DE4335037A1 - Einrichtung zur Erfassung der Lage eines Objektes - Google Patents
Einrichtung zur Erfassung der Lage eines ObjektesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung
der Lage eines Objektes mittels eines von einer Laser
lichtquelle gelieferten Meßlichtstrahles und mindestens
eines positionsempfindlichen photoelektrischen Detek
tors, der in Abhängigkeit von der Auftreffstelle des
Meßlichtstrahles elektrische Signale abgibt, wobei der
Laserlichtquelle ein Wellenleiter nachgeschaltet ist,
in den - vorzugsweise über eine Einkoppellinse - aus
der Laserlichtquelle stammendes Licht eingekoppelt
wird, und wobei am Ausgang des Wellenleiters eine Kol
limatorlinse zur Bildung des Meßlichtstrahles aus dem
divergent aus dem Wellenleiter austretenden Licht vor
gesehen ist.
Derartige Einrichtungen sind bereits bekannt und werden
zur berührungslosen Lagebestimmung von Objekten, bei
spielsweise Maschinenteilen od. dgl. eingesetzt. Bei
hohen Genauigkeitsanforderungen bekommt man mit den
herkömmlichen Laserlichtquellen, insbesondere mit den
preisgünstigen Helium-Neon-Lasern, Probleme durch die
nicht ausreichend genaue Richtungsstabilität des Laser
lichtstrahles, welche das Meßergebnis verfälscht. Au
ßerdem liegt das Meßobjekt häufig an schwer zugängli
chen räumlich beengten Stellen, in deren Nähe die La
serlichtquelle nicht angeordnet werden kann, so daß auf
wendige Lichtstrahlführungen über Spiegel nötig sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine leicht handhabbare
und hochpräzise Einrichtung zur Erfassung der Lage ei
nes Objektes der eingangs genannten Gattung zu schaf
fen.
Bei einer Einrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruch 1
wird dies dadurch erreicht, daß ein Meßspiegel mit dem
Objekt in Verbindung steht und ein nicht mit dem Objekt
mitbewegter, positionsempfindlicher Detektor den ge
spiegelten Meßlichtstrahl empfängt.
Die US-PS 4,844,618 zeigt bereits die Idee, die Quali
tät eines Laserstrahls dadurch zu verbessern, daß er
zunächst durch einen Wellenleiter gesandt wird, um dann
später als "gereinigter" Laserstrahl auf einen posi
tionsempfindlichen Detektor aufzutreffen.
Gemäß der US-PS 4,844,618 ist dieser positionsempfind
liche Detektor starr mit dem Objekt verbunden. Dies ist
auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 der Fall,
bei dem eine Umlenkung um 90° erfolgt.
Gemäß der Erfindung ist hingegen vorgesehen, am Meß
objekt lediglich einen Spiegel anzubringen und den po
sitionsempfindlichen Detektor nicht mitzubewegen. Dies
hat den Vorteil, daß vom positionsempfindlichen Detek
tor wegführende Kabel beim eigentlichen Meßobjekt nicht
stören, was vor allem bei größeren Verschiebewegen des
Meßobjektes und bei sehr empfindlichen Meßobjekten von
Vorteil ist. Der Meßspiegel kann vorzugsweise ein Re
troreflektor sein, der den Meßlichtstrahl parallel zu
sich selbst zurückwirft. Damit ist es möglich, daß der
Detektor und die Kollimatorlinse fest miteinander ver
bunden und beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht sind, wie dies der Anspruch 3 zum Aus
druck bringt.
Die erfindungsgemäße Idee läßt sich insbesondere bei
einer interferometrischen Einrichtung zur Längenmessung
anwenden, bei der bereits ein vorher durch eine Licht
leitfaser gesandter Meßlichtstrahl zur Verfügung steht.
Besonders vorteilhaft läßt sich dies mit einer Ergän
zungsvorrichtung zu einem bestehenden Interferometer
realisieren.
Die erfindungsgemäße Führung des Laserlichts im Wellen
leiter und die anschließende Auskopplung auf die Meß
strecke ergibt einen hochrichtungsstabilen Meßlicht
strahl, der von allfälligen Richtungsschwankungen des
Laserlichts direkt nach dem Austritt aus der Laser
lichtquelle nicht gestört wird. Insbesondere bei Ver
wendung von Einmodenwellenleitern stellt das Ende diese
Einmodenwellenleiters eine praktisch ideale Punktlicht
quelle dar, die in Brennpunkt einer Kollimatorlinse zur
Erzeugung eines lediglich beugungsbegrenzten Meßlicht
strahles angeordnet wird.
Neben integrierten optischen Wellenleitern eignen sich
insbesondere auch flexible Lichtleitfasern, vorzugs
weise monomode Fasern. Solche Fasern erlauben es, die
Laserlichtquelle samt Versorgungseinheiten räumlich ge
trennt vom Austrittsende der Lichtleitfaser und der
Kollimatorlinse anzuordnen. Das Austrittsende der
Lichtleitfaser und die Kollimatorlinse sind durch einen
Halter exakt zueinander justiert. Es ist auch möglich,
diesen Halter zum Schutz gegen Umwelteinflüsse in einem
geschlossenen Gehäuse unterzubringen. Im Gegensatz zur
Laserlichtquelle und der Versorgungseinheiten kann die
ses Gehäuse sehr klein ausgebildet werden und daher
auch an schwer zugänglichen Stellen angeordnet werden.
Die erfindungsgemäße Idee läßt sich vorteilhaft auch
als Ergänzung zu einem bereits bekannten Interferometer
anwenden, bei dem ein Interferometerkopf mit den we
sentlichen optischen Komponenten über eine flexible
Lichtleitfaser Laserlicht aus einer Laserlichtquelle
zugeführt wird. Zur Lagemessung des Objektes ist dieses
mit einem Meßspiegel verbunden und außerdem ist vorge
sehen, daß die Einrichtung eine Ergänzungsvorrichtung
umfaßt, die am Interferometerkopf derart befestigbar
ist, daß zumindest ein Teil des vom Meßspiegel zurück
kehrenden Meßlichtstrahls auf einen in der Ergänzungs
vorrichtung angeordneten positionsempfindlichen photo
elektrischen Detektor trifft, welcher in Abhängigkeit
von der Auftreffstelle des Meßlichtstrahles elektrische
Signale abgibt. Dabei ist es möglich, daß man den In
terferometerkopf für spezielle Anwendungen ausschließ
lich zur Lagemessung des Objektes quer zur Meßstrahl
richtung verwendet. Darf kann der positionsempfindliche
Detektor den gesamten vom Meßspiegel zurückkehrenden
Meßstrahl empfangen. Das eigentliche Interferometer ist
dann inaktiv.
Es besteht aber auch die günstige Möglichkeit, bei
spielsweise über einen Strahlteiler, den zurückkehren
den Meßstrahl sowohl in den Interferometerkopf als auch
auf den positionsempfindlichen Detektor fallenzulassen.
Damit ist durch das Interferometer eine interferometri
sche Abstandsbestimmung bzw. Verschiebewegsbestimmung
möglich und gleichzeitig mit dem positionsempfindlichen
Detektor eine Ermittlung der Lage des Objektes quer zur
Richtung des Meßlichtstrahles. Diese gleichzeitige Er
fassung mittels eines Interferometers in Richtung des
Meßstrahles und mittels eines positionsempfindlichen
Detektors quer zur Richtung des Meßstrahles läßt sich
auch bei anderen Interferometertypen anwenden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das vom
positionsempfindlichen Detektor abgegebene Signal dazu
verwendet werden, die Lage eines Meßspiegels quer zur
Meßstrahlrichtung unabhängig von Unebenheiten der Auf
lage oder der Führung entlang der der Meßspiegel ver
schoben wird, konstant zu halten. Dies erlaubt auch bei
relativ unebenen Führungen eine Verwendung des Meßspie
gels für ein Interferometer zur Längenmessung. Außerdem
kann über das Regelsignal zur Einstellung der Lage des
Meßspiegels quer zur Meßstrahlrichtung auf die Uneben
heit der Führung bzw. der Auflage für den Meßspiegel
geschlossen werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten werden in der nach
folgenden Figurenbeschreibung näher erläutert, in denen
die Fig. 1 bis 5 schematische Darstellungen von Ausfüh
rungen der erfindungsgemäßen Einrichtung zeigen.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung ist in einem
Gehäuse 1 eine Laserlichtquelle samt nicht dargestell
ten Versorgungseinheiten angeordnet. Die Laserlicht
quelle kann beispielsweise ein kostengünstiger Helium-
Neon-Laser aber auch eine Halbleiterdiode und jeder an
dere Laser sein. Über eine Einkoppellinse 3 wird der
aus der Laserlichtquelle 2 austretende Lichtstrahl auf
das Eintrittsende 4 der flexiblen Lichtleitfaser 5 bzw.
eines kurzen Lichtleitfaserstückes fokussiert, das über
einen lösbaren Faserverbinder 6 mit der flexiblen
Lichtleitfaser 5 verbunden ist. Dies erlaubt eine An
passung der Länge der Lichtleitfaser an die jeweiligen
Erfordernisse und im Falle einer Beschädigung einen
einfachen Austausch. Das Ende 5a der monomoden Licht
leitfaser 5 (Einmodenwellenleiter) stellt eine ideale
Punktlichtquelle dar, die in Brennpunkt der Kollimator
linse 6 angeordnet ist. Das Ende der Lichtleitfaser 5
und die Kollimatorlinse 6 sind im Gehäuse 7 relativ zu
einander in fix justierter Weise gehalten. Derartige
Halter sind bekannt und daher in der schematischen Dar
stellung der Fig. 1 nicht näher gezeigt. Der kolli
mierte Meßlichtstrahl 8 tritt durch das Austrittsfen
ster des Gehäuses aus und ist auf den positionsempfind
lichen photoelektrischen Detektor 10 gerichtet. Der De
tektor 10 ist innerhalb eines mit einem Eintrittsfen
ster 11 versehenen Gehäuses 12 angeordnet, das auf dem
in seiner Lage zu erfassenden Objekt (nicht darge
stellt) befestigt werden kann. Die in Abhängigkeit von
der Auftreffstelle des Meßlichtstrahles 8 auf den posi
tionsempfindlichen Detektor 10 von diesem abgegebenen
Signale werden über Signalleitungen 13 an eine Auswert
einrichtung 14 geführt, die beispielsweise die beiden
Koordinaten X und Y quer zur Meßstrahlrichtung 8 anzei
gen kann.
Insbesondere wenn das Objekt in Meßstrahlrichtung um
größere Beträge verschoben werden soll, ist es zur Ver
meidung von langen bewegten Signalkabeln 13 günstig,
wenn am Objekt 14 selbst ein Meßspiegel, vorzugsweise
ein Retroreflektor 15 angeordnet ist, wie dies in Fig.
2 gezeigt ist. Über diesen Meßspiegel ist es möglich,
den Meßlichtstrahl parallel zu sich selbst zurückzuwer
fen. Dies erlaubt es, den positionsempfindlichen Detek
tor 10 hinter einem Eintrittsfenster 16 im Gehäuse 7
der Auskoppellinse 6 anzuordnen. Bei Bewegungen des Ob
jektes 14 kann damit die Lage des Detektors 10 fest
bleiben. Damit brauchen die Signalleitungen 13 zur Aus
werteinrichtung 14 nicht mitbewegt werden und stören
damit die Bewegung des Objektes 14 nicht.
Durch die flexiblen Lichtleitfasern 5 läßt sich das re
lativ kleine Gehäuse 7 an nahezu jeder beliebigen
Stelle anordnen. Durch die vorherige Führung des
Lichtes in einer flexiblen Lichtleitfaser, insbesondere
in einer monomoden Lichtleitfaser und der anschließen
den Auskopplung des Lichtstrahles auf die Meßstrecke,
wird eine hervorragende Richtungsstabilität des Meß
lichtstrahles erzielt, die Voraussetzung für eine hoch
präzise Lagebestimmung des Objektes ist.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zu
einem bereits bestehenden Interferometer eine Ergän
zungsvorrichtung vorgesehen ist, die eine Lagebestim
mung des Meßspiegels 15 bzw. eines daran befestigten
Objektes quer zur Meßstrahlrichtung erlaubt.
In Fig. 3 ist ein Interferometerkopf 17 gezeigt, dem
über eine flexible Lichtleitfaser aus einer Lichtquel
leneinrichtung 1 Laserlicht zugeführt wird. Das aus dem
Austrittsende 5a der Lichtleitfaser divergent austre
tende Licht wird durch eine Kollimatorlinse 6 kolli
miert und gelangt auf einen als halbdurchlässiger Spie
gel ausgebildeten Strahlteiler 18. Dieser teilt das
Licht in einen Meßlichtstrahl 8 und einen Referenz
lichtstrahl 19 auf. Wenn der Ergänzungsteil 20 nicht
vorgesehen ist, tritt der Meßlichtstrahl durch das Aus
trittsfenster 21 auf die freie Meßstrecke auf, gelangt
auf den Retroreflektor 15 und wird von diesem parallel
zu sich selbst zurückgeworfen. Der Meßlichtstrahl tritt
dann durch ein Eintrittsfenster 22 wieder in den Inter
ferometerkopf 17 ein und gelangt zur Rekombinationsein
richtung 23, an der er mit dem Referenzlichtstrahl 19
interferiert. Die optischen Interferenzsignale gelangen
über eine Linse 24 auf einen photoelektrischen Detektor
25 und können von dort mittels einer nicht dargestell
ten Auswerteinrichtung ausgewertet werden. Mit dem In
terferometer läßt sich die Lage des Meßspiegels 15 in
Richtung des Meßlichtstrahles 8 ermitteln.
Soll nun die Lage des Meßspiegels quer zur Meßstrahl
richtung ermittelt werden, kann eine Ergänzungsvorrich
tung 20 über schematisch dargestellte Halter 26 in
wohldefinierter Lage am Interferometer derart befestigt
werden, daß der vom Meßspiegel 15 zurückkehrende Meß
lichtstrahl auf den positionsempfindlichen photoelek
trischen Detektor 10 trifft, von dem die Signalleitun
gen 13 zur Auswerteinrichtung 14 gelangen. Bei dem in
Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Ergän
zungsteiles ist dabei das eigentliche Interferometer im
Interferometerkopf 17 inaktiv.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des
Ergänzungsteiles ist ein gleichzeitiger Betrieb des In
terferometers möglich. Die übrige Anordnung ist gleich
aufgebaut wie in Fig. 3. Im Ergänzungsteil 20 ist ein
halbdurchlässiger Spiegel 27 vorgesehen, der einen Teil
des Meßlichtstrahles über das Eintrittsfenster 27 zur
Rekombinationseinrichtung des Interferometers durchläßt
und einen anderen Teil auf den positionsempfindlichen
Detektor 10 reflektiert. Damit läßt sich gleichzeitig
die Lage des Reflektors 15 in allen Rangrichtungen be
stimmen.
Bei Verschiebungen von Meßspiegeln entlang von Führun
gen oder Auflagen 28 hat man häufig das Problem, daß
die Führung bzw. Auflage 28, wie in Fig. 5 übertrieben
angedeutet, nicht eben ist und es daher zu unerwünsch
ten lateralen Abweichungen des Meßspiegels 15 kommt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kann nun eine Einrichtung 29 (beispielsweise ein Piezo-
Element zwischen Auflage 30 und Retroreflektor 15) vor
gesehen sein, um den Retroreflektor 15 quer zur Führung
28 einzustellen. Über die Leitung 31 und die Regelein
richtung 32 erfolgt diese Quereinstellung in Abhängig
keit von dem Signal aus dem positionsempfindlichen De
tektor 10. Weicht der Meßspiegel 15 quer zur Meßstrahl
richtung ab, so stellt dies der positionsempfindlichen
Detektor 10 fest. Die Regeleinrichtung gibt dann ein
entsprechendes Signal über die Leitung 31 an das Piezo-
Element 29, um die richtige Querlage wieder herzustel
len. Neben Piezo-Elementen eignen sich natürlich andere
Verstelleinrichtungen, z. B. motorgetriebene Schlitten.
Als positionsempfindliche Detektoren kommen vorzugs
weise Quadrantendioden, positionsempfindliche Photo
dioden (PSD) oder positionsempfindliche CCD-Elemente in
Frage. Es sind jedoch auch andere dem Fachmann bekannte
positionsempfindliche photoelektrische Detektoren ein
setzbar. Die Einkoppellinse 3 und die Kollimatorlinse 6
können auch Linsensysteme sein, die aus mehreren Linsen
zusammengesetzt sind.
Claims (10)
1. Einrichtung zur Erfassung der Lage eines Objektes mit
tels eines von einer Laserlichtquelle gelieferten Meß
lichtstrahles und mindestens eines positionsempfindli
chen photoelektrischen Detektors, der in Abhängigkeit
von der Auftreffstelle des Meßlichtstrahles elektri
sche Signale abgibt, wobei der Laserlichtquelle ein
Wellenleiter nachgeschaltet ist, in den - vorzugsweise
über eine Einkoppellinse - aus der Laserlichtquelle
stammendes Licht eingekoppelt wird, und wobei am Aus
gang des Wellenleiters eine Kollimatorlinse zur Bil
dung des Meßlichtstrahles aus dem divergent aus dem
Wellenleiter austretenden Licht vorgesehen ist, da
durch gekennzeichnet, daß ein Meßspiegel (15) mit dem
Objekt (14) in Verbindung steht und ein nicht mit dem
Objekt (14) mitbewegter, positionsempfindlicher Detek
tor (10) den gespiegelten Meßlichtstrahl empfängt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßspiegel ein Retroreflektor (15) ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Detektor (10) und die Kollima
torlinse (6) miteinander fest in Verbindung stehen.
4. Interferometrische Einrichtung mit einer Laserlicht
quelle und einem Interferometerkopf, dem über eine
flexible Lichtleitfaser Licht aus einer Laserlicht
quelle zugeführt wird und der einen Strahlteiler zur
Aufteilung des Lichts in Meß- und Referenzlichtstrahl,
sowie eine Rekombinationseinrichtung umfaßt, an bzw.
in der der Referenzlichtstrahl und der durch eine Kol
limatorlinse kollimierte und über einen Meßspiegel ge
führte Meßlichtstrahl interferieren können, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Ergänzungs
vorrichtung (20) umfaßt, die am Interferometerkopf
(17) derart befestigbar ist, daß zumindest ein Teil
des vom Meßspiegel zurückkehrenden Meßlichtstrahls auf
einen in der Ergänzungsvorrichtung (20) angeordneten
positionsempfindlichen photoelektrischen Detektor (10)
trifft, welcher in Abhängigkeit von der Auftreffstelle
des Meßlichtstrahles elektrische Signale abgibt.
5. Interferometrische Einrichtung nach Anspruch 4, da
durch gekennzeichnet, daß bei der Ergänzungsvorrich
tung Mittel (27) zum Teilen des Meßlichtstrahles, bei
spielsweise ein halbdurchlässiger Spiegel, vorgesehen
sind, wobei ein Teil des Meßlichtstrahles auf die Re
kombinationseinrichtung (23) und ein Teil auf den po
sitionsempfindlichen Detektor (10) fällt.
6. Interferometrische Einrichtung mit einer Laserlicht
quelle, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung des
Lichts in einen Meßlichtstrahl und einen Referenz
lichtstrahl und mit einer Rekombinationseinrichtung,
an bzw. in der der über eine feste Referenzstrecke ge
führte Referenzlichtstrahl und der über einen bewegli
chen Meßspiegel geführte Meßlichtstrahl interferieren,
dadurch gekennzeichnet, daß ein positionsempfindlicher
Detektor vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von der
Auftreffstelle des Meßlichtstrahles elektrische Si
gnale abgibt, und daß Mittel (27) zum Teilen des Meß
lichtstrahles, beispielsweise ein halbdurchlässiger
Spiegel, vorgesehen sind, wobei ein Teil des Meßlicht
strahles auf die Rekombinationseinrichtung (23) und
ein Teil auf den positionsempfindlichen Detektor (10)
fällt.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der positionsempfindliche Detektor
(10) eine Quadranten-Diode oder eine positionsempfind
liche Diode ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der positionsempfindliche Detektor
(10) ein Feld von CCD-Elementen umfaßt.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wellenleiter bzw. die Licht
leitfaser (5) in hintereinandergeschaltete Teilstücke
unterteilt ist und die Teilstücke über lösbare Faser
verbinder (6) miteinander verbunden sind.
10. Einrichtung zur Erfassung der Lage eines Objektes mit
tels eines von einer Laserlichtquelle gelieferten Meß
lichtstrahles und mindestens eines positionsempfindli
chen photoelektrischen Detektors, der in Abhängigkeit
von der Auftreffstelle des Meßlichtstrahles elektri
sche Signale abgibt, nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (29) zum
Einstellen eines Meßspiegels (15) quer zu einer im we
sentlichen in Lichtstrahlrichtung verlaufenden Führung
vorgesehen ist und die Quereinstelleinrichtung in Ab
hängigkeit von dem Signal aus dem positionsempfindli
chen Detektor (10) gesteuert ist.
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