DE2442400B2 - Optische abstandsmesseinrichtung - Google Patents

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

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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 D_n, fokussiert, d. h. in dem ^Brennpunkt der Linse. Der kleinste •Grenzfokusdurchmesser d_s verhält sich zur Linsenbrennweite und der Apertur α wie folgt:

d₅ (mils):

0,1 D_n

(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 L_rGrenzen 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 D_n, auswandert, dann wird das Ende des Fokalsattels erreicht, wenn der Laserausgang auf

Punkte abzusinken beginnt, die mit D_n, - -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

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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 ^l^a"^Satl.^ons-^^chaltgeschwindigkeit infolge zeYchSe Sf -J" ,^Modu _f ^la'°^{rs 62 w}ird mit F„ bem t kon^a^L rf^"^⁶! ^ ^{dne Vorrichtun}g wnduna SfonS τ "f^{Igkeit dar< die durch An}" a₅ kartei und Xf t ^c- "" ^{ihre Steuerkreise} ?^e"

hen wirrT_n^°^{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 d_em M , ^ "¹P"¹⁵"¹⁰¹⁰¹- ^und kette"£Zn Die 7,Sh /T ^{konstante Im}P^uls" eine S, '£ ^Zllfuh™g der Impulse erfolgt über

durch^ λ ^{GatterschaI{u}ng- wodurch der Motor SLtTwerde⁸ Γ ^Ste"^erimP^uIsen gestartet und

1 nearen rn^h' 9^er,. ^{Motor ist mit e!}"^em Fin 7-h _t ^mearen mechanischen Antrieb gekoppelt.

S?rifb wTrdTr" H' 4^mUS, °^{der ein S}^^hnecken-DerTrtke An/r h ί ^Z?'^eck 8^ew°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 "* l^urückziehbare 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' ^beS^{innt die Laser}" S 1S rf r ^Fre^^{uenz F}m umzuschalten. Ein

?£ςΤ?^ ^{durchlauft ein Filter67} k 1T _t ^Schwsllwertstufe 68 zugeführt. Letz-

püTs SmBR rf ^, ™^{α an}S^eordnet· daß ein Im-Se«f SS„f rf ^⁸!^{egten Signal εΓζει}^ ^wird' ^und dewn vi JtI"^{1 trieb 61 zu}geführt wird, um S 2,fi ] u?^{6 zu beend}en. 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

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schaltung mit der Frequenz F_M, 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.

Beispiel I

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.

Beispiel II

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.

Beispiel III

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)

1. wird Eine solche Kombination kann in Verbindung
2. Fatentansprucne: ^ _{dnem herkömm}ii_chen 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. 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