DD156287B1

DD156287B1 - OPTOELECTRIC ARRANGEMENT FOR PRECISION LIFE AND STRAIGHT MEASUREMENT

Info

Publication number: DD156287B1
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: 1986-07-09
Also published as: YU312081A; FR2500151A1; CS267653B1; DD156287A1; CS89082A1; DE3149125A1

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Präzisionsfluchtung sowie der Geradheits- und Ebenheitsmessung.The invention relates to the field of optical precision alignment and the straightness and flatness measurement.

Characteristic of the known technical solutions

Unter den bekannten technischen Lösungen spielen bei der optischen Geradheitsmessung, bei der ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, das Geradheitsnormal bildet, Quadrantenphotoempfänger, 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 Messungen.Among the known technical solutions play a dominant role in the optical straightness measurement, in which a light beam, in particular a laser beam forms the straightness standard, quadrant photoreceptor, solid diodes and roof prisms with discrete photoelements as detectors. Their use is in many cases well adapted to the metrological requirements and allows a fully automatic performance of the measurements.

Die prinzipielle Funktionsweise dieser Anordnungen besteht in der optoelektrischen Bewertung 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 derPraxis orientieren daher in erster Linie auf ein elektrisch verbindungsloses Element, das eine Geradheits- und Ebenhettsmessung in gleicher Weise gestattet.The basic operation of these arrangements consists in the opto-electrical evaluation of the individual power components, in which the laser beam is split by the measuring receiver according to their relative position. All known such technical embodiments have the disadvantage that the device for geometric beam splitting and the opto-electrical detectors form a compact unit (especially in photonic quadrature receivers and solid diodes). In this case, electrical cable connections to the evaluation unit are required, which usually prove to be a hindrance. The requirements of the practice are therefore primarily based on an electrically connectionless element which allows a straightness and Ebenehttsmessung in the same way.

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 vorhandenen Strahldivergenzen zu größeren entfernungsabhängigen Fehlern führt. Darüber hinaus ist auf Grund auftretender Turbulenzen des durchstrahlten optischen Mediums bei doppelter Wegstrecke ebenfalls mit größeren Fehlern zu rechnen. In der DT-OS 2208004 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 Leistung 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 möglich.A known technical solution in this context is a 90 ° mirror or 90 ° prism, which leads instead of the receiver in orthogonal displacement to a double offset of the entire reflected beam, which in turn at the beginning of the process area by the known opto-electric Receiver unit is measured. Such an arrangement has the disadvantage that the traversed by the light beam path has twice the length, resulting in existing beam divergences to larger distance-dependent errors. In addition, due to occurring turbulence of the irradiated optical medium at twice the distance also be expected to larger errors. In DT-OS 2208004 a straightness measuring device is described, which operates using a shadow stop, which hides a part of the beam power as an electrically connectionless element according to their relative position to the reference beam. The power measured at the end of the process range is proportional to the displacement compared to the straightness standard. This device has the disadvantage that not the entire beam power is used for the evaluation, whereby the measuring sensitivity is reduced. In addition, a simultaneous measurement of vertical and horizontal displacements is not possible in this case.

In der DT-AS 1673846 wird eine Anordnung beschrieben, deren Funktionsprinzip darin besteht, daß einem Laserstrahl mittels Phasenkonverter ein Intensitätsminimum aufgeprägt wird, das die Geradheitsreferenz bildet. 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 zugrunde liegende 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 werden kann, so daß entweder eine hohe Gesarntstrahlleistung erforderlich ist oder hohe Anforderungen an die Photoelemente einschließlich Auswerteelektronik zu stellen sind.In DT-AS 1673846 an arrangement is described, the principle of which is that a laser beam is impressed by means of a phase converter an intensity minimum, which forms the straightness reference. The relative distance to the reference standard is measured with a simple pinhole, by evaluating its position-dependent diffraction pattern with the aid of optoelectric transducers. In the context of this arrangement, the measurement of the orthogonal displacements by a simple optical element, the pinhole realized. However, the underlying technical principle, unlike the method proposed in this invention, is based on the sampling of a central intensity minimum. The disadvantage of this arrangement is that only a small part of the beam power can be used for electronic signal processing, so that either a high Gesarntstrahlleistung is required or high demands are placed on the photoelements including evaluation.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer den Anforderungen der Praxis Rechnung tragenden Anordnung zur Präzisionsfluchtung und Geradheitsmessung, die einen Strahlteiler zur Messung orthogonaler Verschiebungen gegenüber dem Referenzstrahl verwendet, der keine elektrischen Verbindungen zur Auswerteeinheit besitzt, darüber hinaus die gesamte Strahlleistung zur Signalverarbeitung zum Empfänger leitet und die vom Referenzstrahl durchlaufene Luftstrecke auf ein Minimum reduziert.The object of the invention is the development of a practical application bearing arrangement for Präzisionspuchtung and straightness measurement, which uses a beam splitter for measuring orthogonal displacements relative to the reference beam, which has no electrical connections to the evaluation unit, moreover, the entire beam power for signal processing to the receiver passes and reduced by the reference beam traversed air gap to a minimum.

-2-Darlegung des Wesens der Erfindung-2-exposition of the essence of the invention

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer Laserlichtquelle einschließlich zugehöriger Optik, die ein Geradheitsnormal festlegt, einem frei beweglichen Strahlteiler mit einer den Laserstrahlen und Koordinatenrichtungen entsprechenden Anzahl von optischen Kanten zur lageabhängigen geometrischen Strahlteilung, der entsprechend seiner Ausbildung eine räumliche oder physikalische Trennung der einzelnen Strahlanteile hervorruft und diese parallel an das Ende des Verfahrensbereiches führt, wo sich fest eingerichtete optische Mittel befinden, die eine Zuordnung und Fokussierung der einfallenden Lichtanteile auf Photoelemente realisieren, an die sich die bekannte elektronische Auswertung anschließt.The inventive arrangement consists of a laser light source including associated optics, which sets a straight normal, a freely movable beam splitter with a laser beams and coordinate directions corresponding number of optical edges for position-dependent geometric beam splitting, which causes according to its formation, a spatial or physical separation of the individual beam components and this leads parallel to the end of the process area, where fixed optical means are located, which realize an assignment and focusing of the incident light components on photoelements, which is followed by the known electronic evaluation.

Die auf die einzelnen optischen Kanten des Strahlteilers fallenden Laserstrahlen erfahren entsprechend seiner relativen Lage zum Geradheitsnormal eine geometrische Teilung. Entsprechend der Ausbildung des optischen Strahlteilers werden die einzelnen Strahlanteile, die bereits an dieser Stelle in leistungsmäßig codierter Form die Information über die orthogonale Verschiebung gegenüber dem Referenznormal enthalten, durch optische Reflexion oder Brechung räumlich oder unter Verwendung polarisationsdrehender Mittel physikalisch getrennt.The laser beams incident on the individual optical edges of the beam splitter undergo a geometric division according to their relative position to the straightness standard. According to the design of the optical beam splitter, the individual beam components, which already contain the information about the orthogonal displacement relative to the reference standard at this point in terms of power encoded form, physically separated by optical reflection or refraction spatially or using polarization rotating means.

Die weitere Ausbildung des Strahlteilers ist so beschaffen, daß die getrennten Teilstrahlen parallel an das Ende des Verfahrensbereiches gerichtet werden. 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.The further design of the beam splitter is such that the separate partial beams are directed parallel to the end of the process area. This is preferably done on the basis of the optical refraction by the suitable for geometric division and spatial separation roof prisms are complemented by similar prisms with respect to the beam direction opposite orientation, so that each input side prism surface is associated with a parallel exit surface and each sub-beam thus undergoes a parallel offset.

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 den Strahlteiler bewirkten polarisationsmäßigen Trennung der einzelnen Teilstrahlen laufen diese räumlich ineinander und sind daher am Ende des Verfahrensbereiches 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 Strahlteiler durchgeführt werden kann, der keine unmittelbare elektrische Kopplung an die elektronische Auswerteeinheit besitzt. Darüber hinaus ist der Vorteil der Nutzung der Gesamtleistung zur elektronischen Verarbeitung gesichert. Die Forderung einer minimalen Distanz zwischen Strahlungsquelle und Meßempfänger wird erfüllt.The beam portions guided in this way in parallel to the end of the process area are focused onto correspondingly assigned photoelements by means of the optical means fixed there, in particular lenses. In the case of a polarization separation of the individual partial beams caused by the beam splitter, these spatially converge and, therefore, at the end of the process area, they must first be spatially separated using a polarization splitter. The known electronic amplifier and logic circuits finally provide the position-proportional measurement signal. The arrangement according to the invention is characterized in that the straightness measurement along the process area can be carried out with a beam splitter which has no direct electrical coupling to the electronic evaluation unit. In addition, the benefit of using the overall performance for electronic processing is assured. The requirement of a minimum distance between radiation source and measuring receiver is met.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an 5 Ausführungsbeispielen erläutert werden.The invention will be explained below with reference to 5 embodiments.

In Fig. 1 wird der Strahlteiler durch eine prismenförmige Ausbildung (1) realisiert. Die räumliche Trennung der durch geometrische Teilung an der optischen Kante entstandenen Teilstrahlen wird auf der Grundlage der Totalreflexion bewirkt. Die parallel an das Ende des Verfahrensbereiches geführten Teilstrahlen werden dort mittels fest eingerichteten Linsen (2) auf Photoelemente (3) fokussiert, worauf sich die bekannte elektronische Signalverarbeitung anschließt.In Fig. 1, the beam splitter is realized by a prismatic formation (1). The spatial separation of the partial beams produced by geometric division at the optical edge is effected on the basis of the total reflection. The partial beams guided parallel to the end of the process area are focused there by means of fixed lenses (2) onto photoelements (3), followed by the known electronic signal processing.

In Fig. 2 wird der Strahlteiler durch ein Dachkantprisma (4) mit einer entsprechenden symmetrischen Fortsetzung (5) erzeugt. Die geometrische Teilung sowie die Trennung durch Parallelversatz jedes Strahlanteils wird durch optische Brechung hervorgerufen,In Fig. 2, the beam splitter by a roof prism (4) is generated with a corresponding symmetrical continuation (5). The geometric division and the separation by parallel offset of each beam component is caused by optical refraction,

Eine gleichzeitige Messung in 2 Koordinatenrichtungen kann in der Weise realisiert werden, indem an Stelle des eindimensionalen Prismas (4) ein zweidimensional Dachkantprisma (6) mit einer symmetrischen Ergänzung durch ein weiteres zweidimensionales Prisma (7) entgegengesetzter Orientierung Fig. 3 verwendet wird. Der auf das Dachkantprisma fallende Lichtstrahl wird in 4 Teilstrahlen zerlegt, von denen jeder einen Parallelversatz zur ursprünglichen Strahlrichtung erfährt und so räumlich getrennt am Ende des Verfahrensbereiches auf ein Photoelement fokussiert werden kann.Simultaneous measurement in two coordinate directions can be realized in such a way that instead of the one-dimensional prism (4), a two-dimensional roof prism (6) with a symmetrical complement by another two-dimensional prism (7) of opposite orientation Fig. 3 is used. The falling on the roof prism light beam is broken down into 4 partial beams, each of which experiences a parallel offset to the original beam direction and so spatially separated at the end of the process area can be focused on a photoelement.

In Fig. 4 wird der Strahlteiler durch ein Material (8) realisiert, dessen Eigenschaft darin besteht, die Polarisationsebene des Lichtes um 90° zu drehen. Unter Verwendung eines linear polarisierten Laserstrahls wird der Teil des Lichtbündels, der durch das optisch aktive Material hindurchtritt, gegenüber dem anderen Teil in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedreht. Die auf diese Weise lageabhängig codierten Strahlleistungsanteile werden am Ende des Verfahrensbereiches unter Verwendung eines Polarisationsteilers (9) räumlich getrennt und einzeln auf Photoelemente fokussiert.In Fig. 4, the beam splitter is realized by a material (8) whose characteristic is to rotate the polarization plane of the light by 90 °. Using a linearly polarized laser beam, the portion of the light beam passing through the optically active material is rotated 90 ° relative to the other portion in its polarization direction. The beam power components coded in this way as a function of position are spatially separated at the end of the process range using a polarization splitter (9) and individually focused on photoelements.

In Fig. 5 ist ein Strahlteiler (10) dargestellt, der im Fall eines durch 2 Laserstrahlen definierten Geradheitsnormals eine ' geometrische Teilung beider Strahlen hervorruft, die einzelnen Strahlanteile durch optische Brechung räumlich trennt und parallel versetzt. Jeweils 2 entsprechende Teilstrahlen können dabei räumlich zusammengeführt werden, so daß diese mittels einer Linse auf ein Photoelement fokussiert werden können.FIG. 5 shows a beam splitter (10) which, in the case of a straightness standard defined by 2 laser beams, causes a geometrical division of the two beams, spatially separating the individual beam components by optical refraction and displacing them in parallel. In each case 2 corresponding partial beams can be spatially combined, so that they can be focused by means of a lens on a photoelement.

Claims

-1-Erfindungsanspnich:

1. An optoelectric arrangement for precision alignment and straightness measurement, in which one or more light, in particular laser beams defining a reference straight, learn a position-dependent geometric division and in which each partial beam is focused on a photoelement, characterized in that the beam splitter one between the light source and the photocells fixedly mounted at the end of the process area are optically movable.

2. Arrangement according to item 1, characterized in that the beam-splitting optical element are reflective surfaces.

3. Arrangement according to item 1, characterized in that the beam-splitting optical element is a prism.

4. Arrangement according to item 1, characterized in that the beam-splitting optical element is an optically active material.