-
Die
Erfindung betrifft ein Laser-Goniometer mit einem Laser, der an
eine Steuereinrichtung und Energiequelle angeschlossen ist, sowie
mit einer Detektoreinheit, wobei sich zwischen dem Laser und der Detektoreinheit
eine optische Ablenkeinheit befindet und das vom Laser ausgehende
parallele Laserstrahlenbündel
mittels der Ablenkeinheit parallel versetzt zur Detektoreinheit
geführt
ist, wobei die Detektoreinheit mit der empfangenden Aufnahmefläche der
Ablenkeinheit zugewandt ist.
-
Derartige
Goniometer für
die zweiachsige Winkelmessung gibt es in der Geodäsie, der
Photophysik und in der industriellen Messtechnik in Form diverser
instrumenteller Realisierungen.
-
Präzisions-Inklinometer
auf der Basis von Elektrolyt-Libellen, Kompensatoren mit Flüssigkeitshorizont,
Systeme mit Piezo- oder VoiceCoil-Stellgliedern etc. liefern hochgenaue
Messergebnisse.
-
Ein
Problem besteht darin, dass sie nur für kleine oder sehr kleine Winkelmessbereiche
einsetzbar sind.
-
Für die Nutzung
eines größeren bzw.
des gesamten Winkelmessbereiches von 360° auf beiden Drehachsen haben
sich Präzisionsteilkreise
durchgesetzt, wie sie auch in elektronischen Theodoliten zum Einsatz
kommen. Hierbei erfolgt ein direkter Achsabgriff auf der Basis einer
Lichtschranke, die den mit der jeweiligen Achse verbundenen Teilkreis abtastet.
-
Ein
weiteres Verfahren für
den direkten Achsabgriff ist das Rund-InductoSyn-Verfahren, welches
bei Drehung der Achse die Änderung
eines Induktionsstromes misst.
-
Eine
Winkelmessanordnung zur Messung eines Winkels zwischen einem Strahl
elektromagnetischer Strahlung und einer Messeinrichtung ist in der Druckschrift
WO 89/00674 A1 beschrieben. Der Strahl ist ein kohärenter monochromatischer
Strahl. Die Messeinrichtung schließt eine plan-parallele Platte,
die ein Medium umfasst, das transparent ist für die Strahlung, und die bestimmt
ist durch zwei im Wesentlichen parallele Reflexionsflächen, und
einen Interferenzstreifen-Detektor zum Detektieren von Interferenzstreifen,
die in der plan-parallelen Platte durch den kohärenten Lichtstrahl erzeugt
werden, ein.
-
Es
handelt sich um eine indirekte Detektion von Interferenzmustern,
die durch Mehrfachreflexionen innerhalb der Planplatte erzeugt werden.
Bei einer indirekten Detektion werden das Bild der Interferenzmuster
mittels einer Optik auf eine CCD abgebildet und die Intensität und die
relative Lage der Interferenzmaxima ausgewertet.
-
Eine
Einrichtung zur Bestimmung von Winkeln eines Spiegels ist in der
Druckschrift
EP 1 484 575
A1 beschrieben, wobei der Spiegel das Ablenkelement ist,
die einen Laser, eine Blende, einen Strahlteiler, eine λ/4-Plattte,
eine Kollimatorlinse, den Spiegel sowie einen Fotodetektor in der
genannten Reihenfolge in einem Strahlengang enthält. Der Strahlteiler ist ein
Polarisations-Strahlteiler, der aus zwei Prismen besteht, wobei
die verbindende Fläche eine
Schicht aufweist, die einen P-Polarisations-Durchgang
und eine S-Polarisations-Reflexion von ca. 100% aufweist. Der Fotodetektor
ist ein Positionsdetektor zur Ermittlung der Neigungswerte des Spiegels
in X- und Y-Richtungen.
-
Ein
Problem besteht darin, dass eine Abbildung des Laserstrahles durch
eine Kollimatorlinse vor und nach der Reflexion an einem Oberflächenspiegel
erfolgt. Es erfolgt dabei kein planparalleler Versatz des Laserstrahles,
wodurch die Geometrie der Abbildung einen gänzlich anderen Charakter hat und
formeltechnisch nur schwer zu erfassen ist. Die Größe der Bauteile
ist für
Miniaturanwendungen, wie z.B. im CD-Player, dimensioniert. Als Detektoren werden
ausdrücklich
Lateraleffektdioden (PSD) oder Quadrantendioden spezifiziert. Höhere Genauigkeiten,
wie sie für
den geodätischen
Anwendungsfall notwendig sind, sind damit nicht erreichbar.
-
Des
Weiteren sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
von Drehwinkeln einer Dreheinrichtung auf einem Tisch
US 3 782 826 A beschrieben,
wobei die Drehwinkel durch Messung von Veränderungen der Weglänge des
optischen Strahles mittels herkömmlicher
Mittel, z.B. eines Interferometers gemessen werden. In einer Ausführung erzeugt
eine Glasplatte, die im Strahlengang der Dreheinrichtung angeordnet
ist, eine messbare Änderung der
optischen Weglänge.
In einer anderen Ausführung
erzeugt ein Paar von Reflexionsflächen, die ebenfalls im Strahlengang
der Rotationseinrichtung angeordnet sind, eine Änderung der Weglänge. Eine Kombination
der beiden Ablenkelemente in Folgeanordnung ist auch vorhanden.
-
Es
handelt sich dabei um interferometrische Messungen des axialen Strahlversatzes.
Durch Interferometrre wird die Phasenverschiebung infolge der winkelabhängigen Wegänderung
detektiert.
-
Ein
Kamerascanner ist in der Druckschrift
DE 102 39 541 A1 beschrieben,
der eine TDI-ähnliche Überlagerungsfunktion
und auch eine räumliche
Bilderfassung ermöglichen
kann. Die zugehörige
Aufnahmekamera weist in der Projektionsebene ihres Objektivs einen
matrixförmig
strukturierten photoelektrischen Flächensensor mit als Einzelzeilen
gruppierten Sensorelementen auf, wobei der Flächensensor so mit einem Prozessor
verbunden ist, dass ein vorprogrammierter wahlfreier Lesezugriff
auf die Einzelzeilen erfolgen kann, der zeitlich mit dem Antrieb synchronisiert
ist.
-
Dabei
handelt es sich um ein reines Kamerasystem, bei dem einerseits durch
mikroskopische transversale Verschiebung des CCD-Sensors gegenüber der
Abbildungsoptik die geometrische Farbauflösung des gesamten CCD-Bildes
gesteigert werden soll und andererseits durch makroskopische transversale
Verschiebung der Kamera gegenüber
dem Objekt eine stereoskopische Bildauswertung zur Gewinnung dreidimensionaler
Bilder bezweckt wird. Im Vordergrund steht die zeitlich differentielle
Auswertung benachbarter CCD-Zeilen mit und ohne transversale Verschiebung
für die
oben genannten Zwecke. Das Problem der Positionsgenauigkeit abgebildeter
Objekte ist genauso wenig Bestandteil wie eine Winkelmessung.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Goniometer anzugeben,
dass derart geeignet ausgebildet ist, dass eine gemeinsame Messung beider
Winkel des Ablenkelements achsunabhängig gewährleistet werden kann.
-
Die
Aufgabe wird durch die Merkmale gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
-
In
dem Laser-Goniometer mit einem Laser, der an eine Steuereinrichtung
und Energiequelle angeschlossen ist, sowie mit einer Detektoreinheit,
wobei sich zwischen dem Laser und der Detektoreinheit eine optische
Ablenkeinheit befindet und das vom Laser ausgehende parallele Laserstrahlenbündel mittels
der Ablenkeinheit parallel versetzt zur Detektoreinheit geführt ist,
wobei die Detektoreinheit mit der empfangenden Aufnahmefläche der
Ablenkeinheit zugewandt ist, sind gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs
1
ein der Ablenkeinheit zugehöriges Ablenkelement in Form
einer Glasplatte oder eines Etalons zur Messung des seitlichen Versatzes
des parallelen Laserstrahlenbündels
von einer kardanischen Aufhängung unterstützt sowie
die
der Detektoreinheit zugeordnete Aufnahmefläche zur Messung des winkelabhängigen seitlichen
Versatzes des Laserstrahlenbündels
vorgesehen, wobei die Aufnahmefläche
der Detektoreinheit mit elektromechanischen Stellgliedern für jeweils
eine vorgegebene X- und Y-Richtung
zur transversalen Rasterung in Verbindung steht.
-
Die
Ablenkeinheit besteht im Wesentlichen aus einer befestigbaren Grundplatte,
aus einem Ablenkelement, aus der kardanischen Aufhängung, in der
sich etwa mittig das Ablenkelement aufgehängt befindet, sowie aus zwei
die kardanischen Aufhängung
tragenden Halteteile, die fest mit der Grundplatte verbunden sind.
-
Die
kardanische Aufhängung
befindet sich innerhalb der beiden Halteteile, einem Eingangshalteteil
und einem Ausgangsteil, und ist in Richtung zweier Achsen verschwenkbar
gelagert, wobei das Eingangshalteteil und das Ausgangshalteteil
auf der Grundplatte in Flucht in Z-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems
angebracht sind.
-
Das
Eingangshalteteil ist nahe dem Laser angeordnet, während das
Ausgangshalteteil nahe der Detektoreinheit zugeordnet ist.
-
Das
Eingangshalteteil weist eine Eingangsöffnung auf, das Ausgangshalteteil
besitzt eine Ausgangsöffnung.
-
Die
der kardanischen Aufhängung
zugeordneten verschwenkbaren Achsen sind zum einen eine Schwenkachse
und zum anderen eine Kippachse, wobei die Schwenkachse vorzugsweise
jeweils durch die Mitten der Eingangsöffnung und der Ausgangsöffnung verläuft.
-
An
den zugekehrten Innenseiten der befestigten Halteteile ist jeweils
ein Schwenklager vorhanden, an denen ein vorzugsweise rechteckiger
Rahmen beweglich befestigt ist, der um die Schwenkachse drehbar
gelagert ist.
-
Mittig
am Rahmen und quer zur Schwenkachse sowie mit der Kippachse übereinstimmend
ist eine welle angeordnet, die mit zwei an dem Rahmen befindlichen,
sich gegenüberliegenden
Kipplagern in Verbindung steht und das an ihr befestigte kippbare Ablenkelement
trägt.
-
Das
Etalon besteht im Wesentlichen aus zwei planparallelen Platten mit
jeweils innenseitig vollverspiegelten Oberflächen, die durch planparallele
Distanzstücke
an den Seitenrändern
verbunden sind, wobei die Distanzstücke und die Innenflächen der
Planplatten einen Hohlraum bilden, durch den das Laserstrahlenbündel geführt ist.
-
Das
Laserstrahlenbündel
ist achsparallel zur Schwenkachse gerichtet, wobei senkrecht dazu
die Kippachse verläuft.
-
Es
ist eine computergestützte
Auswerteeinrichtung vorhanden, die zumindest mit der Detektoreinheit
in signaltechnischer Verbindung steht.
-
Die
Detektoreinheit stellt einen zweidimensionalen Positionsdetektor
dar, der wahlweise eine CCD-Kamerafläche, einen CMOS-Sensor, eine 4-Quadrantendiode
oder eine Lateraleffektdiode aufweisen kann.
-
Mit
dem Laser kann die Durchführung
einer zweiachsigen Winkelmessung mit Hilfe der beiden im Etalon
innen befindlichen und sich gegenüberliegenden verspiegelten
Flächen
vorgenommen werden.
-
Die
Stellglieder für
die jeweils vorgegebene X- und Y-Richtung können X-/Y-Piezostellglieder sein.
-
Wegen
seiner Unabhängigkeit
von der Schwerkraft ist das erfindungsgemäße Laser-Goniometer universell
einsetzbar, z.B. zur Neigungswinkelmessung, zur Kalibrierung geodätischer
Instrumente oder in der Photophysik. Dabei ist es nicht entscheidend,
ob die Außenseiten
des Etalons verspiegelt oder parallel zu den Innenflächen sind.
-
Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laser-Goniometers mit einem Laser,
einer von einer Kardanaufhängung
unterstützten
Ablenkeinheit und einer Detektoreinheit sowie einem weiteren zweiten
Laser mit einem von der Ablenkeinheit weitgehend vertikal abgelenkten
zweiten Laserstrahlenbündel
und
-
2 eine
schematische Darstellung eines optischen Ablenkelements in Form
eines optischen Etalons mit dem Laser und der Detektoreinheit mit
einer CCD-Kamerafläche.
-
Das
in der 1 in einer schematischen Darstellung gezeigte
Laser-Goniometer 1 ist mit einem Laser 3, der
an eine Steuereinrichtung und Energiequelle 4 angeschlossen
ist, sowie mit einer Detektoreinheit 7 versehen, wobei
sich zwischen dem Laser 3 und der Detektoreinheit 7 eine
optische Ablenkeinheit 5 befindet und das vom Laser 3 ausgehende
parallele Laserstrah lenbündel 9 mittels
der Ablenkeinheit 5 parallel versetzt zur Detektoreinheit 7 geführt ist,
wobei die Detektoreinheit 7 mit der empfangenden Aufnahmefläche 38 der
Ablenkeinheit 5 zugewandt ist.
-
Erfindungsgemäß sind ein
der Ablenkeinheit 5 zugehöriges Ablenkelement 11 in
Form einer Glasplatte oder eines Etalons zur Messung des seitlichen Versatzes
des parallelen Laserstrahlenbündels 9 von einer
kardanischen Aufhängung 12 unterstützt sowie
die
der Detektoreinheit 7 zugeordnete Aufnahmefläche 38 zur
Messung des winkelabhängigen
seitlichen Versatzes des Laserstrahlenbündels 9 vorgesehen,
wobei
die Aufnahmefläche 38 der
Detektoreinheit 7 mit elektromechanischen Stellgliedern 32,33 für jeweils
eine vorgegebene X- und Y-Richtung zur transversalen Rasterung in
Verbindung steht.
-
Die
Ablenkeinheit 5 besteht im Wesentlichen aus einer befestigbaren
Grundplatte 10, aus einem Ablenkelement 11, aus
der kardanischen Aufhängung 12,
in der sich etwa mittig das Ablenkelement 11 befindet,
sowie aus zwei die kardanische Aufhängung 12 tragenden
Halteteile 13, 14, die fest mit der Grundplatte 10 verbunden
sind. Die kardanische Aufhängung 12 befindet
sich innerhalb der beiden Halteteile, einem Eingangshalteteil 13 und
einem Ausgangsteil 14, und ist in Richtung zweier Achsen 15, 16 verschwenkbar
gelagert, wobei das Eingangshalteteil 13 und das Ausgangshalteteil 14 auf
der Grundplatte 10 in Flucht in Z-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems 27 angebracht
ist. Das Eingangshalteteil 13 ist nahe dem Laser 3 angeordnet,
während
das Ausgangshalteteil 14 nahe der Detektoreinheit 7 zugeordnet
ist.
-
Das
Eingangshalteteil 13 weist eine vorzugsweise runde Eingangsöffnung 17 auf,
das Ausgangshalteteil 14 besitzt eine vorzugsweise runde
Ausgangsöffnung 18.
Die der kardanischen Aufhängung 12 zugeordneten
Achsen, die verschwenkbaren Achsen 15, 16, sind
zum einen eine Schwenkachse 15 und zum anderen eine Kippachse 16.
Die Schwenkachse 15 verläuft vorzugsweise jeweils durch
die Mitten der Eingangsöffnung 17 und
der Ausgangsöffnung 20.
-
An
den zugekehrten Innenseiten der befestigten Halteteile 13, 14 ist
jeweils ein Schwenklager 19, 19' vorhanden, an denen ein rechteckiger
Rahmen 20 befestigt ist, der um die Schwenkachse 15 drehbar
gelagert ist. Vorzugsweise mittig am Rahmen 20 und quer
zur Schwenkachse 15 sowie mit der Kippachse 16 übereinstimmend
trägt eine
Welle 21, die mit zwei an dem Rahmen 20 befindlichen,
sich gegenüberliegenden
Kipplagern 36, 36' in
Verbindung steht, das an ihr befestigte kippbare Ablenkelement 11.
Das im Zentrum der Kardanaufhängung 12 aufgehängte Ablenkelement 11 ist
in Form eines Etalons ausgebildet.
-
Die 1 zeigt
das optische Etalon 11 mit seiner kardanischen Aufhängung 12 im
Laser-Goniometer 1. Die 2 zeigt
in schematischer Darstellung das Etalon 11 in einer Teil-Funktion.
Das Etalon 11 besteht im Wesentlichen aus zwei planparallelen Platten 22, 23 mit
jeweils innenseitig vollverspiegelten Oberflächen 25, 26,
die durch planparallele Distanzstücke 28, 28' an den Seitenrändern verbunden sind.
Die Distanzstücke 28, 28' und die Innenflächen 25, 26 der
Planplatten 22, 23 bilden einen Hohlraum 29,
durch den das Laserstrahlenbündel 9 hindurchgeleitet
wird.
-
Das
parallele, d.h. auf unendlich fokussierte Laserstrahlenbündel 9 ist,
wie in 1 gezeigt ist, achsparallel zur Schwenk achse 15 angeordnet, senkrecht
dazu verläuft
die Kippachse 16. Das Laserstrahlenbündel 9 erzeugt auf
der Aufnahmefläche 38 der
Detektoreinheit 7 einen Laserfleck 31.
-
Die
Grundplatte 10 weist vorzugsweise Befestigungslöcher 35 zur
Arretierung bzw. Verschraubung an einer vorgesehenen Lage/Stand-Vorrichtung (nicht
eingezeichnet) auf.
-
Eine
computergestützte
Auswerteeinrichtung 30 steht mit der Detektoreinheit 7 in
signaltechnischer Verbindung.
-
Wahlweise
kann ein weiterer, zweiter Laser 2 mit einem zugehörigen zweiten
Laserstrahlenbündel 8 parallel
zum Laser 3 angeordnet sein, wobei das zweite Laserstrahlenbündel 8 in
eine zum Laserstrahlenbündel 9 geneigte,
von einer Spiegelfläche 24 der
Ablenkeinheit 5 aus weitgehend senkrecht nach oben gerichtete
Ablenkung verläuft
und auf einer weiteren zweiten Detektoreinheit 6 einen
zugehörigen
zweiten Laserfleck 34 für
andere vorgesehene Auswertungen erzeugt.
-
Im
Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Laser-Goniometers 1 erläutert:
Die
Winkel ϑ, φ der
Schiefstellung der Flächennormalen 37 der
Spiegelflächen 25,26 des
Etalons 11 gegenüber
der vertikalen X-Achse
werden mit Hilfe des Laserstrahlenbündels 9 auf der Detektoreinheit 7 gemessen,
wobei ϑ der Schwenkwinkel und φ der Kippwinkel sind. Das Laserstrahlenbündel 9 wird durch
eine Reflexion an den beiden innenliegenden Spiegelflächen 26, 25 des
Etalons 11 parallel versetzt. Eine Drehung der Welle 21 um
die Kippachse 16 um dφ bewirkt
bei ϑ = 0 eine Änderung
des vertikalen Versatzes. Bei einer Drehung des Rahmens 20 um
die Schwenk achse 15 um dϑ wird das ausgelenkte
Laserstrahlenbündel 9 verschwenkt,
wobei sich der horizontale und der vertikale Versatz ändern. Die Beträge des Versatzes
des Laserstrahlenbündels 9 werden
durch die Detektoreinheit 7, die eine CCD-Kamerafläche, einen
CMOS-Sensor, eine 4-Quadrantendiode oder eine Lateraleffektdiode
aufweisen kann, detektiert und können
durch die feste Geometrie zwischen dem Laser 3 und der
Ablenkeinheit 5 und der Detektoreinheit 7 in die
Winkel ϑ und φ der
Schiefstellung der Flächennormalen 37 der
Spiegelflächen 25,26 des
Etalons 11 in der Auswerteeinrichtung 30 umgerechnet
werden.
-
Die 2 zeigt
die Durchführung
der Messung des Schwenkwinkels ϑ und des Kippwinkels φ des Etalons 11,
basierend auf der Detektion des vom Laser 3 ausgehenden
Laserstrahlenbündels 9 durch die
als CCD-Fläche – CCD-Kamerafläche – ausgebildete
Aufnahmefläche 38 der
Detektoreinheit 7, die als zweidimensionaler Positionsdetektor
ausgebildet ist. Hierbei wird die Peakposition des Laserflecks 31 des
sehr feinen Laserstrahlenbündels 9,
dessen Durchmesser gleich der Pixelgröße ist, zunächst auf das ganze Pixel 31 genau
gemessen, das dem gesamten Peakpixel entspricht. Anschließend wird
die CCD-Fläche 38 mit
Hilfe elektromechanischer Piezostellglieder 32,33 transversal
zum Laserstrahlenbündel 9 mit
einer Schrittweite gerastert, die deutlich kleiner ist als die Pixelgröße auf der
CCD-Fläche 38. Hierzu
wird in jeder um die Schrittweite verschobenen Rasterposition ein
digitales Bild des Laserflecks 31 in der computergestützten Auswerteeinrichtung 30,
die in 1 gezeigt ist, gespeichert. Durch Vergleich des
Grauwertes des zu Anfang ermittelten Peakpixels mit den Grauwerten
desselben Pixels 31 in allen Rasterpositionen lässt sich
die Rasterposition finden, bei der das Peakpixel den höchsten Grauwert hat.
Die XYZ-Koordinaten des Peakpixels werden in der Auswerteeinrichtung 30 zu
den Rasterpositionen des höchsten
Grauwertes addiert und somit wird für die Positionsbestimmung des
Laserflecks 31 eine Genauigkeit im Subpixelbereich erreicht.
-
Dadurch,
dass die CCD-Kamerafläche 38 mit
Hilfe der Piezostellglieder 32,33 transversal
zum Laser 3 gerastert wird, wird die absolute Genauigkeit der
Positionsbestimmung des Laserflecks 31 erhöht.
-
Die
Voraussetzungen hierzu sind hohe Strahlstabilität sowie Fixierung und mechanische Dämpfung des
Aufbaus.
-
Die
Erfindung ermöglicht
es, die resultierenden technischen Schwierigkeiten bei Verwendung von
Teilkreisen zu umgehen und eine Zweiachs-Winkelmessung ohne direkten
Abgriff der mechanischen Achsen mit sehr hoher Genauigkeit vorzunehmen.
-
- 1
- Laser-Goniometer
- 2
- zweiter
Laser
- 3
- Laser
- 4
- Steuereinrichtung
mit Energiequelle
- 5
- Ablenkeinheit
- 6
- zweite
Detektoreinheit
- 7
- Detektoreinheit
- 8
- zweites
Laserstrahlenbündel
- 9
- Laserstrahlenbündel
- 10
- Grundplatte
- 11
- Etalon
- 12
- kardanische
Aufhängung
- 13
- Eingangshalteteil
- 14
- Ausgangshalteteil
- 15
- Schwenkachse
- 16
- Kippachse
- 17
- Eingangsöffnung
- 18
- Ausgangsöffnung
- 19
- erstes
Schwenklager
- 19'
- zweites
Schwenklager
- 20
- Rahmen
- 21
- Welle
- 22
- erste
Platte
- 23
- zweite
Platte
- 24
- erste
Spiegelfläche
- 25
- zweite
Spiegelfläche
- 26
- dritte
Spiegelfläche
- 27
- XYZ-Koordinatensystem
- 28
- erstes
Distanzstück
- 28'
- zweites
Distanzstück
- 29
- Hohlraum
- 30
- Auswerteeinrichtung
- 31
- Laserfleck
- 32
- erstes
Piezostellglied
- 33
- zweites
Piezostellglied
- 34
- zweiter
Laserfleck
- 35
- Befestigungslöcher
- 36
- erstes
Kipplager
- 36'
- zweites
Kipplager
- 37
- Flächennormale
- 38
- Aufnahmefläche
- ϑ
- Schwenkwinkel
- φ
- Kippwinkel