DE4022601A1 - Einrichtung zur optischen messung von laengen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Ober
begriff des Anspruchs 1 genannten Art zur optischen Messung
von Längen zwischen einem Sensor und einem bewegbaren Meßre
flektor.
Durch die DE-OS 36 12 221 ist eine Einrichtung der
betreffenden Art bekannt, die aus einer monochromatischen
Laser-Strahlungsquelle, optisch doppelbrechenden und reflek
tierenden Bauelementen und einem Abtast-Etalon besteht, der
einen Licht übertragenden Körper darstellt und an seinen
parallelen Endflächen mit teilweise transparenten und foto
elektrisch aktiven Schichten versehen ist. Die Endflächen
bilden also teildurchlässige Spiegel und gleichzeitig Foto
dioden. Der Abstand zwischen den Endflächen des Abtast-Eta
lons ist im Verhältnis zu der Wellenlänge der Laser-Strah
lungsquelle so bemessen, daß eine stehende Welle entsteht.
Von dem Meßreflektor reflektiertes Licht überlagert sich mit
der in dem Abtast-Etalon stehenden Welle, und die Summe
dieser beiden Wellen bzw. deren Differenz wird durch die
fotoelektrisch aktiven Schichten abgetastet. Bei Änderung
des Abstandes des Meßreflektors ändert sich das Licht an den
fotoelektrisch aktiven Schichten und damit die von diesen
abgegebene elektrische Spannung, die dann ein Maß für die
Längenänderung zwischen Sensor und Meßreflektor ist.
Diese bekannte Einrichtung ist wegen der Anordnung
der fotoelektrisch aktiven Schichten auf dem teildurchlässi
gen Spiegel verhältnismäßig aufwendig. Außerdem ist die
Einrichtung in dem oben beschriebenen Umfang nicht in der
Lage, die Richtung von Änderungen des Abstandes zwischen
Sensor und Meßreflektor festzustellen.
Durch IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.
QE-18, Nr. 10, Oktober 1982, S. 1647-1652, ist es bekannt,
bei einem Interferometer zwei um 90° phasenverschobene und
von dem Meßwert abhängende Wechselspannungen zu bilden, um
eine Vorwärts-/Rückwärts-Zählung der Helligkeitsänderungen
zu ermöglichen, die sich bei Änderungen des Meßwertes erge
ben. Zu diesem Zweck wird die Stromquelle eines Diodenlasers
mit einer Frequenz moduliert. Dadurch ändert sich auch das
Licht an der Ausgangsfotodiode des Interferometers mit der
Modulationsfrequenz. Die Ausgangswechselspannung der Foto
diode wird einmal mit der Modulationsfrequenz und einmal mit
der doppelten Modulationsfrequenz phasenabhängig demodu
liert. Auf diese Weise entstehen zwei um 90° voneinander
versetzte Ausgangsspannungen, die eine Vorwärts-/Rückwärts-
Zählung einer Frequenz ermöglichen, die von den Lichtwegän
derungen innerhalb oder außerhalb des Interferometers ab
hängt. Die Modulationsfrequenz wirkt somit als Trägerfre
quenz für die Meßfrequenz. Die Verwendung eines Interferome
ters stellt jedoch einen beträchtlichen Aufwand dar, da
relativ komplizierte Bauteile wie Koppelstellen von Licht
leitern, Strahlteiler und Strahlvereiniger, Phasenschieber,
Modulatoren usw. notwendig sind. Wegen der vielen optischen
Teile ist die Verkleinerung solcher Interferometer begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein
richtung zur optischen Messung von Längen zwischen einem
Sensor und einem bewegbaren Meßreflektor zu schaffen, die
sehr einfach im Aufbau ist und sich sehr klein herstellen
läßt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird
durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre
gelöst.
Grundgedanke der Erfindung ist es, die zur Erzeugung
der stehenden Welle erforderlichen spiegelnden Flächen nicht
mehr als parallele Planflächen auszubilden, sondern als
Außenflächen einer Kugellinse, die sich sehr einfach und
genau herstellen läßt. Die Verwendung einer Kugellinse führt
aber gleichzeitig zu dem großen Vorteil, daß das interferen
te Licht zwischen stehender Welle und von dem Meßreflektor
zurückkommender Welle nicht mehr an den Endflächen der
Interferenzstrecke und damit auch im Strahlengang des von
dem Meßreflektor zurückkommenden Lichts abgetastet werden
muß, vielmehr an grundsätzlich beliebiger Stelle an der
Oberfläche der Kugellinse oder in deren Nähe abgetastet
werden kann. Durch Überlagerung der stehenden Welle und der
von dem Meßreflektor zurückkommenden Welle entsteht nämlich
durch mehrfache Reflexion an der Grenzfläche Glas - Luft der
Kugellinse auf deren Oberfläche ein Interferenzmuster, das
sich bei einer Bewegung des Meßreflektors in einer Diame
tralebene, zu der das von dem Laser durch die Kugellinse
laufende Licht parallel verläuft, entlang der Oberfläche der
Kugellinse bewegt. Erfindungsgemäß ist an der Oberfläche der
Kugellinse bzw. in deren Nähe der Fotodetektor angeordnet,
so daß dieser bei Durchlaufen des Interferenzmusters bei
Änderungen des Abstandes des Meßreflektors eine wechselnde
Spannung abgibt, deren Wechselzahl ein Maß für die von dem
bewegbaren Meßreflektor durchlaufenen Strecke ist.
Der Abstand der Dunkelstellen entlang der Ober
fläche der Kugellinse steht dabei nicht in einer unmittelba
ren Beziehung zur Wellenlänge des Lichts des Lasers und ist
auch nicht entlang der Oberfläche der Kugellinse konstant.
Die Verwendung der Kugellinse hat außerdem den
häufig ausnutzbaren Vorteil, daß sie das Licht des Lasers
fokussiert. Dabei sind jedoch nur Meßwege im Bereich von
einigen Millimetern realisierbar, bedingt durch die Fokusla
ge des Meßstrahls von der Kugellinse zu dem Meßreflektor.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher zwischen Kugel
linse und Meßreflektor eine Sammellinse vor, die so bemessen
ist, daß das Licht parallel zur optischen Achse 8 in Rich
tung Meßreflektor verläuft. Auf diese Weise ist die
Einrichtung für die Messung wesentlich größerer Wege der
Bewegung des Meßreflektors geeignet. Die Sammellinse liegt
natürlich auf der der Kugellinse abgewandten Seite des Fokus
der Kugellinse.
Wird als Meßreflektor ein Planspiegel verwendet, so
muß seine Winkellage exakt eingestellt und eingehalten
werden, damit das gewünschte, auf der Oberfläche der Kugel
wandernde Lichtmuster entsteht. Um diese Bedingungen zu
vereinfachen, ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
zweckmäßig, auf der dem Laser abgewandten Seite der Kugel
linse eine Monomode-Lichtfaser anzuordnen, deren der Kugel
linse zugewandtes Licht im Brennpunkt der Kugellinse liegt,
wobei an dem der Kugellinse abgewandten Ende der Monomode-
Lichtfaser eine Gradienten-Index-Linse angeordnet ist, die
das aus der Lichtfaser kommende Licht in paralleles Licht
verwandelt, das auf den als retroreflektierende Kugel ausge
bildeten Meßreflektor fällt. Bei der retroreflektierenden
Kugel ist eine Einhaltung besonderer Ausrichtbedingungen
nicht erforderlich. Die Gradienten-Index-Linse ist eine
Linse, deren Material einen radialen Gradientenindex hat.
Solche Linsen sind bekannt, beispielsweise durch das Buch
"Optics Guide", 1988, von Melles Griot, 18-48, 1770
Kettering Street, Irvine, California 92714, United States of
America. Bei mit stehenden Wellen arbeitenden Sensoren ist
es nicht ohne weiteres möglich, die Richtung der Bewegung
des Meßreflektors festzustellen. Bei der erfindungsgemäßen
Einrichtung können jedoch auch die Maßnahmen angewendet
werden, die in der eingangs diskutierten Literaturstelle
"IEEE Journal of Quantum Electronics" beschrieben sind. Es
ist also ohne weiteres möglich, den als Halbleiter-Laser
ausgebildeten Laser durch Modulation seiner Stromversorgung
zu modulieren und durch die bekannten Maßnahmen 90° zueinan
der versetzte Ausgangsspannungen zu bilden, die eine Vor
wärts-/Rückwärts- Zählung einer Frequenz ermöglichen, die
von den Lichtwegänderungen zum Meßreflektor hin abhängen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht wegen der Ver
wendung der Kugellinse eine außerordentlich einfache Bildung
von 90° zueinander versetzten Spannungen, die eine Vor
wärts-/Rückwärts-Zählung ermöglichen. Das auf der Oberfläche
der Kugellinse erscheinende Interferenzmuster bewegt sich
nämlich entlang der Oberfläche der Kugellinse in Abhängig
keit von den Bewegungen des Meßreflektors, und zwar in
unterschiedliche Richtungen in Abhängigkeit von der Richtung
der Bewegung des Meßreflektors. Durch Anordnung eines zwei
ten Fotodetektors in Bewegungsrichtung des Interferenzmu
sters vor oder hinter dem zweiten Detektor lassen sich bei
entsprechendem Abstand der Fotodetektoren zueinander durch
die Fotodetektoren zwei Spannungen erzeugen, die sich wie
sin und cos zueinander verhalten. Außer der Verwendung eines
zweiten Fotodetektors und deren genauen Anordnung sind also
keine weiteren Maßnahmen erforderlich, um die sin/cos-Span
nungen zu erzeugen. Dies stellt eine beträchtliche Vereinfa
chung gegenüber der bekannten Anordnung dar.
Damit sich die Ausgangsspannungen der beiden Foto
detektoren genau wie sin und cos zueinander verhalten, kommt
es auf eine genaue Lage der Fotodetektoren zueinander und im
Verhältnis zu dem Interferenzmuster an. Nach der Lehre des
Anspruchs 5 ist der Abstand zwischen erstem und zweitem
Fotodetektor einstellbar, so daß die sin/cos-Lage herstell
bar ist. Die 90°-Phasenverschiebung zwischen den beiden
Ausgangsspannungen der Fotodetektoren läßt sich aber auch
mit einem festen Abstand der Fotodetektoren zueinander durch
eine Einstellung der Lage der beiden Fotodetektoren entlang
dem Umfang der Kugellinse erzielen. Dies deshalb, weil sich
das Interferenzmuster entlang der Oberfläche der Kugellinse
dehnt bzw. zusammenzieht, so daß bei Verschiebung der beiden
fest zueinander angeordneten Fotodetektoren der Ort ein
stellbar ist, wo die 90°-Phasenbeziehung besteht.
Die beiden Fotodetektoren können wieder in an sich
bekannter Weise an einen Vorwärts-/Rückwärts-Zähler ange
schlossen sein, um so eine richtungsabhängige Bestimmung der
Bewegung des Meßreflektors zu erzielen.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachfolgend
näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Fig. 2 bis 4 dienen zur Erläuterung der
Funktionsweise der Einrichtung nach Fig. 1.
Fig. 5 entspricht den Fig. 2 bis 4 und verdeutlicht
die Einstellung der beiden Fotodetektoren und
Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Sensor 1, an oder auf
dem eine Laserdiode 2, eine Kugellinse 3 und eine Sammellin
se 4 sowie zwei Fotodetektoren 5 und 6 angeordnet sind, die
an einer gemeinsamen Platte 7 befestigt sind.
Entlang einer optischen Achse 8 ist im Abstand zu
dem Sensor 1 ein Meßreflektor 9 in Form eines ebenen Spie
gels angeordnet. Dieser Spiegel kann an einem nicht darge
stellten Gegenstand befestigt sein oder ihn berühren, dessen
Abstand in bezug zu dem Sensor 1 gemessen werden soll. Der
Meßreflektor 9 ist also in Richtung eines Doppelpfeiles 10
hin- und herbeweglich.
Die elektrischen Ausgänge der Fotodetektoren 5 und
6 sind über Leitungen 11 und 12 mit Verstärkern 13 und 14
verbunden, deren Ausgangsleitungen 15 und 16 mit den beiden
Eingängen eines Vorwärts-/Rückwärtszählers 17 verbunden
sind.
Das Licht der Laserdiode 2 gelangt in die
Kugellinse 3, was durch Strahlen 18, 19 und 33 angedeutet
ist. Innerhalb der Kugellinse 3, die einen Brechungsindex
von 2 hat, werden die Strahlen 20, 21 und 34 die durch
fresnelsche Reflexion an sich gegenüberliegenden, halbdurch
lässige Spiegel darstellenden Grenzflächen 22 und 23 zwi
schen Glas und Luft reflektiert werden, was durch den
Doppelpfeil 34 angedeutet ist. Somit ergibt sich zwischen
den Grenzflächen 22 und 23 eine stehende Welle.
Durch die Grenzfläche 22 tritt ein Teil des Lichts
aus, was durch Strahlen 26, 27 und 8 angedeutet ist, die in
einem Fokus 28 zusammenlaufen und dann in die Sammellinse 4
gelangen, wo sie zu Parallelstrahlen 29, 30 und 8 umgeformt
werden. Diese gelangen auf die Oberfläche des ebenen Meßre
flektors 9 und werden in sich selbst zurückgeworfen, was
durch Doppelpfeile 31, 32 und 8 angedeutet ist. Die zurück
geworfenen Strahlen gelangen auf dem gleichen Wege zurück in
die Kugellinse 3, wo sie sich mit der stehenden Welle zwi
schen den Grenzflächen 22 und 23 überlagern.
Wie das nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 4 noch er
läutert werden wird, entsteht durch die Überlagerung auf der
Oberfläche der Kugellinse 3 ein Interferenzmuster, das durch
die Fotodioden 5 und 6 abgetastet wird. Die Fotodioden 5 und
6 haben eine solche Lage zueinander, daß sie das Interfe
renzmuster mit einer Phasenverschiebung von 90° abtasten und
somit auch Ausgangssignale abgeben, die sich um einen Pha
senwinkel von 90° zueinander unterscheiden, was durch die
Angaben sin und cos an den Ausgangsleitungen 15 und 16
angedeutet ist. Aufgrund dieser 90°-Verschiebung ist der
Vorwärts-/Rückwärts-Zähler 17 in der Lage, in beide Richtun
gen zu zählen und somit die Bewegung des Meßreflektors 9 in
beide Richtungen des Doppelpfeiles 10 wiederzugeben.
Nachfolgend wird das Entstehen des Interferenz
musters an der Oberfläche der Kugellinse 3 anhand der Fig. 2
bis 4 erläutert.
In Fig. 2 ist ein Strahlengang gezeichnet, bei dem
ein Strahl mit einem kleinen Austrittswinkel α zur opti
schen Achse 8 einen anderen optischen Weg zurücklegt als ein
Strahl in Fig. 3, der mit einem Winkel α austritt. Das
Ergebnis der Überlagerung dieser Strahlen bzw. Wellen unter
schiedlicher Laufwege mit der von dem Meßreflektor 9 re
flektierten Welle (Strahlen 29 und 30) führt zu dem genann
ten Interferenzmuster, das in seiner Phasenlage von dem
geometrischen Ort auf der Kugeloberfläche abhängt. Durch
Vergleich der Wege der in die Kugellinse 3 eingezeichneten
Strahlen in Fig. 2 und 3 läßt sich der Unterschied der
Laufwege ohne weiteres erkennen.
Fig. 4 zeigt den Fall, wo ein Strahl 33 entlang der
optischen Achse 8 in die Kugellinse 3 eintritt und durch
Reflexion an den Grenzflächen 22 und 23 in sich selbst
reflektiert wird, so daß eine stehende Welle erzeugt wird,
was durch einen dicken Doppelpfeil 34 verdeutlicht ist.
Von diesem Strahl entlang der optischen Achse 8 wird ein
Teil nicht in der optischen Achse 8 zurückreflektiert, so
daß ein Teilstrahl 35 gebildet ist, der ebenfalls seitlich
an der Oberfläche der Kugellinse 3 erscheint und somit zur
Bildung des Interferenzmusters beiträgt.
Fig. 5 zeigt im wesentlichen eine Anordnung gemäß
den Fig. 2 bis 4 und soll zeigen, daß durch Verschiebung der
Fotodioden 5 und 6 entlang der Oberfläche der Kugellinse 3
in Richtung von Pfeilen 36 oder 37 die gewünschte 90°-Ver
schiebung zwischen den beiden Fotodetektorsignalen 5 und 6
einstellbar ist. Es ist aber auch möglich, daß nur einer der
Fotodetektoren, z. B. 5, fest ist, während der andere, z. B.
6, demgegenüber verschiebbar ist, so daß auf diese Weise die
90°-Phasenlage einstellbar ist.
Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Gleiche oder sich entsprechende Teile sind mit
gleichen Bezugsziffern versehen. Der Unterschied besteht
darin, daß die Sammellinse 4 weggelassen und statt dessen
eine Monomode-Lichtleitfaser 38 vorgesehen ist, deren eines
Ende 39 im Fokus 28 liegt, während am anderen Ende 40 eine
Linse 41 angeordnet ist, deren Material einen radialen
Gradientenindex hat, so daß aus ihr das Licht als Parallel
strahlen 42 und 43 austritt. Aufgrund dieser Parallelität
ist es möglich, statt eines ebenen Spiegels eine retrore
flektierende Kugel 44 als Meßreflektor vorzusehen.
Claims (8)
1. Einrichtung zur optischen Messung von Längen zwischen
einem Sensor und einem bewegbaren Meßreflektor, wobei der
Sensor aufweist einen Licht übertragenden Körper, an dem an
zwei gegenüberliegenden Flächen teildurchlässige Spiegel
angeordnet sind, einen Laser, der hinter dem einen teil
durchlässigen Spiegel des Licht übertragenden Körpers ange
ordnet ist und Licht durch den teildurchlässigen Spiegel in
den Licht übertragenden Körper wirft, und einen ersten
Fotodetektor, der aus dem Licht übertragenden Körper austre
tendes Licht auffängt und in ein entsprechendes elektrisches
Signal umwandelt, wobei der bewegbare Meßreflektor auf der
dem Laser abgewandten Seite angeordnet ist und dort austre
tendes Licht auffängt und in den Licht übertragenden Körper
zurückreflektiert, und wobei der Abstand zwischen den teil
durchlässigen Spiegeln so bemessen ist, daß zwischen ihnen
eine stehende Welle gebildet ist, dadurch gekennzeich
net, daß der Licht übertragende Körper eine Kugellinse (3)
ist, deren äußere Fläche an zwei diametral gegenüberliegen
den Stellen die halbdurchlässigen Spiegel bildet, und daß
der erste Fotodetektor (5) neben der Kugellinse (3) angeord
net ist und in einem Winkel zu der optischen Achse (8) aus
der Kugellinse (3) austretendes Licht auffängt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Kugellinse (3) und Meßreflektor (9) auf der der
Kugellinse (3) abgewandten Seite des Fokus (28) der Kugel
linse (3) eine Sammellinse (4) angeordnet ist, die so bemes
sen ist, daß das Licht zu dem Meßreflektor (9) parallel ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der dem Laser (2) abgewandten Seite der Kugellinse
(3) eine Monomode-Lichtfaser (38) angeordnet ist, deren der
Kugellinse (3) zugewandtes Ende (39) im Fokus (28) der
Kugellinse (3) liegt, und daß an dem der Kugellinse (3)
abgewandten Ende (40) der Monomode-Lichtfaser (38) eine
Gradienten-Index-Linse (41) oder eine Sammellinse (4) ange
ordnet ist, die das aus der Lichtfaser (38) kommende Licht
in paralleles Licht verwandelt, das auf den als retroreflek
tierende Kugel (44) ausgebildeten Meßreflektor fällt.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in einer Diametralebene, zu der das von dem Laser (2)
durch die Kugellinse (3) laufende Licht parallel verläuft,
neben dem ersten Fotodetektor (5) ein zweiter Fotodetektor
(6) in einem solchen Abstand angeordnet ist, daß sich bei
Änderungen des Abstandes zwischen Sensor (1) und Meßreflek
tor (9, 44) die Ausgangsspannungen der beiden Fotodetektoren
(5, 6) wie sin und cos zueinander verhalten.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen erstem Fotodetektor (5) und zweitem
Fotodetektor (6) einstellbar ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Lage der beiden Fotodetektoren (5, 6) entlang
dem Umfang der Kugellinse (3) einstellbar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß an die beiden Fotodetektoren (5, 6) die beiden Eingänge
eines Vorwärts-/Rückwärtszählers (17) angeschlossen sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kugellinse (3) einen Brechungsindex von ungefähr 2,
idealerweise gleich 2 hat.
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