DE8809825U1

DE8809825U1 - Vorrichtung zur Längenmessung

Info

Publication number: DE8809825U1
Application number: DE8809825U
Authority: DE
Original assignee: Hommelwerke GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 1988-08-02
Filing date: 1988-08-02
Publication date: 1989-11-30
Anticipated expiration: 1998-08-03

Description

Vorrichtung zur Längenmessung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Längenmessung.

Durch die DE-OS 36 30 887 ist eine Vorrichtung der betreffenden Art bekannt/ bei der die optische Einrichtung als Interferometer ausgebildet ist. Dieses benötigt grundsätzlich zwei verschiedene Hellenleiter, nämlich einen Meßwellenleiter und einen Bezugswellenleiter, die beide gekoppelt sind. Durch die beiden Wellenleiter ist die Vorrichtung verhältnismäßig kompliziert und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der betreffenden Art zu schaffen, bei der die optische Einrichtung vereinfacht und eine kostengünstigere Fertigung der Vorrichtung ermöglicht ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.

Nach dieser Lehre ist nur ein Lichtleiter erforderlich. In diesem wird erfindungsgemäß eine stehende Welle erzeugt, die mit ihren Maxima und Minima eine Teilung in dem Lichtleiter darstellt, die mit den hell-dunkel Strichen

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eines inkrementalen Glasmaßstabes vergleichbar ist.

In diesen Lichtleiter mit der stehenden Welle wird das von dem Meßreflektor reflektierte Licht eingeleitet, so daß es sich mit den stehenden Wellen überlagert.Ändert sich die Phasenlage des von dem Meßreflektor kommenden Lichts dadurch, daß sich der Abstand des Meßreflektors von der optischen Einrichtung ändert, so ändert sich die Helligkeit an einem bestimmten We? entsprechend periodisch unter Berücksichtigung der Wellenlänge des verwendeten Lichts. Werden durch den fotoelektrischen Wandler, der beispielsweise eine Fotodiode sein kann, die periodischen Lichtschwankungen an dieser Stelle abgetastet, so läßt sich daraus unter Berücksichtigung der Wellenlänge des verwendeten Lichts ein Maß für die Änderung des Abstandes zu dem Meßreflektor gewinnen und anzeigen.

Die Einleitung des Lichts des Lasers in den Lichtleiter

kann in verschiedener Weise erfolgen. Besonders zweck-

mäßig ist es, einen der Spiegel teiltransparent auszubil-

t 20 den und das Licht des Lasers durch diesen Spiegel hindurch 'f in den Lichtleiter einzukopp^ln. Der Laser kann dabei un-

mittelbar hinter dem Spiegel an diesem angebracht sein.

Die Einleitung des von dem Meßreflektor zurückgeworfenen Licht kann ebenfalls durch einen teiltransparent ausgebildeten 25 Spiegel erfolgen, wobei es zweckmäßig ist, für die Einleitung e des Lichts des Lasers den Spiegel am einen Ende des Licht-

p Leiters und für die Einleitung 3es Lichte des Meßreflektors

den Spiegel am anderen Ende des Lichtleiters zu verwenden, wobei dann beide Spiegel teiltransparent sind.

Der lichtelektrische Wandler kann praktisch an beliebiger ₍;^; Stelle des Lichtleiters angeordnet sein. Besonders zweck-

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mäßig ist es aber, ihn entfernt von dem Ende des Lichtleiters anzuordnen, an dem sich der Laser befindet.

Die Einkopplung des Lichts des Lasers kann auch durch einen sehr einfach auszubildenden, zweiten lichtelektrischen Leiter erfolgen, in dessen eines Ende das Licht des Lasers strahlt, während das andere Ende optisch mit dem Lichtleiter gekoppelt ist, insbesondere d»r«=h Parallelführung oder durch eine schräge Einleitung mittels eines Y-Verzweigers.

Ist nur ein lichtelektrischer Wandler vorgesehen, so läßt sich die Richtung der Änderung des Abstandes des Meßreflektors in an sich bekannter Weise dadurch feststellen, daß das

vorzugsweise modulierte Wechsel-

spannungsausgangssignal des fotoelektrischen Wandlers in zwei um 90° zueinander verschobene Wechselspannungen aufgeteilt und so ein Drehfeld gebildet wird, aufgrund dessen die Bewegungsrichtung der Änderung feststellbar ist, wobei mit diesen Spannungen ein Vorwärts-Rückwärtszähler steuerbar ist.

Dis srfindungsgsniäSe Ausbildung der optischen Einrichtung ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung der Bildung der zwei um 90" zueinander verschobenen Spannungen. Hierzu wird gemaß einer Weiterbildung der Erfindung ein zweiter lichtelektrischer Wandler an den Lichtleiter entfernt von dem ersten Lichtleiter angekoppelt. Durch Einstellung der Länge des Lichtweges zwischen den Koppelpunkten zwischen den beiden lichtelektrischen Wandlern IaBt sich in einfacher Weise erreichen, daß deren Ausgangsspanflungen einen Phasenunterschied von 90° haben. Hit Hilfe dieser beiden phasenverschobenen Spannungen läßt sich dann ein Vorwärts-Rückwärtszähler betreiben. Zur Änderung des Lichtweges zwischen den Koppelpunkten ist es zweckmäßig,

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Anlegen elektrischer Spannungen zugeordnete Elektroden die lichtmäßige Lange des Weges zwischen den Koppelpunkten zur Einstellung der 90°-Verschiebungen zu ändern, und zwar bei piezoelektrischem Material durch Einstellung des Brechungsindexes oder durch Änderung der mechanischen Länge.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Lichtsignal in det Aiüplit.'üue aüfCn eine nüdüläciünswechseispahnürig moduliert, was mit Hilfe der an dem Lichtleiter vorgesehenen Elektroden bei Verwendung piezoelektrischen Materials keine Schwierigkeiten bereitet. Auf diese Weise erfolgen sämtliche

Vorgänge träger^frequent. Mechanisch kann die erfindungs-

gemäße Einrichtung in verschiedener Weise ausgebildet werden. Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich dann, wenn der bzw. die Lichtleiter als Stab oder als Bahn in einer Platte ausgebildet sind. Im Falle des Stabes befinden sich die Spiegel an den Enden desselben, während im Falle einer Platte zwei parallel gegenüberliegende Kanten die Spiegel bilden, wobei sie zusätzlich verspiegelt sein können, zum Beispiel durch Aufdampfen eines entsprechenden Materials. Auf diese Weise lassen sich such die halbtrans'värejiteii Spiegel einfach herstellen.

Ist bei einer derartigen Ausführungsform das Material

piezoelektrisch , so können die zur Einstellung der Längen zwischen den Koppelpunkten der beiden Dioden erforderlichen Elektroden unmittelbar an dem Stab bzw. auf der Platte benachbart zu der Lichtbahn angeordnet werden.

Die vorzugsweise als Fotodioden ausgebildeten fotoelektrischen Wandler können in einfacher Weise unmittelbar an den Enden des Stabes bzw. an den Kanten der Platte angebracht werden. Es ist aber auch möglich, sie seitlich an dem Stab bzw. auf der Oberfläche der Platte anzuordnen, weil immer ein Teil des Lichts durch die Begrenzungsfläche des Stabes bzw. der Platte hin-

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durchfällt und somit auf die Fotodioden gelangt. Der Stab oder die Platte können in an sich bekannter Heise aus Silizium, Lithiumniobat, Galliumarsenid oder Glas bestehen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Fotodetektoren auf Lithiumniobat und Lichteinkopplung über einem teiltransparenten Spiegel,

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 mit Lichteinkopplung über einen zweiten Lichtleiter,

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 2,

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform ähnlich gemäß Fig.1

In den Figuren sind gleiche oder entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die optische Einrichtung in eine als Substrat dienende Platte 1 mit elektrischen Eigenschaften zum Beispiel aus Lithium niobat, intergriert ist. Ein als Halbleiter ausgebildeter Laser 2 dient als Lichtquelle und ist an die Kante der Platte 1 angekoppelt. Auf der Oberfläche in der Platte 1 sind fotoelektrische Wandler angebracht, die Licht aus einem Lichtleiter 9 abtasten.

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der &idiagr; wischer» zwei teildurchlässigen Spie geln 6 und 7 im Inneren der Platte 1 optisch gebildet ist. Physikalisch bildet er einen Teil der Platte 1 . Die Fotodetektoren 3 und 4 wandeln das aufgefangene Licht in entsprechende elektrische Spannungen um, die einer Anzeigeeinrichtung zugeführt sind, die nicht dargestellt ist. Benachbart zu der durch den Lichtleiter 9 gebildeten Lichtbahn befinden sich

"0 Elektroden 8 zum Anlegen einer Steuergleichspannung, um den optischen Weg zwischen den Koppelpunkten zwischen den Fotodetektoren 3 und 4 zu ändern, dergestalt, daß die Ausgangsspannungen der Fotodetektoren 3 und 4 eine Phasenlage von 90 ° zueinander haben.

In Verlängerung des Lichtleiters 9 über den teildurchlässigen Spiegel 7 hinaus befindet sich ein Meßreflektor 10 , der in Richtung eines Doppelpfeiles 10' hin- und herbeweglich ist, sich z. B. an einem Gegenstand befindet, dessen Abstandsänderung von der den ceildurchlässigen Spiegel 7 aufweisenden Kante der Platte i gemessen werden soll.

Bei Verwendung der Vorrichtung wird der Laser 2 in Betrieb gesetzt, so daß er Licht durch den teildurchlässigen Spiegel 6 hindurch i . den Lichtleiter strahlt, daß dann von dem teildurchlässigen Spiegel 7 reflektiert wird und sich dadurch mit dem ankommenden Licht überlagert, so daß stehende Wellen gebildet sind. Diese stehenden Wellen bilden mit ihren Maxima und Minima eine Teilung wie zum Beispiel die HeIl-L*- - Striche eines inkrementalen Glasmaßstabes. Bei der in-

krementalen Abtastung der stehenden Welle wird die Bezugsgröße von 360° durch eine Periode des Int.ensitätsprofils der stehenden Welle erzeugt, die &Lgr;/2 beträgt. Da sich die Phasenlage der von den Fotodetektoren 3 und 4 abgegebenen Spannung um 90° unterscheiden soll, muß der Abstand der beiden Fotodetektoren k· 4 betragen, wobei k eine ganze Zahl und A die Wellenlänge des Lichts des Lasers ist. Um diese Verhältnisse sicherzustellen, wird -

eine an die Elektrode 8 angelegte Gleichspannung 5 entsprechend eingestellt. T

Bei der in Figur 2 dargestellten Abwandlung der Aus- &. führungsform gemäß Figur 1 ist der Laser nicht an einer Kante der Platte 1 angekoppelt, sondern an eine Glasfaser 13 , die in einer V-Grube 14 eingelagert ist, so daß ihr Licht in einen zweiten Lichtleiter 12 gelangt, der dicht an den Lichtleiter 9 herangeführt und auf diese Weise mit ihm gekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform ersetzt ein Spiegel 11 den p

teildurchlässigen Spiegel 6 der Ausführungsform gemäß f Figur 1, so daß an ihm eine vollständige Reflexion er- \, folgt und kein Licht an der entsprechenden Kante der Platte .1 austritt.

Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform besteht die Platte 1 nicht aus einem piezoelektrischen Material, sondern beispielsweise aus Silizium. Der Spiegel 1 gemäß der Aueführungsform nach Figur 2 ist entfallen und durch einen vollständig reflektierenden Spiegel 18 ersetzt, der sich an einer Stirnfläche eines piezoelektrischen Stäbchens oder Röhrchens 16 befindet, dessen andere Stirnseite an der Seitenkante der Platte .1 befestigt ist. Das piezoelektrische Röhrchen weist nicht dargestellte Elektroden auf/ mittels derer durch Anlegen

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einer Gleichspannung die Länge des Röhrchens i7 einstellbar und damit: der Spiegel 18 in Richtung von Doppelpfeilen 19. bewegbar ist, um die gewünschte Phasenlage zwischen den Fotodetektoren .3 und 4* her-

zustellen und die Phase des Lichtes mit einer Trägerfrequenz modulieren zu können.

Die Ausführungsform gemäß Figur 3 unterscheidet sich gemäß Figur 2 darüberhlnaus dadurch, daß anders als der Lichtleiter 2 ein mit der Glasfaser .13 gekoppelter Lichtleiter 15 schräg in den Lichtleiter 19 mündet, so daß das Licht des Lasers 2' in den Lichtleiter 9" eingeleitet wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 entspricht weitgehend vollständig dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch ist hier der Fotodetektor .2. weg- gelassen. Auch in diesem Falle ist eine Vorwärts-Rückwärtszählung und damit eine richtungsabhängige Bestimmung der Bewegung des Meßreflektors 10 und damit seines Abstandes von der zugewandten Kante der Platte 1 möglich. Dazu wird die elektrische Ausgangsspannung des Fotodetek tors 4 mit Hilfe eines elektrischen Phasenschiebers in zwei wechselnde Spannungen umgewandelt, die einen Phasenunter schied von 90° haben. Dies ist besonders einfach, wenn der optische Weg zwischen den teildurchlässicjen Spiegeln 6 und 7 mit einer Trägerfrequenz über das

Elektrodenpaar .8 moduliert ist.

Claims

LEINE & KÖNIG

PATENTANWÄLTE

Dipl.-Ing. Sigurd Leine - Dipl.-Phys. Dr. No-bert König

GmbH BurchhaiiHstraee I Telelon (0511) 623005

0-3000 Hannover t

Unser Zeichen Datum

820/109 25. Juli 1988

&lgr; nsprüche:

1. Vorrichtung zur Längenmessung, mit einem in Richtung der zu messenden Länge beweglich gehaltenen Meßreflektor, mit einer optischen Einrichtung zur Umwandlung der Bewegungen des Meßreflektors in entsprechende elektrische Signale und miL einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige dieser Signale, dadurch gekennzeichnet,

daß die optische Einrichtung einen Lichtleiter (9) aufweist, an dessen Enden sich Spiegel (6/ 7) befinden, die jeweils Licht aus dem Lichtleiter (9) in diesen zurückspiegeln und so stehende Wellen erzeugen,

daß mit dem Lichtleiter (9) optisch ein Lassr (2) gekoppelt ist,

daß das Licht des Lasers (2) auf den Meßreflektor (10) gerichtet ist,

daß das von dem Meßreflektor (10) reflektierte Licht in den Lichtleiter (9) gerichtet ist,

daß ein lichtelektrischer Wandler (4) mit dem Lichtleiter (9) gekoppelt ist und das Interferenzsignal zwischen den stehenden Wellen, die zwischen den Spiegeln (6, 7) gebildet sind, und dem von dem Meßreflektor (10) reflektierten Licht in eine

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entsprechende elektrische Spannung umwandelt und

daß der fotoelektrische Wandler (4) mit einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige seines Ausgangssignals verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet / daß zur optischen Kopplung des Lasers (2) mit dem Lichtleiter (9) einer der Spiegel (6> teiltransparent ist und Oaß der Laser (2) auf der dem Lichtleiter (9) abgewandten Seite des teiltransparenten Spie -gels (6), vorzugsweise unmittelbar hinter diesem, ange ordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet , daß das von dem Meßreflektor (10) reflektierte Licht auf einen der Spiegel (7) von der dem Lichtleiter (9) abgewandten Seite her gerichtet ist und daß dieser Spiegel teiltransparer*-. ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der andere der Spiegel (6), auf den das von dem Meßreflektor (10) reflektierte Licht nicht gerichtet ist, teiltransparent ist. und daß der Laser (2)

auf der dem Lichtleiter abgewandten Seite dieses Spiegels, vorzugsweise unmittelbar hinter diesem, angeordnet ist.

⁵* Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-■i| zeichnet, daß ein zweiter Lichtleiter (12) voige-

²⁵ sehen ist, an dessen einem Ende der Laser (2) angeordnet

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ist und dessen anderes Ende optisch mit dem Lichtleiter (9) gekoppelt ist, an dessen Enden sich die Spiegel befinden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das andere Ende des zweiten Lichtleiters wenigstens teilweise benachbart zu dem Lichtleiter verläuft, an dessen Enden sich die Spiegel (11, 7) befinden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des zweiten Lichtleiters (15) schräg in den Lichtleiter (9) einmündet, an dessen Enden sich die Spiegel befinden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entfernt von dem lichtelektrischen Wandler (4) ein zweiter lichtelektrischer Wandler mit dem Lichtleiter (9) gekoppelt ist, wobei die Länge des optischen Weges zwischen den Koppelstellen k"

beträgt, worin k eine ganze Zahl und die Wellenlänge des Lichts des Lasers ist, so daß sich die Phasenlage des Lichts an den Koppeisteiien und damit an den liehtelektrischen Wandlern (3, 4) um 90° unterscheidet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß an die lichtelektrischen Wandler (3, 4) ein Vor-Rückwärtszähler angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Veränderung der Länge des optischen Weges des Lichtleiters 9 vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Veränderung der Länge des optischen Weges durch Elektroden (8) zur Zuführung einer konstanten elektrischen Einsteüspasnung gebildet sind zur Einstellung des optischen Weges bei piezoelektrischem Material oder zur Einstellung des Bre~ chungsindexes.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Veränderung der Länge des optischen Weges bei piezoelektrischem Material durch ein Stäbchen oder Röhrchen (17) aus piezoelektrischem Material gebildet sind, daß mit seiner einen Stirnseite an der unverspiegelten Kante der Platte (1) angebracht ist und auf seiner anderen Stirnseite den Spiegel (18) aufweist und daß an dem Stäbchen oder Röhrchen (17) Elektroden zur Zuführung einer konstanten oder modulierten elektrischen Einstellspannung angeordnet sind.

13..Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden (8) eine Modulation zur Wechselspannung zur Phasenmodulation des Licht angeschlossen ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Lichtleiter'(9, 12, 15) als Stab oder als Bahn In einer Platte (1) ausgebildet sind, dessen Enden bzw. deren parallel gegenüberliegende Kanten die Spiegel (6, 7, 11) bilden, insbesondere zusätzlich verspiegelt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8) zur Änderung der Länge des optischen Weges des Lichtleiters (9) durch Streifen aus elektrisch leitfähigem Material gebildet sind, die sich an dem Stab bzw. auf der Oberfläche der Plätte benachbart zu der Lichtbahn in der Plätte erstrecken.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u rch gekennzeichnet« daß die vorzugsweise als Fotodioden ausgebildeten fotoelektrischen Wandler (3, 4) unmittelbar an den Enden des Stabes bzw. des Kanten der Platte U) oder seitlich an dem Stab bzw. auf der Oberfläche der Platte (1) .angeordnet sind.

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17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß der Stab oder die Platte (1) aus Silizium, Lithiumniobat, Galliumarsenid oder Glas besteht.