DE2442400B2 - Optische abstandsmesseinrichtung - Google Patents
Optische abstandsmesseinrichtungInfo
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Description
sonanzhohlraum optisch über einen Phasenmo- einem Modus, aber es sind zwei orthogonale Polari-
dulator (21) mit einem Oszillator (22) gekoppelt 35 sationszustände zugelassen. Wenn der Hohlraum mit
ist, wobei der Phasenmodulator (21) zwischen niedrigem Q-Wert arbeitet, d. h., wenn die diffuse
dem teildurchlässigen Spiegel (20) und der Linse Oberfläche innerhalb der Fokalfläche der Linse be-
(16) in einem zweiten Resonanzhohlraum mit findlich ist, bewirkt eine Bewegung der Oberfläche
niedrigem Q-Wert liegt, und daß der optische relativ zu der Linse, daß der Laser-Polarisations-
• Detektor auf die Modulationsprodukte anspricht. 40 zustand bei jeder Viertel-Wellenlänge der Bewegung
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- schaltet. Wenn demgemäß der Laser-Polarisationskennzeichnet,
daß im Resonanzhohlraum ein zustand überwacht wird, kann das Eintreten der Doppelpolarisator (53, 54, 55) angeordnet ist. Oberfläche in die Fokalfläche durch Beginn des
der die Laserschwingungsmoden auf Polarisati- Polarisationsumschaltens festgestellt werden, und die
onszustände senkrecht zueinander begrenzt. 45 Bewegung innerhalb der Fokalfläche kann durch
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- Zählung der Schaltzahl erfolgen.
kennzeichnet, daß benachbart zum Laseraus- Es sind Entfernungsmeßeinrichtungen bekannt-
gangsspiegel (52) eine Viertelwellenverzögerungs- geworden, die auf den unterschiedlichsten Verfahren
platte (56) angeordnet ist, die mit ihrer optischen beruhen. Es sind auch solche bekannt, bei denen eine
Achse um 45 gegenüber der Hauptachse des 50 optische Sonde eine sehr nützliche Messung ohne
zugelassenen Polarisationszustandes eingestellt ist. Berührung durchführt. Eine der am weitesten ver-
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5 breiteten optischen Methoden besteht in einer bindadurch
gekennzeichnet, daß der Ausgangsspiegc'· okularen Betrachtung oder dem Verfahren eines
(52) des Resonanrhohlraumes, die Viertelwellen- Spaltbildpaares, das zur Deckung zu bringen ist.
platte (56) sowie die Linsen (57 und 16) in einem 55 Diese Verfahren sind jedoch nicht sehr genau. Die
Sondengehäuse (60) einer optischen Sonde ange- interferometrischen Verfahren ergeben eine hohe
v ordnet sind, welches längs der Laserachse durch Präzision, vorausgesetzt, daß eine entsprechende
ζ einen in Abhängigkeit von dem Photodetektor Interferenzzählung verfügbar ist. Dieses Verfahren
ι * (18) gesteuerten Antrieb (61) verschiebbar ist. erfördert jedoch eine orientierte ebene Spiegelmeß-
^ 60 fläche oder ein Retroflektor, welches auf der zu
■» messenden Oberfläche montiert ist. Laufzeitmessun-
|»„' gen, z. B. optische Radarmessungen oder Lichtradar-
t-J Wenn eine diffus reflektierende Oberfläche von der messungen, haben sich als ziemlich genau und nütz-
, Art, wie sie die meisten körperlichen Gegenstände lieh erwiesen, aber bei kurzen Entfernungen wird die
besitzen, in der Fokalfläche einer Linse angeordnet 65 Messung infolge der schmalen Impulse und der kurzen
wird, dann erzeugt die Kombination eine Reflexion Echozeit schwierig. Hierdurch wird eine solche Ein-
f. mit räumlicher Kohärenzcharakteristik, ähnlich der- richtung sehr kompliziert. Es wäre daher höchst er-
c lenken, die von einer Spiegeloberfläche erhalten wünscht, eine Technik mit einer einfachen optischen
Sonde zu benutzen, um genaue Kurzraumentfernun- latoren bzw. einer Doppelpolarisation. Diese und
gen von irregulär diffusen Oberflächen zu messen, andere weitere Merkmale der Erfindung ergeben
die nicht stationär sind. sich aus den Unteranspriichen.
Es ist weiter durch die US-PS 34 09 370 eine Ent- Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der
fernungsmeßeinrichtung bekanntgeworden, bei wel- 5 Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der
eher ein Laser mit einem äußeren Reflektor an Zeichnung zeigt
einem Ende vorgesehen ist, um in den Hohlraum Fig. 1 eine schematische Darstellung der Grundeinen
Teil der emittierten Strahlung zurückzuleiteu, züge der erfindungsgemäßen Distanzmessung unter
wobei die optische Pfadlänge des äußeren Reflektors Benutzung eines Lasermediums mit hoher Verstärsteuerbar
ist, und zwar entweder durch eine Relativ- io kung,
bewegung oder durch Änderung der Natur des Me- F i g. 2 eine geometrische Darstellung der Fokal-
diums, in dem die Strahlung fortschreitet. Dabei wird fläche einer Sammellinse, welche die Gestalt eines
die geringe, durch de.n Hauptspiegel hindurchtretende Sattels hat,
Energie durch den Reflektor in den Resonanzhohl- F i g. 3 eine graphische Darstellung die den Ausraum3
reflektiert, der zwischen zwei Spiegeln gebildet 15 gang des Lasers gemäß Fig. 1 als Funktion des Abist
Daraus ergibt sich, daß sogar ein kleiner Anteil Standes zwischen der diffusen Oberfläche und der
der reflektierten Energie die Schwingung innerhalb Fokussierungslinse darstellt,
des Hohlraumes modulieren kann. Durch Feststel- F i g. 4 eine Entfernungsmeßvorrichtung, welche
lun° der Modulation wird eine Information über die ein herkömmliches Lasermedium benutzt,
Lace oder Bewegung des Reflektors erhalten. so F i g. 5 eine schematische Darstellung eines Profil-
Es ist weiter durch die US-PS 37 33 129 eine messers, basierend auf dem Prinzip der Vorrichtung
Einrichtung bekannt, bei der der Resonanzhohlraum nachFig. 1,
zwischen einem Spiegel und einem Eckspiegel ver- F i g. 6 eine schematische Darstellung einer proläuft.
Der Eckspiegel reflektiert im wesentlichen die grammiertep Drehbank, die die Entfernungsmeßeincesamte
einfallende Energie längs des ursprünglichen 25 richtung nach F i g. 1 benutzt,
Pfades, d. h. zurück nach dem anderen Spiegel. We- F i g. 7 eine erfindungsgemäß ausgebildete Ent-
sentlich an dieser bekannten Anordnung ist, daß die fernungsmeßeinrichtung, welche einen Doppelpolariwirksame
Länge des Hohlraumes mit einer gesteuer- sationslaser benutzt,
ten Frequenz in der Phase moduliert wird. Wenn sich Fig.8 eine Präzisionsmeßanordnung gemäß Fig.7
die Frequenz einem Wert C/21 nähert, dann ergibt 30 in Verbindung mit einer Werkzeugmaschine,
sich im Laser ein unterschiedlicher Mod und ein F i g. 1 zeigt einen Laseroszillator, bei dem einer
Auscangssignal. Um die Entfernung zu bestimmen. der herkömmlichen Hohlspiegel durch eine diffus
muß hierbei die Frequenz bekannt sein. reflektierende Oberfläche in Kombination mit einer
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Linse ersetzt ist. Das Laserrohr 10 enthält ein aktioptische
Abstandsmeßeinrichtung unter Verwendunp 35 ves Medium, z. B. eine Mischung von Helium und
einer Laserstrahlenquelle zur Messung des Abstandes Neon, welche durch eine Plasmaentladung erregt
zwischen einem Teil des optischen Systems und wird, die durch die Pumpe U aktiviert wird. Die
einem relativ dazu beweglichen Objekt mit diffus Entladungsröhre ist durch ein Fenster 12 mit
reflektierender Oberfläche zu schaffen, welches ge- Brewsterschen Winkel in herkömmlicher Weise gesenüber
bekannten Vorrichtungen dieser Art eine 40 schlossen. Der Spiegel 13 bildet ein Ende eines op-Verbesserung
hinsichtlich Präzision und Eindeutig- tischen Resunanzhohlraums, während der Reflektor
keit der Ablesung bzw. Nachführung verknüpft mit 14 das andere Ende des Hohlraums bildet. Es hat
einem relativ einfachem Aufbau bringt. sich gezeigt, daß dann, wenn eine diffuse Oberflache
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch in der Nähe des Brennpunktes einer herkömmlichen
eelöst daß eine Linse in Kombination mit der Ober- 45 Linse angeordnet wird, durch die Kombination von
fläche'des Objekts ein reflektierendes Element bildet. diffuser Oberfläche und Linse eine ausreichende Kedas
im Zusammenwirken mit einem Spiegel einen flektivität erhalten wird, um eine Laserschwingung
Resonanzhohlraum mit niedrigem Q-Wert bildet, in einem Lasersystem mit hoher Verstärkung anzuwenn
die Objektoberfläche in der Fokalfläche der regen. Ein solcher Resonanzhohlraum wird als ein
Linse liegt, daß weiterhin der Resonanzrohlraum 50 solcher mit niedrigem ß-Wert bezeichnet Die vermit
niedrigem Q-Wert mit einem Lasersvstem derart Stärkung eines Hehum-Neon-Lasers tür den J,4 μ-verbunden
ist, daß bei Berührung zwischen der Fo- Übergang ist für eine solche Arbeitsweise geeignet
kaifläche der Linse mit der relativ dazu beweglichen Die Endplatte 14 des Laserhohlraumes, die eine
Objektobernache das Lasers>stem anschwingt und diffus reflektierende Oberfläche 15 besitzt hegt η
daß dem Lasersvstem eine Anzeigevorrichtung züge- 55 der Nähe des Brennpunktes der Linse 16. Die Linse
"" . .. J
. . 1 _ τ * 11 j:- ~;* :ViT-am Ht-onnrvnnlrt nur fiem Soiesel LA
daß dem Lasersvstem eine Anzeigevorrichtung züge 55 der Nähe des Brennpu
ordnet ist, die anzeigt, wenn das Lasersystem 17, die mit ihrem Brennpunkt .a"f dem S^|el n^
schwin„t liegt, sammelt das auf die Linse 16 aurtreriende
Diesis Anschwingen des Lasersystems kann mit Licht. Die Linse 17 kann wegfallen wenn der Spie-
hoher Genauigkeit sichtbar gemacht werden, denn es gel 13 im Brennpunkt der Linse 16 angeordnet ist.
ergibt sich ein steiler Anstieg des Laserausgangs, 60 Sie ist jedoch nützlich, wenn die Linse 16 axial ver-
wenn die diffus reflektierende Fläche in die Fokal- stellbar ist, wie dies im folgenden beschrieben wird
fläche einläuft, wodurch eine Begrenzung dieser Der Laser schwingt nur dann wenn die Oberfläche
Fläche definiert ist und die andere Begrenzung der 15 genügend dicht am Brennpunkt.der Linse 16 hegt.
Fokalfläche durch den steilen Abfall des Laseraus- Der optische Resonanzhohlraum hat minimale Ver-
gangs auf Null erkennbar wird, woraus die tatsäch- 65 luste, wenn die Oberfläche genau au!dem Brenn-
fichi Gegenstandsentfernung leicht ableitbar ist. punkt der Linse 16 ausgerichtet ist, und die Verluste
Eine weitere Verfeinerung der Ansprechschwelle steigen an, wenn die Oberflache aus dieser Lage aus-
erribt sich durch die Anordnung von Phasenmodu- wandert. Natürlich kann eine maximale Abwexchung
24 41400
zugelassen werden. Innerhalb dieser Grenzen wird die Laserschwingung aufrechterhalten.
Fig. 2 zeigt die Geometrie der hiermit im Zusammenhang
stehenden optischen Elemente. Parallele Beleüchtungsstrahlenj die auf die Linse 1(5
auftreffen, werden bei Dn, fokussiert, d. h. in dem
^Brennpunkt der Linse. Der kleinste •Grenzfokusdurchmesser
ds verhält sich zur Linsenbrennweite und der Apertur α wie folgt:
d5 (mils):
0,1 Dn
(A =1,15 μ) (1)
Die Länge, über die die diffuse Oberfläche bewegt werden kann, ohne daß übermäßige Hohlraumverluste
auftreten, ist mit L1 bezeichnet. Der räumliche Bereich des Linsenfokus, der durch die LrGrenzen
beschrieben wird, soll als Fokalfiäche (Fokalsaitel)
bezeichnet werden. Der Fokalsattel bezieht sich auf die Linsencharakteristik wie folgt:
L1 (cm) «6 XlO-4
(A 1,15 μ) (2)
Die in den Gleichungen (1) und (2) benutzten Zahlen sind kennzeichnend für einen Laser, der bei
1,15 μ arbeitet und sie sind proportional der Laserwellenlänge.
F i g. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Ausgangs des Lasers nach Fig. 1 als Funktion des Abstandes
der Oberfläche 15, von der Linse 16. Bei einem Abstand D„ tritt eine normale Laserschwingung
auf, und der Ausgang ist gesättigt. Wenn die Oberfläche aus Dn, auswandert, dann wird das Ende
des Fokalsattels erreicht, wenn der Laserausgang auf
Punkte abzusinken beginnt, die mit Dn, - -J- und
D„ 4- -—- gekennzeichnet sind.
Wenn der Fokalsattel überschritten wird, dann fällt der Laserausgang rapide auf Null ab. In einem
typischen System erreicht der Laserausgang den
Wert Null in einem Intervall von weniger als -^j-.
Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 wird die Grundentfernungsmessung
wie folgt durchgeführt: Der Spiegel 13 wird etwas durchlässig gestaltet, so daß
bei Einsätzen der Laserschwingung ein Fotodetektor 18 erregt wird und ein Signal am Indikator 19 erscheint.
Wenn die Oberfläche 15 an einem Punkt hinter dem fernen Ende des Fokalsattels beginnt und
veranlaßt wird, sich auf den Laser zuzubewegen, dann erzeugt der Ausgang des FotodeteKtorb i8
einen Ansprechwert gemäß Fig. 3. Wenn der Indikator 19 eine Schwellwertschaltung enthält, die so
ausgebildet ist, daß ein vorbestimmter Laserausgangswert erhalten wird, dann zeigt der Indikator präzise
an, wann die Oberfläche 15 an einem von zwei Punkten angekommen ist, die symmetrisch auf beiden
Seiten des Zentrums des Fokalsatteis der ' mse 16
:,egen. Die genauen Abstände werden teilweise durch ien Schwellwert des Indikators 19 bestimmt, aber
der Durchschnittswert kann mit hoher Genauigkeit reproduzierbar erhalten werden. Auf diese Weise
kann die Vorrichtung nach F i g. 1 als genauer berührungslos arbeitender Abstandsmesser benutzt
werden.
Da die Linse 17 auf den spiegel 13 i»>f.\xven i«t.
wird ihr optischer Ausgang gesammelt. Hierdurch
wird die Möglichkeit geschaffen, die Linse 16 längs
der optischen Achse gegenüber den übrigen Elementen
des Lasers zu bewegen, ohne die Arbeitsweise des Lasers zu stören. Deshalb braucht nur die Linse 16 in
der Abstandsmeßeinrichtung bei der Einstellung bewegt zu werden, und es kann dann dieser Linse eine
kalibrierte Skala zugeordnet werden.
Fig. 4 zeigt eine kontinuierlich schwingende Entfernungsmeßeinrichtung.
Diese Einrichtung erfordert keinen Laser mit hoher Verstärkung, wie dies im Falle der F i g. 1 notwendig war. Es hat sich ein
Helium-Neon-Laser, der bei 1,15 μ arbeitet, als zufriedenstellend
erwiesen. Das Laserrohr 10 mit seiner Pumpe 11 und den Fenstern 12 mit Brewster-Winkel
bildet das aktive Medium. Teildurchlässige Spiegel 13 und 20 stellen den Laser-Resonator dar.
Der Ausgang vom Spiegel 20 wird durch einen elektro-optischen Phasenmodulator 21 hindurchgeschickt,
der durch den Oszillator 22 angetrieben wird. Die Linse 23 dient zur Ausdehnung des Strahles,
um eine Beleuchtung bei voller Apertur der Sammellinse 16 zu liefern. Wenn die diffuse Oberfläche
15 des Objektes 14 im Fokalsattel der Linse 16 befindlich ist, dann reflektiert die Kombination
einen wesentlichen Anteil der Energie in den Laser zurück. So wirkt der Spiegel 20 in Verbindung mit
der Oberfläche 15 als Resonator niedrigen Q-Wertes so lang die Oberfläche 15 im Fokalsattel der Linse
befindlich ist. Dieser zweite Resonator mit niedrigem Q-Wert wird mit dem Laser infolge der Durchlässigkeit
des Spiegels 20 gekoppelt. Der Modulator 21 be- «•irkt eine Phasenmodulation der Energie in dem
zweiten oder angekoppelten Resonator mit niedrigem Q-Wert mit einer Rate, die durch den Oszillator
22 bestimmt wird. Demgemäß ist die Energie, die in ■-"en Laser zunickeekoppelt wird, phasenmoduliert
na hierdurch ergibt sich eine Amplitudenmodula-
:>ii de;- Lasers. Der Indikator 19. aer mit dem FototteKtor
16 verbunden ist, ist auf die Freauenz des
.'sziliators 22 abgestimmt und zeigx deshalb an.
wann die Oberfläche 15 innerhalb des Fokalsattels der Linse 16 liegt.
Fig. 5 zeiet ein kennzeichnendes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Grundanordnung
nach Fi g. 1 benutzt wird. Das Laserrohr s0. die Pumpeil und die stirnseitigen Fenster 12
■■nu Aie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Die
.oilimatorünse 17 richtet parallele Strahlen auf die
OKUssierungslinse 16 über einen 45 -Spiegel 25. Die
mse 16 ist mitteis eines piezoelektrischen" Wandlers
1~ auf der optischen Sonde 26 angeordnet. Bei elektnscnem
Antrieb über einen Niederfrequenz-Oszilla-
xoT 28 bewegt der Wandler 27 die Linse 16 längs der
'ütischen Achse des Lasers. Diese ist durch die
^-Achse in der Zeichnung charakterisiert Es wird
eine genügend hohe Antriebskraft -iusgcunt. so daß
ζ ε Auswanderungen der Linse 16 die maximalen
i- Acnsen Abweichungen auf der Überfläche des
Gegenstandes 29 überschreiten. Die optische Sonde irc horizontal mittels eines mechanischen X-Achsen
jtasters. 30 angetrieben, der bewirkt, aaß sich die
. ptische Probe über einen genügenden Abstand quer zum Gegenstand 29 bewegt. Der Z-Achsen-Abtaster
liefen auch einen elektrischen Ausgang der Z-Ach- ^en-pjppschaltung des Speicher-Oszilloskops 31. Der
•Vrnkaieineane des Oszilloskops ward von einem
elektnrus.r.·. . Schalter32 erhalten, der durch das
Signai des Fotodetektors 18 gespeist wird.
Im Betrieb wird die Linse 16 mit einer Amplitude in Schwingungen versetzt, die ausreicht, um den Fokalsattel
der Linse 16 das maximale vertikale Profil des Gegenstandes 29 durchlaufen zu lassen. Die
optische Sonde liegt derart, daß dann wenn die Linse 16 in ihrer Obersten Stellung befindlich .ist, der Fokalsattel
gerade vom· höchsten Punkt des Gegenstandes 29 freikommt. Unter dieser Bedingung
schwingt der Laser nicht. Wenn die Linse 16 nach unten angetrieben wird, dann stößt der Fokalsattel
auf die difluse Oberfläche, und der Laser beginnt zu
schwingen, und beleuchtet demgemäß den Fotodetektor 18. Der Ausgang des Fotodetektors aktiviert
den Schalter 32 und es kann Energie vom Oszillator
28 das Oszilloskop 31 ausschlagen lassen. Das Maß des Ausschlages hängt von der Höhe der Oberfläche
ab. Wenn die optische Sonde 26 horizontal verschoben wird und verschiedene Pegel des Gegenstandes
29 von dem oszillierenden Fokalsattel getroffen werden, dann liefert das Oszilloskop eine vertikale
Darstellung der Oberfläche. Durch geeignete Einstellung der Verstärkung oder der Verluste in der
Schaltung (einschließlich Schalter 32) zwischen Oszillator 28 und Vertikaleingangsklemmen des Oszilloskops
31 erscheint eine geringe Änderung in der Oberfläche des Gegenstandes 29 im Oszilloskop stark
vergrößert.
Als weitere Verfeinerung kann ein Y-Achsen-Abtaster zusätzlich vorgesehen werden, indem z. B.
der Gegenstand 29 längs der System-Y-Achse bewegt wird, d. h. senkrecht zur Zeichenebene. Ein
Analogon dieser Bewegung wird dem Oszilloskop über eine nicht dargestellte Y-Achsenversetzung aufgeprägt.
Auf diese Weise erscheinen die AT-Y-Über-Iragungen auf dem Schirm des Oszilloskops als
-Y-Y-Koordinaten. Das Profil erscheint als ein Reliefbild
der Oberfläche in Folge der Y-Achsendarstellung des Profils. Falls erforderlich, kann der Ausgang
des Schalters 32 benutzt werden, um dem Oszilloskop 31 eine Intensitätsmodulation aufzuprägen,
und die X-Y-Koordinaten könnten direkt auf die Oszilloskopkoordinaten übertragen werden. In diesem
Falle würde das Oberflächenprofil als Helligkeitskontur erscheinen.
■Das System nach F i g. 5 ist arbeitsfähig infolge der parallelen Lichtstrahlen zwischen den Linsen 16
und 17. Wie bereits im einzelnen unter Bezugnahme auf F i g. 1 beschrieben, ermöglicht dies die Trennung
zwischen Linsen um eine Änderung zu erhalten, ohne die Laserschwingung zu ändern. Statt dessen können
die Bewegungseffekte der optischen Sonde dadurch
minimal gehalten werden, daß das Laserrohr 10, der Spiegel 13, der Fotodetektor 18 und die Linse 17 auf
der optischen Sonde 26 angeordnet werden, wodurch ein einheitlicher optischer Aufbau erreicht wird. Für
diese Ausbildung könnten sowohl die Bewegungen in Richtung der Z-Achse als auch in Richtung der
Y-Achse auf die optische Sonde selbst übertragen werden.
F i g. 6 zeigt die Distanzmeßeinrichtung in ihrer Anwendung bei einer programmierten Drehmaschine.
Die Drehmaschine 35 bewirkt eine Drehung des Werkstückes 36, während das Werkzeug 37 gegen
das Werkstück durch eine Zustelleinrichtung 38 zugeführt wird. Diese Drehmaschine wird durch eine
Programmiereinrichtung 39 gesteuert. Eine Indexvorrichtung 40 ordnet die Linse 16 io an. daß der
Ausean «durchmesser des Werkstücks 36 innerhalb
des Laserröhrendes des Fokalsattels ist. so daß der Laser nicht schwingt.
• Die Programmiereinrichtung 39 bewirkt, daß der
Schneidstahl 37 gegen das Werkstück 36 vorgeschorjeri
wird, worauf dessen Durchmesser verringert wird. Wenn der Durchmesser auf ein Maß verringert
ist, bei dem die Oberfläche in den Fökalsattel eintritt,
beginnt der Laser zu schwingen, und der Fotodetektor 18 liefert der Programmiervorrichtung 39
ίο ein Signal und letztere setzt die Werkzeugszustellung
still. Die Programmiereinrichtung schiebt dann das Werkstück 36 in eine neue Lage vor und stellt die
Indexeinrichtung 40 auf den gewünschten Teildurchmesser ein, so daß die spanabhebende Bearbeitung
in einem neuen Zyklus wie oben erwähnt anschließt. Hierdurch kann ein Werkstück mit hohen Toleranzwerten
bearbeitet werden, ohne daß irgendeine Meßeinrichtung in körperliche Berührung mit dem
zu bearbeitenden Werkstück gebracht werden müßte.
so F i g. 7 zeigt einen Doppelpolarisationslaser zur
Benutzung als Entfernungsmeßeinrichtung. Das Laserrohr 50, das Helium und Neon als aktives Material
enthalten kann und bei 1,15 μ arbeitet, wird durch eine Pumpe 11 erregt. Das Laserrohr ist mit
ein wenig von der parallelen formabweichenden Endfenstern ausgestattet so daß eine durch das Fenster
induzierte Resonatorwirkung verhindert wird, während keine spezielle Polarisationsrichtung bevorzugt
wird. Der Laserhohlraum ist an einem Ende mittels eines teildurchlässigen Spiegels 51 begrenzt, der als
Lesevorrichtung arbeitet und außerdem durch einen teildurchlässigen Spiegel 52 der als Laserausgangssignalvorrichtung
wirkt. Ein lineares doppelbrechendes Element 53 und ein Zirkular doppelbrechendes
Element 54 sind innerhalb des Laserresonators angeordnet. Diese Elemente bewirken, daß die Laserschwingungsmoden
auf Polarisationszustände begrenzt werden, die senkrecht zueinander verlaufen. Alle anderen Polarisationszustände werden zurückgewiesen,
weil sie keine stationären stehenden Wellen erzeugen und demgemäß nicht durch Laserresonatorwirkung
verstärkt werden. Da die optische Länge des Laserhohlraums für die zugelassenen senkrecht polarisierten
Moden unterschiedlich ist, sind benach-
■45 barte Lasermoden orthogonal und arbeiten mit etwas verschiedenen Frequenzen. Durch Einstellung dei
relativen Doppelbrechungsstärke der Elemente 53 und 54 wird eine benachbarte Modenkopplung aul
den sogenannten »starken« Bereich vergrößert, wc nur ein Modus zu jeder Zeit arbeitsfähig ist. weil dei
Schwingungsmodus Energie aus der orthogonaler Mode abzieht und diese hierdurch unterdrückt. Dis
Wirkung der starken Kopplung zwischen benachbarten Moden und die Steuerung einer solchen Kopp
lung durch Zufügung eines zirkular-doppelbrechen den Elementes zu einem Doppelpolarisationslaser is
in der US-PS 35 30 402 vorgeschlagen. Der Polari sator 55 ist parallel zur Hauptachse des einen allge
mein elliptisch polarisierten Orthogonal-Lasermodu orientiert, so daß der Fotodetektor 18 einen maxi
malen Ausgang erzeugt wenn dieser Modus schwing! Der Ausgang des Lasers für den orthogonalen Modu
wird durch den Polarisator 55 hauptsächlich abge blockt. Demgemäß ergibt eine Änderung im Ausgan
des Fotodetektors 18 eine Anzeige einer Änderun der Laser-Schwingungspolarisation.
Eine Viertelwellen-Verzögerungsplatte 56 liegt be nachbart zum Laserausgangsspiegel 52 und ein
wmirnrn
wird em wesentlicher Anteil des Laserausgangs durch den teildurchlässigen Spiegel 52 in den Laser zurückreflektiert.
Die Viertel-wtllenplatte 56 ist mit ihrer optischen Achse um 45° gegenüber der Hauptachse
des zugelassenen Laserpolarisationszustandes angestellt.
Dies bedeutet, daß dann, wenn der Lasern einem Modus schwingt, Strahlung in den Laserhohlraum
von der Oberfläche 15 über die Platte 56 zuruckreflektiert wird und einen Polarisationszustand
des orthogonalen Modus besitzt und wenn die Phase stimmt, wird dieser Modus in Schwingungen versetzt
. Wenn die zurückreflektierte Strahlung stark genug ist, schaltet die Laserschwingung von einem Modui
in den anderen um, jeweils wenn die PhasT der £
flektierten Strahlung um 180= geändert wird (d. h,
die Diffusionsoberfläche wird um A/4 bewegt). Wenn
die Oberfläche 15 von einer Stelle außerhalb des Fokalsattels in diesen hinein bewegt wir^ dam wird
dies durch das Anschwingen signalisiert und Impulse vom Fotodetektor 18 werden am Indikator 19 dargestellt.
Während die Oberfläche 15 durch den Fokal sattel hindurchtritt, ändert sich jeweils der Polarisationszustand,
wenn die Oberfläche sich um eine Viertelwellenlänge bewegt hat und dies wird du el
den Fotodetektor-Anzeiger dargestellt Bei einem Fokalsattel von einer Länge Ä ^i Sn^
erzeugt ein 1,15 μΐη Laser eine Polarisationsschaltung
von 434mal pro Durchgang. Diese Wirkung ergibt zwei getrennte Referenzen. Die Enden des
Fokalsattels werden scharf durch das Anschwingen bzw. Aufhören einer Polarisationsumschaltun^ dffi"
mert während durch Zählen der Pdarisafcfnsumschaltungen
eine präzise Messung der Viertelwellenlangen-Intervalle
innerhalb des Fokalsatteis möglich wird. Außerdem kann die Bewegungsgeschwindigkeit
auf der Oberfläche gemessen werden, indem die Schaltfrequenz festgestellt wird.
Fig. 8 veranschaulicht wie die Polarisationsumschaltung
eines Doppelpolarisations-Lasers bei einer Werkzeugmaschine benutzt werden kann, um präzise
Messungen durchzuführen. Das Laserrohr 50, der Fotodetektor 18, der Polarisator 55, der AuslesespiegelSl.
das lineare Doppelbrechungselement und das zirkuläre Doppelbrechungsefement 54
sind die gleichen wie in Verbindung mit Fig. 7 dargestellt.
Der Laserhohlraumausgangsspiegel152 die
Viertehvellenplatte 56 und die Linsen 57 und 16 sind
samthch in dem Gehäuse 60 einer optischen Sonde angeordnet, das durch einen Antrieb 61 längs der
Laserachse verschiebbar ist. Die Funktion der EIemente52,
57 und 16 wurde bereits unter Bezu»- nahme auf Fig. 7 beschrieben. Eine weitere Bezugnahme
auf den Antrieb 61 und dessen Ausbildung wird später nachgeholt. Das Lasersystem enthält
auch einen Modulator für die elektro-optische Phase, und dieser Modulator62 wird durch den
Oszillator 63 angetrieben. e"
Es zeigt sich, daß zwei Ursachen vorhanden sind die die Laser-Polarisation umschalten. Wenn der
Antrieb 61 die optische Sonde 60 über ein Viertel einer Laserwellenlänge bewegt, dann schaltet die
Polarisation um, weil der Laserhohlraum geändert wird. Wenn der Antrieb 61 mit konstanter Geschwindigkeit
arbeitet, erfolgt die Polarisationsumschaltung
der Annahme, stattfindet, und
5 Die anrW rwn» λ
ist e ne Fote νί
S «KoSflHdS der
daß ^m trSt^
daß eme oÄS
„ is be vfrkfSÄuSo?«
„ is be vfrkfSÄuSo?«
Oszillator63ι «2£ST ~ -T
sa SnsumschaiS ImT Τί ~ e T ine Polari-
Hohlraums 2 nkdrZeL ί * }^- ΥΤ ά™
sehen deTdX^nnff,·^863"^1 Wrd' der 2W1"
x5 besteht wohef T ä?6 ^ dem SPieScl 52
WeleniänH^SLi nT8 "fi ^ ™* ^*'
ziert flXah 8 u Da diese elektro-optisch indukann
i?S ν'" NatUr "ach elektronisch ist,
Ser als/ Γ S^ ^^ *β Sdir vid
*o E)Te Polari^rinn π d'e daher unterscheidbar ist.
der ^la"Satl.ons-^chaltgeschwindigkeit infolge
zeYchSe Sf -J" ,Modu f la'°rs 62 wird mit F„ bem
t kon^a^L rf^"^6! ^ dne Vorrichtung
wnduna SfonS τ "fIgkeit dar<
die durch An"
a5 kartei und Xf t ^c- "" ihre Steuerkreise ?e"
hen wirrTn^°nde 6^° von,links nach rechts verscho-
von r hts nachSs m"η f ^ Wird manudl
M^h mitteIs eines nicht dargestellten
Steuero'Sder die dem M , ^ "1P"15"10101- und
kette"£Zn Die 7,Sh /T konstante ImPuls"
eine S, '£ Zllfuh™g der Impulse erfolgt über
durch^ λ GatterschaI{ung- wodurch der Motor
SLtTwerde8 Γ Ste"erimPuIsen gestartet und
1 nearen rn^h' 9er,. Motor ist mit e!"em
Fin 7-h t mearen mechanischen Antrieb gekoppelt.
S?rifb wTrdTr" H' 4mUS, °der ein S^hnecken-DerTrtke
An/r h ί Z?'eck 8ew°hnlich benutzt.
S aSni L if S1"d 3uf diesem Gebiet der Tech"
7eLn f l'" u^3""1 Und brauchen nicht im ein-
Es solTSSn" '" Werden,
60 in fore?Ύχ^Τ,ι ^u daß Sich die S°nde
wird w£ daSS, Stellung befindet· Dann
64 in die unferf I' π "* lurückziehbare Referenz
Schäherfi\ w"! ^*^· Wenn sich der
dieΓ StartSue"uf^ MeßsteIlun8 befindet- bewirkt
und dfe Son*?S f T" ^* deS Antriebs61'
Sobald die άΛ· L "aCh rechts vorgeschoben.
fläche Her ρ f^f der Linse 16 in die Ober"
PoSrisatL m t T ? einläuft' beSinnt die Laser"
S 1S rf r Fre^uenz Fm umzuschalten. Ein
?£ςΤ?^ durchlauft ein Filter67
k 1T t Schwsllwertstufe 68 zugeführt. Letz-
püTs SmBR rf ^, ™α anSeordnet· daß ein Im-Se«f
SS„f rf ^8!egten Signal εΓζει^ wird' und
dewn vi JtI"1 trieb 61 zugeführt wird, um
S 2,fi ] u?6 zu beenden. Wenn der
Se Srade vnr ,M^ßstellung befindlich ist, wird
Raum " '· 1° 8f Ch?ben' bis si- eine" P™kt im
C™F er t ieicht<
d? durch die Fokalfläche der Linse 7ki™ ~V i und,dieser Punkt ist mit hoher Prä-SSEST*·
Um den A^tandD von der
der Oberfläche des Teüs 69
SkSES-T A^tandD von der
zu 2S^ ^ der Oberfläche des Teüs 69
die StaSuenm ΪΙ Re?renz zurückgezogen, und
Seb M SwhT1 ? ^J^r betätigt Der An
gg,
Seb M SwehTrf1 ? ^J^r betätigt Der Ander
Li- J SiI Au 5,S°?de 60 vor' bis die Fokalfläche
An ieSr °b^ache des TeUs 69 trifft
ftn dieser Sielle erscheint eine Polarisation·™!!-
£> 12
schaltung mit der Frequenz FM, und der Antrieb wird,
wie oben beschrieben, stillgesetzt. Während dieser letztgenannten Translationsbewegung, während der
die Fokalfläche sich über die Entfernung D bewegt,
trat eine Polarisationsumschaltung mit der Frequenz F7- auf, und diese Komponente des Ausgangs des
Fotodetektors 18 durchläuft das Filter 70. Eine Formstufe 71 formt die Flanken der Impulse, die
dann im Zähler 72 gezählt werden. Das Anzeigegerät 73 stellt entweder die Gesamtzahl der Zählungen
dar (dieser Wert kann in die Entfernung D umgerechnet werden) oder die tatsächlich von der
Sonde 60 durchlaufene Entfernung. Auf diese Weise kann der Abstand D mit einer sehr hohen Präzession
ohne jegliche mechanische Berührung gemessen werden. Die Zählung liefert eine genaue Anzeige der
Entfernung D, weil immer dann, wenn die Startsteuerung 66 betätigt wird, der Zähler 72 über die
Rückstell-Leitung 74 auf Null gestellt wird.
Wenn der Modenschalter 65 in der Einstellstellung befindlich ist, wird der Antrieb auf andere Weise
angehalten. Zunächst soll angenommen werden, daß der Antrieb 61 die optische Sonde 60 vorgeschoben
hat, bis die Fokalfläche der Linse 16 die Oberfläche der Referenz 64 in der Meßstellung, wie oben beschrieben
— berührt hat. Dann wird der Schalter 65 in die Einstell-Stellung gebracht, wodurch zwei zusätzliche
Stufen in Tätigkeit gesetzt werden. Der Komperator75 empfängt vom Zähler 72 eine Information
und wird durch die Impulszähleinstellung 76 programmiert. Diese Stufe 76 wird entweder
durch eine gewünschte Zahl von Impulsen, oder einen gewünschten Abstand eingestellt, je nachdem wie die
Eichung erfolgte. Hierdurch wird der Komperator 75 so programmiert, daß ein Ausgangsimpuls erzeugt
wird, wenn eine vorbestimmte Zahf von Eingangsimpulsen empfangen ist. Wenn die Startsteuerung 66
betätigt wird, läuft der Antrieb 61 und schiebt die Sonde 60 vor, bis die Impulse, die das Filter 70
durchlaufen (F7-) gleich der Zahl sind, die durch die
Impulszähleinstellung 76 geliefert sind. Der Impuls vom Komperator 75 hält den Antrieb 61 in einem
präzise vorbestimmten Abstand an. Durch Betätigung der Startsteuerung 66 wird auch die Zählstufe
72 durch die Rückstell-Leitung 74 auf Null zurückgestellt. Dies bedeutet, daß die Anzeigevorrichtung
73 immer entweder die gemessene Entfernung oder den eingestellten Abstand liest, um den der Antrieb
61 die Sonde 60 vorschiebt.
Ein Helium-Laser, der bei 3,4 μ arbeitet, wurde — wie in F i g. 1 dargestellt — eingestellt Es wurden
Linsen mit unterschiedlicher Brennweite an der Stelle der Linse 16 benutzt. Dabei zeigte sich, daß eine erfolgreiche
Laserschwingung erhalten werden konnte, wenn der Abstand zwischen der Linse 16 und der
Oberfläche 15 über Bereiche eines Bruchteils eines Zolls bis zu mehreren Yard betrug. (Bruchteile von
Zentimetern bis zu mehreren Metern.) Die Genauigkeit betrug bei 25 mm (1 Zoll) etwa 2,5X10"« mm
(0,01 mil) und bei 250 mm (10 Zoll) 6X10-3 mm
(0,24 mil). Demgemäß hängt die Genauigkeit von der F-Zahl der Linse 16 ab, und sie ist bei größeren
F-Werten kleiner. Eine erfolgreiche Messung konnte bei Oberflächen erlangt werden, die aus unpoliertem
und bearbeitetem Metall, Papier, Holz, Gummi und Ton zusammengesetzt waren, sowie bei flachen konkaven
und konvexen Spiegeloberflächen. Es konnten auch erfolgreiche Messungen bei schnell bewegten
Oberflächen, z. B. bei Motorwellen, durchgeführt werden.
xo Ein kommerziell verfügbares Helium-Neon-Laserrohr, welches bei 1,15 μ arbeitet, wurde wie in F i g. 4
dargestellt, eingesetzt. Das Anzeigegerät 19 enthielt ein schmales Bandpaßfilter, welches auf die Frequenz
des Oszillators 22 abgestimmt war. Es zeigte sich, daß die Vorrichtung arbeitsfähig war, während der
Laserschwinghohlraum über mehr als 200 mm (8 Zoll) verändert wurde. Hieraus ergibt sich, daß
die Kombination von Spiegel 20, Modulator 21, Linse 23 und Linse 16 wenigstens um 200 mm als
Einheit relativ zu dem übrigen Teil des Lasers verschoben werden kann.
Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn die diffuse Oberfläche 15 aus bearbeitetem Metall bestand, eine
Neigung bis zu 10° möglich war, ohne daß das
Sondenberührungssignal verloren ging. Weniger glatte Oberfläche konnten sogar noch weiter geneigt
werden.
Ein Helium-Neon-Laser mit Doppelpolarisation, der bei 1,15 μ arbeitet, wurde, wie aus Fig. 7 ersichtlich,
eingerichtet. Die Linse 16 besaß eine Brennweite von 12 mm und eine Apertur von 2 mm. Eine
Polarisationsumschaltung wurde m einem Bereich
der OberflächelS von ±0,075 mm (±3 mil) beobachtet.
Eine Polarisationsumkehr wurde bei jeder viertel Wellenlänge der Bewegung festgestellt. Oberflächen
aus weißem Papier, Maskenband, schwarzem, photographischem Band, anodischem Aluminium
und unpoliertem Plastikmaterial erwiesen sich als zufriedenstellend. Die mehr diffusen Oberflächen
konnten um einen Betrag über 45° geneigt werden und erzeugten dennoch ein ordnungsgemäßes Sondenberührungssignal.
Die maximale Arbeitsentfer-
4.5 nung der Doppelpolarisationseinrichtung betrug etwa
das 30fache des Bereichs der Einrichtung nach Fig. 1.
Das Grundprinzip der Erfindung wurde vorstehend anhand mehrerei Ausführungsbeispiele beschrieben.
Es sind zahlreiche Abwandlungen und äquivalente Ausführungsformen für den Fachmann denkbar. Im
Ausfuhrungsbeispiel wurden lichtdurchlässige Optiken benutzt. Statt dessen könnten auch Reflexionsoptiken benutzt werden. Weiter wurde ein Doppel-
polarisations-Laser als Ausfuhrungsbeispiel dargestellt, der sowohl lineare als auch zirkuläre Doppelbrechungs-Elemente
innerhalb des Laserhohlraumes benutzte. Statt dessen kann das zirkuläre Doppelbrechungselement
für gewisse Lasermaterialien z. B.
Kohlendioxyd wegfallen, wenn diese eine genügende Modenkopplung für linear polarisierte Moden aufweisen.
Wenn das aktive Material des Lasers auf ein axiales magnetisches Feld anspricht, kann ein solches
Feld anstelle eines zirkular-doppelbrechenden EIementes benutzt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
- wird Eine solche Kombination kann in Verbindung
- Fatentansprucne: ^ dnem herkömmiichen Spiegel benutzt werden, 1. Optische Abstandsmeßeinrichtung unter um einen Fabry-Perot-Resonanz-Hohlraum geringer Verwendung einer Laserstrahlenquclle zur Güte zu erzeugen. Ein Lasermedium mit hoher Ver-Messung des Abstandes zwischen einem Teil des 5 Stärkung kann eine Schwingung mit einem solchen optischen Systems und einem relativ dazu beweg- Resonator niedriger Güte erzeugen. Wenn die diffuse liehen Objekt mit diffus reflektierender Ober- Oberfläche außerhalb der Fokalfläche liegt, ist die fläche, dadurch gekennzeichnet, daß Güte des Hohlraums zu niedrig, und die Laserwireine Linse (16) in Kombination mit der Ober- kung tritt nicht auf. Wenn die Fokalfläche auf die fläche (15) des Objekts (14, 29, 64) ein reflek- io Oberfläche hin vorgeschoben wird, wird der tierendss Element bildet, das im Zusammenwir- Q-Wert des Hohlraumes größer, und das Anschwinken mit einem Spiegel (13, 51) einen Resonanz- gen des Lasers zeigt eine Berührung zwischen der hohlraum mit niedrigem Q-Wert bildet, wenn die Brennfläche und der Oberfläche an. Diese Kontakt-Objektoberfläche in der Fokalfläche (L/) der position ist mit hoher Präzision wiederholbar und Linse (16") liegt, daß weiterhin der Resonanz- 15 stellt daher eine nützliche Distanzmessung dar, die hohlraum mit niedrigem Q-Wert mit einem gemäß der Erfindung ausgenutzt wird. Gemäß einer Lasersystem derart verbunden ist, daß bei Beruh- abgewandelten Ausführungsform ist das aktive Laserrung zwischen der Fokalfläche der Linse mit der medium nicht in einem Hohlraum mit niedrigem relativ dazu beweglichen Objektoberfläche das Q-Wert enthalten, sondern statt dessen ist der Hohl-Lasersystem anschwingt und daß dem Laser- 20 raum mit niedrigem Q-Wert optisch mit einem hersystem eine Anzeigevorrichtung zugeordnet ist. kömmiichen Laser gekoppelt, und seine optische die anzeigt, wenn das Lasersystem schwingt. Länge wird mit einer geeigneten Frequenz moduliert. ™ 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Wenn der Laserausgang im Hinblick auf ModupA kennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung einen lationskomponenten bei Hohlraummodulationsfre-Photodetektor (18) aufweist, der auf Licht des 25 quenz Überwacht wird, kann die Berührung zwischen Sr anschwingenden Lasers anspricht, das einen teil- der Fokalfläche und der diffusen Oberfläche durch t durchlässigen Spiegel (13) durchdringt, der das ihr Vorhandensein festgelegt werden. Bei einer zweifcr der Linse (16) gegenüberliegende Ende des Re- ten abgewandelten Ausführungsform enthält der fr sonanzhohlraumes bildet. Hohlraum mit niedrigem Q-Wert eine Viertel-
- 3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, 30 Wellen-Platte und ist optisch mit einem Doppeldadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem polarisationslaser gekoppelt, der eine größere als die teildurchlässigen Spiegel (13) und einem weite- kritische Kopplung benachbarten Schwingungstyps s* ren teildurchlässigen Spiegel (20) gebildete Re- besitzt. Ein solcher Laser schwingt jeweils nur in
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US39680273 | 1973-09-13 | ||
US396802A US3901597A (en) | 1973-09-13 | 1973-09-13 | Laser distance measuring device |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2442400A1 DE2442400A1 (de) | 1975-08-07 |
DE2442400B2 true DE2442400B2 (de) | 1976-08-26 |
DE2442400C3 DE2442400C3 (de) | 1977-03-31 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3701558A1 (de) * | 1987-01-21 | 1988-08-04 | Buehler Ag Geb | Vorrichtung zum bestimmen der schichtdicke |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3701558A1 (de) * | 1987-01-21 | 1988-08-04 | Buehler Ag Geb | Vorrichtung zum bestimmen der schichtdicke |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2442400A1 (de) | 1975-08-07 |
GB1476190A (en) | 1977-06-10 |
FR2244181A1 (de) | 1975-04-11 |
JPS5057464A (de) | 1975-05-19 |
FR2244181B1 (de) | 1980-11-14 |
CA1019049A (en) | 1977-10-11 |
US3901597A (en) | 1975-08-26 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |