DE4335037A1 - Einrichtung zur Erfassung der Lage eines Objektes - Google Patents

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.