A + B) repräsentieren, werden den zugehörigen Eingängen eines Quotientenverstärkers 75 zugeführt, an dessen Ausgang 70 ein Signal erscheint, das dem Quotienten der dem Verstärker 75 zuge-

(A + D)

führten Eingangssignale entspricht Durch die Ermittlung des Quotienten der beiden Signale wird das am Ausgang 70 erscheinende Ausgangssignal, das zur Differenz zwischen den Intensitätswerten der Lichtstrahlkomponenten 21 und 22 proportional ist, von allen Schwankungen der Intensität der Lichtquelle i unabhängig. Damit Änderungen des optischen Systems, die zu Lageänderungen der Lichtstrahlkoinponenten 21 und 22 führen, nicht zu Fehlern Anlaß geben, die von Empfindlichkeitsunterschieden der photoelektrischen Elemente innerhalb ihrer Lichtaufnahmeflächen herrühren, kann es sich als zweckmäßig erweisen, die beiden photoelektrischen Elemente 61 und 62 jeweils in einer integrationskugel 63 bzw. 64 anzuordnen, so daß jedes photoelektrische Element unabhängig von der Richtung, in der die Lichtstrahlkomponente in die Kugel eintritt ausschließlich reflektiertes Licht empfängt Da alle Teile der beschriebenen Vorrichtungen galvanisch gekoppelt sind, bieten die Vorrichtungen den Vorteil, daß sie innerhalb einer sehr kurzen Zeit ansprechen.

F i g. 4 veranschaulicht die Beeinflussung der Intensität des auf die photoelektrischen Elemente 61 und 62 fallenden Lichtes durch den variierenden Winkel zwischen der Polarisationsebene des empfangenen Lichtstrahls 20 und den Polarisationsebenen des Strahlenteilers oder Analysators 5, durch den hindurch die Lichtstrahlkomponenten auf die beiden photoelektrischen Elemente fallen. Die durchgezogen gezeichnete Kurve 61' stellt die Intensität des auf das Photoelement 61 fallenden Lichtes dar, während die gestrichelt gezeichnete Kurve 62' die Intensität des auf das Photoelement 62 fallenden Lichtes wiedergibt, und zwar in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen der Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahls und der Ebene, in der der Analysator 5 kein Licht durchläßt. Es ist ersichtlich, daß, wenn man Reflexionswirkungen und andere geringfügige Verluste unberücksichtigt läßt, die beiden photoelektrischen Elemente dann gleich große Lichtmengen empfangen, wenn die Polarisationsebene des empfangenen Lichtstrahls unter einem Winkel von η 45° (π = 1,3,5,...) zu der Ebene verläuft, in der der Analysator 5 kein Licht durchläßt Wenn sowohl positive als auch negative Abweichungen von einer Bezugsgröße gemessen werden sollen, ist es daher gewöhnlich am zweckmäßigsten, dafür zu sorgen, daß eine Abweichung mit dem Wert Null zu einer Polarisationsebene des durchgelassenen Lichts führ», die unter einem Winkel von 45° zu der Nullebene des Analysators verläuft so daß die beiden photoelektrischen Elemente 61 und 62 mit der gleichen Intensität beleuchtet werden.

Die Form der Kurven 61' und 62' entspricht einer sin²-Funktion, die in einem Variationsbereich von ±7° gegenüber der 45°-Stellung mit einer Genauigkeit von 1% und in einem Variationsbereich von ± 10° mit einer Genauigkeit von 2% geradlinig verläuft. Daher läßt der Quotientenverstärker 75 an seinem Ausgang 70 ein Ausgangssignal erscheinen, das innerhalb der angegebenen Toleranzwerte zur Änderung des Winkels der Polarisationsebene gegenüber der Bezugsebene und daher auch zu der die Drehung verursachenden Abweichung proportional ist Dieses Signal kann in der gewünschten Weise ausgewertet werden, und zwar entweder zum Anzeigen der gemessenen Abweichung, indem das Signal einem Anzeigegerät zugeführt wird, um eine Aufzeichnung der Meßwerte bspw. mit einem Streifenschreiber zu erzeugen, oder indem mit Hilfe des Signals die jeweils erforderliche Steuerung direkt erfolgt

F i g. 5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die dazu dient die Verdrehung eines Gegenstandes gegenüber einer vorbestimmten Richtung zu messen. Zu der Vorrichtung gehört eine Laserlichtquelle 1, die einen Lichtstrahl 2 durch ein Polarisationselement 31 fallen läßt das einen Bestandteil einer Fühleinrichiung 3 bildet die an dem Gegenstand befestigt ist dessen Drehung gemessen werden soll. Der polarisierte Lichtstrahl fällt durch einen Faradayschen Modulator 9 und gelangt dann zu einem polarisierenden Strahlenteiler 5, der den Lichtstrahl in rechtwinklig zueinander polarisierte Strahlenkomponenten zerlegt welche auf zugehörige photoelektrische Elemente 61 und 62 fallen. Die Ausgangssignale dieser Elemente werden einer Schaltung 7 zugeführt die an ihrem Ausgang 70 ein Ausgangssignal abgibt das über einen Verstärker 91 der Erregerspule der Faradayschen Zelle 9 zugeführt wird, die dadurch so gesteuert wird, daß sie die Drehung der Polarisationsebene des einfallenden Lichtes auf Null zurückführt. Bei einer ohne Kühlung arbeitenden Faradayschen Zelle 9 ergibt sich ein Meßbereich von ±2°. Innerhalb dieses Bereiches arbeitet die Vorrichtung mit einer sehr hohen Genauigkeit Sol-

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len größere Abweichungen gemessen werden, kann dem es sich nicht um ein Präzisionslager zu handeln man eine wassergekühlte Faradaysche Zelle -mit Hilfe braucht, auf dem mittels Blattfedern 36 ein Quarzkeil eines 50-Watt-Verstärkers betreiben, womit sich ein 316 montiert ist. An dem Quarzkeil ist ein Fühler 37 Meßbereich von ±10° erreichen läßt. Der der Faraday- befestigt, der in Berührung mit der Innenfläche 5 des sehen Zelle zugeführte Strom fließt durch einen Wider- 5 Gegenstandes Ό steht, so daß die Stellung des Quarzstand 81, und die an diesem Widerstand abfallende keils31Z>quer zum optischen Strahlenweg jeweils durch Spannung wird mit Hilfe eines Anzeigegeräts 8 gemes- den Abstand bestimmt wird, der zwischen der durch den sen und liefert eine Anzeige der gemessenen Drehung. Strahlenweg bestimmten Achse und der Bohrungswand

F i g. 6 veranschaulicht eine Vorrichtung, die es er- 5 vorhanden ist. Das zu dem Detektor 4 gelängende

möglicht, die seitliche Abweichung eines Gegenstandes 10 Licht weist eine Polarisationsebene auf, die so einge-

von einer vorbestimmten geradlinigen Bahn zu messen. stellt werden kann, daß sie eine Nullage einnimmt, wenn

Damit können beispielsweise Abweichungen der Füh- die Fläche S zum Lichtstrahl 2 konzentrisch ist, und die

rungen einer Werkzeugmaschine von einer exakt gerad- sich entsprechend ändert, wenn der Abstand der Fläche

linigen Referenzachse ermittelt werden. S von der durch den Lichtstrahl 2 bestimmten Achse

Gemäß Fig. 6 erzeugt eine Laserlichtquelle 1 einen 15 größer oder kleiner ist als der vorbestimmte Radius,
polarisierten Lichtstrahl 2, der ein verlagerungsemp- F i g. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform, mit der es findliches Polarisationselement 3\b durchläuft, um dann möglich ist, Abweichungen in einer gefährlichen Umgezu einem Detektor 4 zu gelangen, der bezüglich seiner bung zu messen. Auch in diesem Fall ist eine Laserlicht-Konstruktion und Wirkungsweise dem Detektor 4 nach quelle t vorhanden, die einen polarisierten Lichtstrahl 2 Fig. 1 entspricht. Bei dem Polarisationselement 31 b 20 erzeugt, der einem Detektor 4 der vorstehend beschriekann es sich um einen kompensierten Quarzkeil han- benen Art zugeführt wird. Der Lichtstrahl 2 fällt durch dein, der z. B. eine zunehmende Linksdrehung des eine Linse 31c; die in einer gefährlichen Umgebung andurchfallenden Lichtes bewirkt, wenn er quer zum opti- geordnet ist, deren Begrenzung in F i g. 9 durch eine sehen Strahlenweg bewegt wird. Wenn das Polarisa- gestrichelte Linie £ angedeutet ist. Die Linse 31c, die das tionselement 316 ein Bestandteil einer Fühleinrichtung 25 Licht der Lichtquelle 1 auf den Detektor 4 fokussiert, ist

3 ist, die längs einer Fläche 30 bewegt wird, welche eben an einer Fühleinrichtung 3 befestigt, welche auf einem sein und parallel zu dem Lichtstrahl 2 verlaufen soll, gibt Gegenstand 0 angeordnet ist, der sich in der gefährlider Detektor 4 an seinem Ausgang 70 ein Signal ab, das chen Umgebung befindet, und dessen Abweichungen jede Abweichung der Fläche 30 von der Sollform reprä- von einer Bezugslage ermittelt werden sollen. Jede Besentiert. Es ist vorteilhaft, jedoch nicht unbedingt erfor- 30 wegung der Linse 31c bewirkt eine Verlagerung des sie derlich, in dem optischen Strahlenweg einen zweiten verlassenden polarisierten Lichtstrahls relativ zu einem kompensierten Quarzkeil 33 anzuordnen, der in diesem Quarzkeil 33, der gegenüber dem Detektor 4 ortsfest Fall eine Rechtsdrehung der Polarisationsebene des angeordnet ist Somit repräsentiert die Lage der Polaridurchgelassenen Lichtes bewirkt Dieser zweite Quarz- sationsebene des in den Detektor eintretenden Lichtes keil wird so eingestellt, daß die durch den ersten Quarz- 35 die Abweichungen des Gegenstandes 0 gegenüber der keil 31 b herbeigeführte Drehung der Polarisationsebe- Bezugsstellung, und der Detektor gibt an seinem Ausne ausgeglichen wird, wenn sich die zu vermessende gang 70 ein diese Abweichungen repräsentierendes Fläche 30 im gewünschten Abstand von der durch den Ausgangssignal ab.

Lichtstrahl 2 bestimmten Linie befindet Dann werden Natürlich muß die Vorrichtung nach F i g. 9 mit der

positive und negative Abweichungen von diesem ge- 40 Linse 31c nicht notwendigerweise in einer gefährlichen

wünschten Abstand durch am Ausgang 70 erscheinende, Umgebung benutzt werden. Vielmehr ermöglicht es die-

sich entsprechend ändernde Signale dargestellt se Vorrichtung, die Abweichungen des die Linse tragen-

F i g. 7 zeigt eine Vorrichtung zum Messen der Ab- den Gegenstandes von der Sollage auch unter anderen

weichung eines Lichtstrahls von einer gewünschten Umständen zu messen, z. B. wenn es erwünscht ist, den

Richtung. In diesem Fall erzeugt eine Laserlichtquelle 1 45 Bewegungsbereich des Gegenstandes, dessen Verlage-

einen polarisierten Lichtstrahl 2, der auf einen Detektor rungen ermittelt werden sollen, in der Richtung des

4 der beschriebenen Art fällt jedoch vorher einen links- Lichtstrahls zu erweitern.

drehenden Quarzkeil 326 und einen rechtsdrehenden Fig. 10,11 und 12 zeigen weitere Ausführungsformen Quarzkeil 33 durchläuft, die beide gegenüber dem De- erfindungsgemäßer Vorrichtungen, bei denen der optitektor ortsfest angeordnet sind. Jede Abweichung des 50 sehe Strahlenweg mit Hilfe eines Retroreflektors beLichtstrahls 2 von seiner ursprünglichen Richtung, die kannter Art umgelenkt wird.

von einer Bewegung eines Gegenstandes 0, der die Gemäß Fig. 10 fällt von einer Laseriichtqueüe ί ein Lichtquelle 1 trägt, oder von einer Bewegung eines im polarisierter Lichtstrahl 2 auf einen Retroreflektor 17, Strahlenweg angeordneten optischen Elements 15 her- dem eine linse 16 vorgeschaltet ist, die das Bild der rührt, führt zu einer entsprechenden Änderung des an 55 Lichtquelle auf einem Detektor 4 fokussiert Die Brenndem Ausgang 70 des Detektors 4 erscheinenden Aus- weite der Linse 16 ist so gewählt, daß sich der Laser und gangssignals. Wird dieses Signal einem Streifenschrei- der Detektor an den Hauptbrennpunkten befinden; ber zugeführt, bildet das gesamte System einen mit ho- werden gewöhnliche Linsen verwendet, ist die Strecke, her Genauigkeit arbeitenden Autokollimator. längs welcher die Vorrichtung betriebsfähig ist, auf etwa F i g. 8 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung 60 50 m begrenzt Das Vorhandensein der Linse gewährlelbeim Messen der Exzentrizität der Bohrung eines Hohl- stet, daß bei jeder möglichen Stellung der Fühleinrichzylinders. In diesem Fall erzeugt eine Laserlichtquelle 1 tung 3 der Lichtstrahl, der einen auf der Fühleinrichtung einen polarisierten Lichtstrahl 2, der sich längs der Boh- angeordneten linksdrehenden Quarzkeil 31 b durchläuft, rungsachse eines Hohlzylinders oder eines anderen höh- die gleiche Größe hat wie der Lichtstrahl, welcher einen len Gegenstandes 0 fortpflanzt Die Fühleinrichtung 3 65 ebenfalls auf der Fühleinrichtung angeordneten rechtswird in diesem Fall durch ein rohrförmiges Bauteil 34 drehenden Quarzkeil 31 d durchläuft Zwischen der Lingebildet, das sich leicht längs der zu prüfenden Bohrung se 16 und dem Reflektor 17 ist ein Viertelwellenlängenverschieben läßt Das Bauteil 34 trägt ein Lager 35, bei plättchen 18 aus Glimmer angeordnet so daß sich die

Wirkungen addieren, welche durch die beiden Quarzkeile auf die Polarisationsebene¹ des sie durchlaufenden Lichtstrahls ausgeübt werden. Nach dem Quarzkeil 31c/ gelangt der Lichtstrahl zu einem Detektor 4 der vorstehend beschriebenen Art, an dessen Ausgang 70 ein Signal auftritt, das die gemessene Abweichung der Fühleinrichtung 3 gegenüber ihrer Bezugsstellung in Richtung des Doppelpfeils 32 repräsentiert.

F i g. 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Retroreflektor ein Bestandteil der Einrichtung 3 zum Füh-Ien der Abweichung ist. Eine Laserlichtquelle 1 erzeugt einen polarisierten Lichtstrahl, der durch einen linksdrehenden Quarzkeil 33 zu einer Fühleinrichtung 3 geleitet wird, die in diesem Fall eine Linse 31 e, ein reflektierendes Prisma 31/ und ein Viertelwellenlängenplättchen 3ig aus Glimmer aufweist Das durch die Fühleinrichtung 3 zurückgeworfene Licht wird auf einen zweiten rechtsdrehenden Quarzkeil 38 gerichtet, den der Lichtstrahl durchläuft, bevor er in einen Detektor 4 der anhand von F i g. 1 beschriebenen Art eintritt. Jede Abweichung der Fühleinrichtung 3 gegenüber einer vorbestimmten Stellung führt zu einer Änderung des Polarisationswinkels des zu dem Detektor 4 gelangenden Lichtstrahls, so daß der Detektor an seinem Ausgang 70 ein Signal erzeugt, das die zu messende Abweichung in Richtung des Doppelpfeils 32 repräsentiert.

Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der sich eine Fühleinrichtung längs des optischen Strahlenwegs bewegen läßt Eine Laserlichtquelle Ϊ erzeugt einen polarisierten Lichtstrahl, der ein optisches Element 31Λ einer Fühleinrichtung 3 durchläuft und dann zu einer Retroreflektorbaugruppe gelangt, die ebenso wie bei der Ausführungsform nach F i g. 10 eine Linse 16, ein Prisma 17 und ein Viertelwellenlängenplättchen 18 aufweist Das reflektierte Licht durchläuft erneut das optische Element 31Λ und wird durch ein reflektierendes Prima oder einen anderen Reflektor 19 zu einem Detektor 4 der eingangs beschriebenen Art geleitet. Bei dieser Ausführungsform ist das optische Element 31Λ als doppelter Quarzkeil mit einem linksdrehenden Keil L und einem dazu passenden rechtsdrehenden Keil R ausgebildet Jede Verlagerung der Fühleinrichtung 3 in Richtung des Doppelpfeils 32 bewirkt daß der Detektor 4 an seinem Ausgang 70 ein entsprechendes Signal abgibt

Bei jeder der Ausführungsformen nach Fig. 10, 11 und 12 kann man das Viertelwellenlängenplättchen der Reflektorbaugruppe durch Filme ersetzen oder ergänzen, die auf die reflektierenden Flächen aufgebracht sind und dazu dienen, die gewünschten Phasenänderungen herbeizuführen, so daß die Phase des reflektierten Strahls gegenüber dem einfallenden Strahl um 180° geändert wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Optische Vorrichtung zur Ermittlung von Abweichungen einer Fläche von einer vorbestimmten Form mit

einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (2), der eine raumfeste Bezugsachse festlegt,
einer auf der zu untersuchenden Fläche bewegbaren Fühleinrichtung (3) mit einem optischen Element (31), das vom Lichtstrahl (2) durchlaufen wird, und
einem Detektor (4) zur Messung der durch die Abweichung des optischen Elements (31) von seiner Ausgangslage bewirkten Änderung des Lichtstrahls