DE3430820A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der geradlinigkeit einer bewegung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung der geradlinigkeit einer bewegung

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DE3430820A1
DE3430820A1 DE19843430820 DE3430820A DE3430820A1 DE 3430820 A1 DE3430820 A1 DE 3430820A1 DE 19843430820 DE19843430820 DE 19843430820 DE 3430820 A DE3430820 A DE 3430820A DE 3430820 A1 DE3430820 A1 DE 3430820A1
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Adolf Friedrich Prof. Dr.-Phys. Fercher
Hong Zhang 4300 Essen Hu
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Fercher adolf Friedrich profdr-Phys
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Fercher adolf Friedrich profdr-Phys
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02001Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02002Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01B9/02Interferometers
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    • G01B9/02095Speckle interferometers, i.e. for detecting changes in speckle pattern detecting deformation from original shape

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Description

  • Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Gerad-
  • linigkeit einer Bewegung Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit von Bewegungen im Bereich des Maschinenbaus, der Fertigungstechnik und der Fahrzeugtechnik. Beispielsweise tritt in der Fertigungstechnik das Problem auf, die Geradlinigkeit, mit welcher ein auf eine Schleifmaschine aufgespanntes Werkstück an der Schleifscheibe vorbei bewegt wird, zu messen.
  • Zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung sind verschiedene Verfahren bekannt. Vor Einführung des Lasers in die Meßtechnik wurden hierzu optische Strahlengänge zwischen Retroreflektoren benutzt. Eine Querbewegung eines sich entlang des geraden Strahlengangs bewegenden Meßschlittens konnte beispielsweise visuell über einen Meßmarkenversatz bestimmt werden. Daneben waren noch interferentielle Verfahren bekannt geworden, die jedoch nicht zu Meßgeräten führten.
  • Nach der Einführung des Lasers wurde eine Reihe von Verfahren bekannt, welche die Geradlinigkeit des Laserstrahls benutzten und Abweichungen eines Meßschlittens von der Strahlachse nachwiesen. Auch die interferentiellen Verfahren wurden weiterentwickelt und führten zu Geräten, deren wohl bekanntestes Beispiel das Hewlett-Packard-Interferoineter ist.
  • Weitere Verfahren, die zum Stand der Technik gehören, werden in dem Aufsatz von P. Langenbeck (Feinwerktechnik & Meßtechnik 85 (1977) Seiten 177 - 179) beschrieben und zitiert.
  • Alle diese Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß neben dem eigentlichen Meßgerät ein besonderer Meßschlitten oder Meßkopf am geradlinig bewegten Objekt befestigt werden muß.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die auf einen solchen zusätzlichen Meßschlitten oder Meßkopf verzichtet. Erfindungs- gemäß wird dies dadurch gelöst, daß die diffus streuende Oberfläche des sich geradlinig bewegenden Objekts von einem Laserstrahl beleuchtet wird und die Phase einzelner Laser-Speckle des rückgestreuten Lichts mit einem Interferometer gemessen wird.
  • Dies wird anhand der folgenden Figuren erläutert.
  • Fig. 1: Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung durch Gleichlichtmessung.
  • Fig. 2: Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung mittels Heterodyn-Verfahren.
  • Die Zahlen bedeuten: 1 ... Laser 2 ... Laserstrahl 3 ... Strahlteiler 4 ... Referenzstrahl 5 ... Meßstrahl 6 ... Meßobjekt 7 ... Bewegungsrichtung 8 ... Abbildungsoptik 9 ... Lochblende 10 ... Fotoempfänger 11 ... Elektronischer Zähler 12 ... Frequenzmodulator 13 ... Strahlteiler 14 ... Fotoempfänger 15 ... Elektronischer Differenzzähler 16 ... Elektronischer Diskriminator 17 ... Mikrorechner In Fig. 1 beleuchtet der vom Laser 1 austretende Strahl 2 zunächst ein Michelson-Interferometer. Dort wird der Laserstrahl 2 von einem Strahlteiler 3 in einen Referenzstrahl 4 und einen Meßstrahl 5 geteilt. Der Meßstrahl 5 beleuchtet die Oberfläche des Meßobjekts 6, welches sich geradlinig in Richtung 7 bewegt. Den vom Meßstrahl 5 ausgeleuchteten Teil der Objektoberfläche bildet eine Optik 8 auf einer Lochblende 9 ab. Dieses Bild besteht aus einer fleckigen Helligkeitsverteilung, den sogeannten "Laser-Speckle". Diese Erscheinung tritt immer auf, wenn diffus streuende Oberflächen von kohärentem Licht beleuchtet werden und besteht aus einer Vielzahl heller Flecken ("Speckle"), deren mittlerer Durchmesser durch X t/D gegeben ist. Dies und weitere Eigenschaften der Laser-Speckle sind wohlbekannt und zum Beispiel in der Monographie "Laser Speckle und Related Phenomena't (Springer Verlag, 1975, Herausgeber J.C. Dainty) beschrieben.
  • Die Öffnung der Lochblende 9 ist kleiner als der mittlere Speckledurchmesser. Dadurch ist gewährleistet, daß der Fotoempfänger 1o die Interferenz immer nur einer Laser Speckle mit dem Referenzstrahl 4 registriert. Das Uberraschende ist nun, daß selbst dann, wenn die Objektoberfläche, wie in Fig. 1 angedeutet, stark gegen den Meßstrahl geneigt ist, bei einer Bewegung senkrecht zum Meßstrahl sich die Speckle-Phase nicht verändert. Erfolgt die Bewegung 7 hingegen unter einem Winkel ungleich 9o° zum Meßstrahl, ändert sich die Speckle-Phase. Die physikalische Erklärung hierfür ist sehr einfach: das rückgestreute Licht ist dopplerverschoben und die Dopplerverschiebung verschwindet, wenn Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung liegen.
  • Diese Erscheinung kann man mit einer Anordnung nach Fig. 1 zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung nutzen. In Fig. 1 ist der Meßstrahl senkrecht zur Bewegung 7 orientiert. Bewegt sich das Objekt 6 nicht genau in diese Richtung, führt dies zu einer Phasenänderung in den Laser-Speckle und führt durch die Interferenz mit dem Referenzstrahl zu entsprechendem Hell-Dunkel-Wechsel an der Lochblende. Diese werden vom fotoelektrischen Empfänger 1o re- gistriert und vom elektronischen Zähler 11 gezählt und geben ein Maß für die Abweichung der Bewegung des Objekts 6 von der zum Meßstrahl 5 senkrecht stehenden Richtung.
  • In der Anordnung nach Fig. 1 erfolgt das Zählen der Hell-Dunkel-Wechsel im wesentlichen durch eine sehr störanfällige Gleichlichtmessung. Dies läßt sich durch ein Heterodyn-Verfahren nach Fig. 2 vermeiden: Im Referenzstrahlengang befindet sich nunmehr ein Frequenzmodulator 12, der die Frequenz fR des Referenzlichts gegenüber der Frequenz des Meßlichts um die Heterodynfrequenz fH verändert.
  • Dies kann durch bekannte Verfahren der optischen Heterodyntechnik (z.B. mittels polarisationsoptischer oder akustooptischer Verfahren) erreicht werden. Ein Teil des frequenzverschobenen Referenzlichts gelangt über den Strahlteiler 3 und den Strahlteiler 13 zu dem Fotoempfänger 14, ebenso ein Teil des Meßlichts, der beispielsweise an einer der ebenen Grenzflächen des Strahlteilers 3 reflektiert wurde. Diese beiden Lichtbündel interferieren und erzeugen am Fotoempfänger 14 ein elektrisches Wechselsignal mit der Frequenz fH. Dies ist das elektronische Bezugssignal. Das elektronische Meßsignal entsteht wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, wobei hier hinzukommt, daß sich nun die Speckle-Phase gegenüber dem Referenzstrahl auch bei exakt geradliniger Bewegung des Objekts 6 senkrecht zum Meßstrahl 5 ändert und zwar entsprechend der erzeugten Heterodynfrequenz. In diesem Fall entsteht am Fotoempfänger 1o ein Wechselsignal mit der Frequenz f , Der Differenzzähler 15 bildet die Differenz der zwei Fotoempfängersignale aus lo und 14.Das Zählergebnis gibt die jeweilige Abweichung der Bewegung von der geradlinigen Bewegung senkrecht zur Meßachse an, mit einer Empfindlichkeit von X/2 je Einheit, wobei A die Wellenlänge des vom Laser 1 emittierten Lichts ist.
  • Ein solches Heterodyn-Verfahren läßt sich auch auf folgende Weise realisieren: Erfolgt die Bewegung des Objekts 6 nicht senkrecht zur Meßstrahlrichtung, dann ist das Licht in den Speckle des remittierten Lichts dopplerverschoben, entsprechend der Geschwindigkeitskomponente des Objekts in Richtung des Meßstrahls. Erfolgt die Bewegung des Objekts mit konstanter Geschwindigkeit, liefert der Fotoempfänger 1o ein Signal konstanter Frequenz. Abweichungen von dieser Frequenz entsprechen dann Abweichungen von der Geradlinigkeit der Bewegung.
  • Es sei noch darauf hingewiesen, daß es nicht notwendig ist, daß Objektoberfläche und Meßblende 9 abbildungsmässig zueinander konjugiert sind. Selbst starke Defokussierung stört die Messung nicht. Die Optik 8 dient in erster Linie dazu, das rückgestreute Licht zu sammeln, um ausreichende Intensität für den Fotoempfänger 10 zu haben.
  • Ein entscheidender Aspekt dieses Verfahrens beruht auf den Laser-Speckle: Von Speckle zu Speckle ist die Anfangsphase zufällig. Nur solange man innerhalb einer hellen Speckle bleibt, gibt die Interferenz mit dem Referenzlicht entsprechend stark ausgeprägte Maxima und Minima. Man kann also immer nur innerhalb einer hellen Speckle messen und nicht fortlaufend. Die gesamte Messung setzt sich also aus Einzelmessungen zusammen, die jeweils innerhalb einer hellen Speckle erfolgen. Hierzu dient ein elektrischer Diskriminator 16, der beim Absinken der Signalmodulation unter einen vorgegebenen Wert die Messung automatisch beendet und bei Vorliegen hinreichender Signalmodulation die Messung erneut startet. Die Einzelergebnisse werden von einem Mikrorechner 17 registriert.
  • Leerseite

Claims (3)

  1. Patentansprüche 1.'Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit der Bewegung eines Objekts dadurch gekennzeichnet, daß die Objektoberfläche mit einem Laserstrahl beleuchtet wird und der zeitliche Verlauf der Phase innerhalb einzelner Speckle im rückgestreuten Licht in einem Interferometer photoelektrisch registriert wird.
  2. 2. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung senkrecht zum Meßstrahl erfolgt.
  3. 3. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung nicht senkrecht zum Meßstrahl erfolgt.
DE19843430820 1984-08-22 1984-08-22 Verfahren und vorrichtung zur messung der geradlinigkeit einer bewegung Withdrawn DE3430820A1 (de)

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