DD156287A1

DD156287A1 - Optoelektrische anordnung zur praezisionsfluchtung und geradheitsmessung

Info

Publication number: DD156287A1
Application number: DD22770181A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Dieter Salewski; Juergen Drenckhan; Juergen Roepcke
Original assignee: Salewski Klaus Dieter; Juergen Drenckhan; Juergen Roepcke
Priority date: 1981-02-18
Filing date: 1981-02-18
Publication date: 1982-08-11
Also published as: CS267653B1; FR2500151A1; CS89082A1; DD156287B1; YU312081A; DE3149125A1

Abstract

Die Erfindung "Optoelektrische Anordnung zur Praezisionsfluchtung und Geradheitsmessung"betrifft das Gebiet der optischen Geradheits- und Ebenheitsmessung. Das Ziel der Erfindung ist ein Element zur Messung orthogonaler Verschiebungen gegenueber einer durch Laserstrahlen definierten Referenzgeraden, das keine elektrische Verbindung zur Auswerteeinheit besitzt, die gesamte Strahlleistung zur Signalverarbeitung nutzt, die durchstrahlte Luftstrecke auf ein Minimum reduziert und als Zusatzgeraet fuer Laserwegmesssysteme mit parallelen Mess- und Referenzstrahl geeignet ist. Die Aufgabe wird vorzugsweise dadurch geloest, indem das optische Element (10) die das Referenznormal definierenden parallelen Strahlen an seinen optischen Kanten lageabhaengig geometrisch teilt. Durch die weitere Ausbildung des Elements wird pro Strahl eine erzeugte Teilkomponente parallel versetzt und nahe an die entsprechende Komponente des anderen Strahls gefuehrt, wodurch die Summation beider Leistungsanteile auf optischem Wege realisiert wird. Die so zugeordneten Strahlanteile werden parallel an das Ende des Verfahrensbereiches gefuehrt, wo sie mittels Linsen (2) auf Photoelemente (3) fokussiert werden u.die bekannte elektronische Auswertung erfolgt.

Description

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Titel der Erfindung:

Optoelektrische Anordnung zur Präzisionsfluchtung und Geradheitsmessung

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Präzisionsfluchtung sowie der Geradheits- und Ebenheitsmessung»

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Unter den bekannten technischen Lösungen spielen bei der optischen Geradheitsmessung, bei der ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, das Geradheitsnormal bildet, Quadrantenphotoempfanger, Vollflächendioden sowie Dachkantprismen mit diskreten Photoelementen als Detektoren eine dominierende Rolle. Ihr Einsatz ist in vielen Fällen den meßtechnischen Anforderungen gut angepaßt und ermöglicht eine vollautomatische Durchführung der Messungenο

Die prinzipielle Funktionsweise dieser Anordnungen besteht in der optoelektrischen Bewertimg der einzelnen Leistungsanteile, in die der Laserstrahl durch den Meßempfänger entsprechend ihrer relativen Lage zerlegt wird.

Alle bekannten derartigen technischen Ausführungen besitzen den Nachteil, daß die Vorrichtung zur geometrischen Strahlteilung und die optoelektrischen Detektoren eine 'kompakte Einheit bilden (insbesondere bei Photoquadrantenempfängern und Vollflächendioden), In diesem Fall sind elektrische Kabelverbindungen zur Auswerteeinheit erforderlich, die sich in der Regel als hinderlich erweisen. Die Anforderungen der Praxis orientieren, daher in erster Linie auf ein elektrisch verbindungsloses

Element, das eine.Geradheits- und Ebenheitsmessung in gleicher Weise gestattet« .

Eine bekannte technische Lösung bildet in diesem Zusammenhang ein 90 - Spiegel bzw. 90 - Prisma, der "bzw-, das anstelle des Empfängers bei orthogonaler Verschiebung zu einem doppelten· Versatz des gesamten reflektierten Strahls führt, der am Anfang des Verfahrensbereiches wiederum durch die bekannte optoelektrische Empfängereinheit gemessen wird. Eine derartige Anordnung besitzt den Nachteil, daß der vom Lichtstrahl durchlaufene Weg die doppelte Länge besitzt, was bei vorhandener Strahldivergenz zu größeren entfernungsabhängigen Fehlern führt. Darüberhinaus ist auf Grund auftretender Turbulenzen des durchstrahlten optischen Mediums bei doppelter Wegstrecke ebenfalls mit größeren Fehlern zu rechnen.

In der D¹T-OS 2 208 004 wird eine Geradheitsmeßvorrichtung beschrieben, die unter Verwendung einer Schattenblende arbeitet, die als elektrisch verbindungsloses Element entsprechend ihrer relativen Lage zum Referenzstrahl einen Teil der Strahlleistung ausblendet. Die am Ende des Verfahrensbereiches gemessene Lei- stung ist der Verschiebung gegenüber dem Geradheitsnormal proportional. Diese Vorrichtung besitzt den Nachteil, daß nicht die gesamte Strahlleistung zur Auswertung genutzt wird, wodurch die Meßempfindlichkeit vermindert wird. Daneben ist in diesem Fall eine gleichzeitige Messung· vertikaler und horizontaler . Verschiebungen nicht mögliche

In der DT-AS 1 673 846 wird eine Anordnung beschrieben, deren Funktionsprinzip darin besteht, daß einem Laserstrahl mitte-ls Phasenkonverter ein Intensitätsminimum aufgeprägt wird, das die Geradheitsreferenz bildete Die Messung des relativen Abstands zum Referenznormal erfolgt mit einer einfachen Lochblende, indem ihr lageabhängiges Beugungsbild mit Hilfe von optoelektrischen Aufnehmern ausgewertet wird. Im Rahmen dieser Anordnung wird die Messung der orthogonalen Verschiebungen durch ein einfaches optisches Element, die Lochblende, realisiert. Das zugrundeliegende .technische Prinzip beruht jedoch im Unterschied zu der in dieser Erfindung vorgeschlagenen Methode auf der Abtastung eines zentralen Intensitätsminimums. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß nur ein geringer Teil der Strahlleistung zur elektronischen Signalverarbeitung genutzt

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werden kann, so daß entweder eine hohe Gesamtstrahlleistung erforderlich ist oder hohe Anforderungen an die- Photoelemente einschließlich Auswerteelektronik zu stellen sind.

Ziel der Erfindung:

Das Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer den Anforderungen der Praxis Rechnung tragenden Anordnung zur Präzisionsfluchtung und Geradheitsmessung, die ein Element zur Messung orthogonaler Verschiebungen gegenüber de*ia Referenzstrahl verwendet, das keine elektrischen Verbindungen zur Auswerteeinheit besitzt, darüberhinaus die gesamte Strahlleistung zur Signalverarbeitung nutzt und die vom. Referenzstrahl durchlaufene Luftstrecke auf'ein Minimum reduziert. Insbesondere besteht •die Aufgabe darin, diese Anordnung so zu modifizieren, daß sie als Zusatzgerät für Laäerwegmeßsysteme mit parallelem Meß- und Referenzstrahl geeignet ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer Laserlichtquelle einschließlich zugehöriger Optik, die ein Geradheitsnormal festlegt, einem frei beweglichen optischen Element mit einer den Laserstrahlen und Koordinatenrichtungen entsprechenden Anzahl von optischen Kanten zur lageabhängigen geometrischen Strahlteilung, das entsprechend seiner Ausbildung eine räumliche oder physikalische Trennung der einzelnen Strahlanteile hervorruft und diese parallel an .das Ende oder durch geeignete Strahlumlenkung an den Anfang des Verfahrensbereiches führt, und fest eingerichteten optischen Mitteln, die eine Zuordnung und Fokussierung des einfallenden Lichtes auf Photoelemente realisieren, worauf sich die bekannte elektronische Auswertung anschließt.

Die auf die einzelnen optischen Kanten des Elements fallenden Laserstrahlen erfahren entsprechend seiner relativen Lage zum. Geradheitsnormal eine geometrische Teilung. Entsprechend der Ausbildung des -optischen Elements werden die einzelnen Strahlanteile, die in leistungsmäßig codierter Form bereits die-Information' über die orthogonale- Verschiebung gegenüber dem Referenznormal enthalten, durch optische Reflexion oder Brechung

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räumlich oder unter Verwendung polarisationsdrehender Mittel physikalisch getrennt.

Die'weitere Ausbildung des optischen Elements ist so beschafrfen, daß die getrennten Teilstrahlen parallel an das Ende bzw. den Anfang des Verfahrensbereiches gerichtet v/erden. 'Das geschieht vorzugsweise auf der Grundlage der optischen Brechung, indem die zur geometrischen Teilung und räumlichen Trennung .geeigneten Dachkantprismen durch ähnliche. Prismen mit bezüglich der Strahlrichtung entgegengesetzter Orientierung ergänzt werden, so daß jeder eingangsseitigen Prismenfläche eine parallele Austrittsfläche zugeordnet ist und jeder Teilstrahl somit einen Parallelversatz erfährt.

Spezielle Abmessungen erlauben darüberhinaus im Fall eines durch mehrere Laserstrahlen definierten Geradheitsnormals, "was u.a. im Fall des Meß- und Referenzstrahls eines Laserwegmeßsystems gegeben ist, eine räumliche Zusammenführung solcher Strahlanteile, die entsprechend dem zugrundeliegenden Algorithmus der Signalverknüpfung summiert werden müssen, wodurch ein zusätzlicher optoelektrischer und elektronischer Aufwand überflüssig wird.

Die auf diese Weise parallel an das Ende des Verfahrensbereiches geführten Strahlanteile werden mittels der dort fest eingerichteten optischen Mittel, insbesondere Linsen, auf entsprechend zugeordnete Photoelemente fokussiert. Im Fall einer durch das optische Element bewirkten polarisationsmäßigen Trennung der einzelnen Strahlaiiteile laufen diese räumlich ineinander und sind daher am Ende des Verfahrensbereich.es zunächst unter Verwendung eines Polarisationsteilers räumlich zu trennen. Die bekannten elektronischen Verstärker- und Verknüpfungsschaltungen liefern schließlich das lageproportionale Meßsignal. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß die Geradheitsmessung entlang des Verfahrensbereiches mit einem optischen Element durchgeführt werden kann, daß keine unmittelbare elektrische Kopplung an die elektronische Auswerteeinheit besitzt. Darüberhinaus ist der Vorteil einer vollständigen elektronischen Verarbeitung der Strahlleistung gesichert. Die Forderung einer minimalen Distanz zwischen .Strahlungsquelle und Meßempfänger wird erfüllt.

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Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung soll nachstehend an 5 Ausführungsbeispielen erläutert werden.

In Fig.1 wird das optische Element durch eine prisraenförmige Ausbildung (1) realisiert, die eine räumliche Trennung der durch geometrische Teilung an der optischen Kante entstandenen Teilstrahlen auf der Grundlage der Totalreflexion hervorruft. Die parallel an das Ende des Verfahrensbereiches geführten Teilstrahlen werden dort mittels fest eingerichteter Linsen (2) auf Photoelemente (3) fokussiert, worauf sich die bekannte elektronische Signalverarbeitung anschließt»

In Pig.2 wird das optische Element-durch ein Dachkantprisma (4) mit einer entsprechenden symmetrischen Portsetzung (5) erzeugt, das die geometrische Teilung sowie die Trennung durch Parallelversatz jedes Strahlanteils auf der Grundlage der optischen Brechung bewirkt.

Eine gleichzeitige Messung in 2 Köordinatönrichtungen kann in der V/eise realisiert werden, indem an Stelle des eindimensionalen Prismas (4) ein zweidimensionales Dachkantprisma (6) mit einer symmetrischen Ergänzung durch ein weiteres zweidimensio- '

nales Prisma (7) entgegengesetzter Orientierung Pig.3 verwendet wird. Der auf die Dachkantspitze fallende Lichtstrahl wird in 4 Teilstrahlen zerlegt, die jeder einen Parallelversatz erfahren und so räumlich getrennt am Ende des Verfahrensbereiches auf einzelne Photoelemente fokussiert werden.

In Pig.4 wird das optische Element durch ein Material (8) realisiert, dessen Eigenschaft darin besteht, die Polarisationsebene des Lichtes um 90° zu drehen (.z.B. Quarzglas). Unter Ver- · Wendung einer Laserlichtquelle wird ein Teil des Lichtbündels, "der durch das optisch aktive'Material hindurchtritt, gegenüber dem anderen Teil physikalisch getrennt..Die lageabhängig codierten Strahlleistungsanteile werden am Ende des Verfahrensbereiches unter Verwendung eines Polarisationsteilers (9) räum- . lieh getrennt und einzeln auf Photoelemente fokussiert. In Pig.5> 'ist ein optisches Element (10) dargestellt, das im Fall eines durch'2 Laserstrahlen definierten Referenznormals eine geometrische Teilung beider Strahlen hervorruft sowie die einzelnen .St-rahlanteile durch optische Brechung räumlich trennt

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und einen Teil von ihnen parallel versetzt. Da^ die Lageanzeige in diesem Pail der Summe beider Teilanzeigen proportional ist, werden die jeweils entsprechenden Strahlanteile räumlich so nahe wie möglich zusammengeführt, so daß diese mittels einer Linse auf. ein Photoelement fokussiert werden können, was einer Summation der Leistungsanteile entspricht. -Die bekannte elektroni- · sehe Signalverarbeitung liefert wiederum ein lageproportionales· Meßsignal. ' ·

Claims

1·. Optoelektrisch^ Anordnung zur Präzisionsfluchtung und Geradheitsmessung, in der ein oder mehrere Licht- insbesondere Laserstrahlen, die eine Rexerenzgerade definieren, eine lageabhängige geometrische Teilung erfahren und jeder Teilstrahl auf ein Photoelement fokussiert wird, dadurch· gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein frei bewegliches optisches Element mit einer den Laserstrahlen und

Koordinatenrichtungen entsprechenden Anzahl von optischen Kanten zur geometrischen Strahlteilung enthält,- daß infolge der Ausbildung des optischen Elements eine räumliche oder eine physikalische Trennung der einzelnen Strahlanteile hervorgerufen wird und daß durch die weitere Ausbildung des optischen Elements diese Strahlanteile parallel an das Ende des Verfahrensbereiches geführt werden, wo durch fest eingerichtete optische Mittel eine Zuordnung und Fokussierung der einzelnen Strahlkomponenten auf Photoelemente sowie die elektronische Signalverarbeitung erfolgt.

2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung des optischen Elements zur räumlichen Trennung sowie parallelen Ausrichtung der aus der geometrischen Teilung hervorgegangenen Strahlanteile auf der Grundlage der optischen Reflexion unter Verwendung verspiegelter Flächen, vorzugsweise jedoch der Totalreflexion durch prismenförmige Ausführungen. (1 ), realisiert wird.

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Erfindungsanspruch: . ·

3. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung des optischen Elements zur räumlichen Trennung der otrahlkomponenten auf der Grundlage der optischen Brechung unter Verwendung prismenförmiger Ausführungen'(4,6) erfolgt, wobei die parallele Ausrichtung vorzugsweise durch ähnliche Prismen mit bezüglich der Strahlrichtung entgegengesetzter Orientierung (5,7) realisiert wird, so daß jeder eingangsseitigen wesentlichen Prismenfläche eine parallele Austrittsfläche -zugeordnet ist und· jeder Tei.lstra.hl somit einen Parallelversatz erfährt.

4. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung des optischen Elements z.ur Trennung der durch die

geometrische Teilung entstandenen einzelnen Strahlkoinponenten auf physikalischem Wege unter Verwendung eines optisch aktiven Materials (S). erfolgt und daß ihre räumliche Tren-. nung und Zuordnung am Ende des Verfahrens"bereiches unter Verwendung eines Polarisationsteilers (9) realisiert wird.

5·. Anordnung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall eines durch mehrere Laserstrahlen definierten Referenznormals und der damit durch die geometrische Teilung verbundenen Erzeugung mehrerer Strahlkomponenten die Ausbildung des optischen Elements durch geeignete Abmessungen eine räumliche Zusammenführung entsprechender Strahlanteile hervorruft (10), so daß notwendige Summationen einzelner Leistungsanteile im Rahmen der folgenden Signalverarbeitung bereits auf diesem Wege realisiert werden.

6. Anordnung nach Punkt. 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung eines unmittelbar angefügten Strahlumlenkers, vorzugsweise eines 90 - Prismas, die optoelektrisch^ Detektion und elektronische Auswertung auch am Anfang des Verfahrensbereiches erfolgen kann.

Hierzu.JJL. Seilen Zeichnungen