DE4022601A1 - Optical measurer for lengths using sensor and movable reflector - has two partial mirrors on opposing surfaces of sensor with laser behind one - Google Patents

Abstract

A photodetector intercepts the emergent partial mirrors on the sensor and converts to a corresp. electrical signal. The movable measuring reflector has a side turned away from the laser and receives emergent light from the laser for reflection back to the transmissive element. The distance between the partial mirrors is measured such that a standing wave is formed between them. The light transmissive element is a spherical lens (3), the partial mirors being formed on the outer surface on opposite sides. The photodetector (5) is arranged near the lens to receive the light emerging at an angle to the optical axis (8). ADVANTAGE - Very simple construction which can also be very small.

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.The invention relates to a device in the upper Concept of claim 1 mentioned type for optical measurement of lengths between a sensor and a movable measuring device flector.

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.DE-OS 36 12 221 is a device of known type, which comes from a monochromatic Laser radiation source, optically birefringent and reflec tive components and a sampling etalon that represents a light-transmitting body and on its parallel end faces with partially transparent and photo electrically active layers is provided. The end faces thus form partially transparent mirrors and at the same time a photo diodes. The distance between the end faces of the scan eta lons is in relation to the wavelength of the laser beam dimensioning source so that a standing wave arises. Light reflected by the measuring reflector is superimposed the wave standing in the sampling etalon, and the sum of these two waves or their difference is determined by the scanned photoelectrically active layers. In the event of a change the distance of the measuring reflector changes the light to the photoelectrically active layers and thus those of them emitted electrical voltage, which is then a measure of the Length change between sensor and measuring reflector is.

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.This known device is because of the arrangement  of the photoelectrically active layers on the partial transmission mirror relatively expensive. Besides, that is Facility to the extent described above not in the Location, the direction of changes in the distance between Determine the sensor and measuring reflector.

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.By IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, No. 10, October 1982, pp. 1647-1652, it is known with an interferometer two 90 ° out of phase and to form alternating voltages dependent on the measured value in order to a forward / backward count of changes in brightness to enable, which arise when the measured value changes ben. For this purpose the current source of a diode laser modulated with a frequency. This also changes that Light on the output photodiode of the interferometer with the Modulation frequency. The output AC voltage of the photo diode becomes once with the modulation frequency and once with twice the modulation frequency depending on the phase demodu liert. In this way two are created 90 ° apart offset output voltages that provide a forward / reverse Allow counting of a frequency by the light path changes inside or outside the interferometer hangs. The modulation frequency thus acts as a carrier frequency frequency for the measuring frequency. The use of an interferome However, ters represents a considerable effort because relatively complex components such as coupling points of light ladders, beam splitters and beam combiners, phase shifters, Modulators, etc. are necessary. Because of the many optical In some cases, the miniaturization of such interferometers is limited.

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.The invention has for its object a direction for optical measurement of lengths between one Sensor and a movable measuring reflector to create the is very simple in construction and is very small leaves.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst. The object underlying the invention will by the teaching specified in the characterizing part of claim 1 solved.  

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.The basic idea of the invention is to generate of the standing wave does not require reflecting surfaces to train more than parallel plane surfaces, but as Outer surfaces of a spherical lens that are very simple and can be made exactly. The use of a ball lens leads but at the same time to the great advantage that the interfering te light between the standing wave and from the measuring reflector returning wave no longer on the end faces of the Interference path and thus also in the beam path of the the light returning from the measuring reflector can be sampled must, rather at any point on the Scanned surface of the ball lens or in the vicinity thereof can be. By superimposing the standing wave and the namely, the wave coming back from the measuring reflector arises by multiple reflections at the glass - air interface Ball lens on the surface of an interference pattern, the when moving the measuring reflector in a slide tralplane to which that from the laser through the spherical lens running light runs parallel, along the surface of the Ball lens moves. According to the invention is on the surface Ball lens or in the vicinity of which the photodetector is arranged, so that it passes through the interference pattern Changes in the distance of the measuring reflector a changing Emits voltage, the alternating number of which is a measure of that of the movable measuring reflector is covered distance.

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.The distance of the dark spots along the upper The surface of the spherical lens is not in an immediate position and relationship to the wavelength of the light from the laser also not constant along the surface of the spherical lens.

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.The use of the spherical lens also has the frequently exploitable advantage that it focuses the light from the laser. However, only measuring paths in the range of a few millimeters can be realized, due to the focus position of the measuring beam from the spherical lens to the measuring reflector. A development of the invention therefore provides a spherical lens between the ball lens and measuring reflector, which is dimensioned so that the light runs parallel to the optical axis 8 in Rich direction measuring reflector. In this way, the device is suitable for the measurement of substantially larger paths of movement of the measuring reflector. The converging lens is, of course, on the side of the focus of the spherical lens facing away from the spherical lens.

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.If a plane mirror is used as the measuring reflector, then its angular position must be set and maintained exactly so that the desired one, on the surface of the ball wandering light patterns arise. To meet these conditions simplify, it is according to a development of the invention Appropriately, on the side of the ball facing away from the laser to arrange a single-mode optical fiber, the one of the sphere light facing the lens lies at the focal point of the spherical lens, where at the end of the monomode facing away from the ball lens A gradient index lens is arranged in the optical fiber the light coming from the optical fiber into parallel light transforms that out onto the as a retroreflective ball formed measuring reflector falls. With the retroreflective Sphere is compliance with special alignment conditions not mandatory. The gradient index lens is one Lens whose material has a radial gradient index. Such lenses are known, for example from the book "Optics Guide", 1988, by Melles Griot, 18-48, 1770 Kettering Street, Irvine, California 92714, United States of America. For sensors working with standing waves it is not easily possible the direction of the movement of the measuring reflector. In the case of the invention However, institution can also apply the measures be in the literature discussed at the beginning "IEEE Journal of Quantum Electronics". It is therefore easily possible as a semiconductor laser trained laser by modulating its power supply to modulate and 90 ° to each other through the known measures the offset output voltages to form a pre enable up / down counting of a frequency that  depend on the light path changes to the measuring reflector. The device according to the invention enables because of the Ver application of the spherical lens an extremely simple formation of voltages offset from one another by 90 ° which are a pre enable up / down counting. That on the surface the interference pattern appearing on the spherical lens moves namely depending on the surface of the spherical lens speed of the movements of the measuring reflector, namely in different directions depending on the direction the movement of the measuring reflector. By arranging a two th photodetector in the direction of movement of the interference sters in front of or behind the second detector can be added corresponding distance between the photodetectors the photodetectors generate two voltages that feel like sin and cos are related to each other. Except for using one second photo detector and their exact arrangement are so no further action is required to reduce the sin / cos span generation. This represents a considerable simplification chung compared to the known arrangement.

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.So that the output voltages of the two photo detectors behave exactly like sin and cos it to an exact position of the photodetectors to each other and in Relationship to the interference pattern. According to the teaching of Claim 5 is the distance between the first and second Adjustable photodetector so that the sin / cos position is established is cash. The 90 ° phase shift between the two Output voltages of the photo detectors can also be used with a fixed distance between the photodetectors an adjustment of the position of the two photo detectors along the circumference of the ball lens. This is because the interference pattern along the surface of the spherical lens stretches or contracts so that when the two move firmly arranged photodetectors the place can be set where the 90 ° phase relationship exists.

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.The two photo detectors can be in again known manner to an up / down counter  be closed in order to determine the direction To achieve movement of the measuring reflector.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden.Based on the drawing, the invention is intended below are explained in more detail.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 1 shows a first embodiment of the invention.

Fig. 2 bis 4 dienen zur Erläuterung der Funktionsweise der Einrichtung nach Fig. 1. FIGS. 2 to 4 of the device used for explaining the operation of FIG. 1.

Fig. 5 entspricht den Fig. 2 bis 4 und verdeutlicht die Einstellung der beiden Fotodetektoren und Fig. 5 corresponds to Figs. 2 to 4 and illustrates the setting of the two photo detectors and

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 6 shows a second embodiment of the invention.

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. Fig. 1 shows schematically a sensor 1 , on or on which a laser diode 2 , a spherical lens 3 and a Sammellin se 4 and two photodetectors 5 and 6 are arranged, which are attached to a common plate 7 .

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.Along an optical axis 8 , a measuring reflector 9 in the form of a flat mirror is arranged at a distance from the sensor 1 . This mirror can be attached to a not shown Darge object or touch it, the distance to be measured with respect to the sensor 1 . The measuring reflector 9 can thus be moved back and forth in the direction of a double arrow 10 .

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.The electrical outputs of the photodetectors 5 and 6 are connected via lines 11 and 12 to amplifiers 13 and 14 , the output lines 15 and 16 of which are connected to the two inputs of an up / down counter 17 .

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.The light from the laser diode 2 enters the spherical lens 3 , which is indicated by beams 18 , 19 and 33 . Within the spherical lens 3 , which has a refractive index of 2, the rays 20 , 21 and 34 will reflect the interfaces 22 and 23 between glass and air, which are represented by fresnel reflection on opposite, semi-transparent mirrors, which is indicated by the double arrow 34 is. This results in a standing wave between the interfaces 22 and 23 .

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.Part of the light exits through the interface 22 , which is indicated by rays 26 , 27 and 8 , which converge in a focus 28 and then reach the converging lens 4 , where they are converted into parallel rays 29 , 30 and 8 . These reach the surface of the flat Meßre reflector 9 and are thrown back into themselves, which is indicated by double arrows 31 , 32 and 8 . The reflected rays return in the same way back into the spherical lens 3 , where they overlap with the standing wave between the interfaces 22 and 23 .

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.As will be explained below with reference to FIGS. 2 to 4, the interference on the surface of the spherical lens 3 results in an interference pattern which is scanned by the photodiodes 5 and 6 . The photodiodes 5 and 6 have such a position relative to one another that they sample the interference pattern with a phase shift of 90 ° and thus also emit output signals which differ from one another by a phase angle of 90 °, which is indicated by the information sin and cos to the Output lines 15 and 16 is indicated. Because of this 90 ° shift, the up / down counter 17 is able to count in both directions and thus reflect the movement of the measuring reflector 9 in both directions of the double arrow 10 .

Nachfolgend wird das Entstehen des Interferenz­ musters an der Oberfläche der Kugellinse 3 anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert.The formation of the interference pattern on the surface of the spherical lens 3 is explained below with reference to FIGS . 2 to 4.

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.In Fig. 2, a beam path is drawn, in which a beam with a small exit angle α to the optical axis 8's another optical path than a beam in Fig. 3, which exits with an angle α. The result of the superimposition of these beams or waves under different paths with the reflected by the measuring reflector 9 re wave (beams 29 and 30 ) leads to the genann th interference pattern, which depends in its phase position on the geometric location on the spherical surface. By comparing the paths of the rays drawn in the spherical lens 3 in FIGS. 2 and 3, the difference in the paths can easily be seen.

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. 4 shows the case where a beam 33 enters along the optical axis 8 in the ball lens 3 and is reflected by reflection at the interfaces 22 and 23 in itself, so that a standing wave is generated, as indicated by a thick double arrow 34 is made clear. A part of this beam along the optical axis 8 is not reflected back in the optical axis 8 , so that a partial beam 35 is formed which also appears laterally on the surface of the spherical lens 3 and thus contributes to the formation of the interference pattern.

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. 5 shows essentially an arrangement according to FIGS. 2 to 4 and is intended to show that by shifting the photodiodes 5 and 6 along the surface of the ball lens 3 in the direction of arrows 36 or 37, the desired 90 ° -Ver shift between the two Photo detector signals 5 and 6 is adjustable. But it is also possible that only one of the photodetectors, e.g. B. 5 is fixed, while the other, e.g. B. 6 , in contrast, is displaceable, so that the 90 ° phase position is adjustable in this way.

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. Fig. 6 shows a second embodiment of the invention. The same or corresponding parts are provided with the same reference numbers. The difference is that the converging lens 4 is omitted and instead a single-mode optical fiber 38 is provided, one end 39 of which is in focus 28 , while at the other end 40 a lens 41 is arranged, the material of which has a radial gradient index, so that from it the light shines as parallel rays 42 and 43 . Because of this parallelism, it is possible to provide a retroreflective ball 44 as a measuring reflector instead of a flat mirror.

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. 1. Device for the optical measurement of lengths between a sensor and a movable measuring reflector, the sensor having a light-transmitting body, on which partially transparent mirrors are arranged on two opposite surfaces, a laser behind the partially transparent mirror of the light-transmitting body is arranged and throws light through the semitransparent mirror into the light transmitting body, and a first photodetector which intercepts light emerging from the light transmitting body and converts it into a corresponding electrical signal, the movable measuring reflector being arranged on the side facing away from the laser is and there escapes light and reflects back into the light-transmitting body, and the distance between the partially transparent mirrors is dimensioned such that a standing wave is formed between them, characterized in that the light-transmitting body egg ne ball lens ( 3 ), the outer surface of which forms the semi-transparent mirror at two diametrically opposite positions, and that the first photodetector ( 5 ) next to the ball lens ( 3 ) is arranged and at an angle to the optical axis ( 8 ) the ball lens ( 3 ) catches emerging light. 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.2. Device according to claim 1, characterized in that between the ball lens (3) and measuring reflector (9) on which the ball lens (3) side facing away from the focus (28) of the ball lens (3) a condenser lens (4) is disposed, which is so dimensioned that the light is parallel to the measuring reflector ( 9 ). 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.3. Device according to claim 1, characterized in that on the laser ( 2 ) facing away from the ball lens ( 3 ) a monomode optical fiber ( 38 ) is arranged, the ball lens ( 3 ) facing end ( 39 ) in focus ( 28th ) of the spherical lens ( 3 ), and that at the end of the spherical lens ( 3 ) ( 40 ) of the single-mode optical fiber ( 38 ) a gradient index lens ( 41 ) or a collecting lens ( 4 ) is arranged, which from the light fiber ( 38 ) coming light is converted into parallel light that falls on the measuring reflector formed as a retroreflective ball ( 44 ). 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.4. Device according to claim 1, characterized in that in a diametrical plane, to which the laser ( 2 ) through the ball lens ( 3 ) runs parallel light, next to the first photo detector ( 5 ), a second photo detector ( 6 ) in one such a distance is arranged that when changes in the distance between the sensor ( 1 ) and Meßreflek gate ( 9 , 44 ) the output voltages of the two photodetectors ( 5 , 6 ) behave like sin and cos to each other. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen erstem Fotodetektor (5) und zweitem Fotodetektor (6) einstellbar ist.5. Device according to claim 4, characterized in that the distance between the first photo detector ( 5 ) and the second photo detector ( 6 ) is adjustable. 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.6. Device according to claim 4 or 5, characterized in that the position of the two photodetectors ( 5 , 6 ) along the circumference of the ball lens ( 3 ) is adjustable. 7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Fotodetektoren (5, 6) die beiden Eingänge eines Vorwärts-/Rückwärtszählers (17) angeschlossen sind.7. Device according to claim 4, characterized in that the two inputs of an up / down counter ( 17 ) are connected to the two photodetectors ( 5 , 6 ). 8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugellinse (3) einen Brechungsindex von ungefähr 2, idealerweise gleich 2 hat.8. Device according to claim 1, characterized in that the ball lens ( 3 ) has a refractive index of approximately 2, ideally equal to 2.