DE102009010159B4

DE102009010159B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Abstandsmessung

Info

Publication number: DE102009010159B4
Application number: DE102009010159.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd Spruck; Cristina Alvarez Diez
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: WO2010094474A1; DE102009010159A1

Abstract

Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung eines Objekts (132), die eingerichtet ist, um einen Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg in Richtung des Objekts (132) abzustrahlen, wobei die Vorrichtung einen Reflektor (24) umfasst, der eingerichtet ist, um einen an dem Objekt (132) reflektierten Messlichtstrahl zu empfangen und entlang einem zu dem Strahlenweg versetzten weiteren Strahlenweg in Richtung des Objekts (132) zu lenken, wobei der Reflektor (24) an einem Träger (131) angebracht ist und die Vorrichtung einen Aktuator (105–108; 136) zum Verstellen des Trägers (131) umfasst, wobei die Vorrichtung einen mit dem Aktuator (105–108; 136) gekoppelten Sensor (115, 116; 117; 134) zum Erfassen einer Ausrichtung des Trägers (104; 131) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsmessung unter Verwendung optischer Methoden.
Die Messung von Abständen hat zahlreiche Anwendungen, beispielsweise bei der industriellen Fertigung oder der Qualitätskontrolle in der industriellen Fertigung, bei der Abmessungen von Fertigungsprodukten bestimmt werden müssen. Zur Messung von kleinen Abständen gibt es zahlreiche Messmittel wie Mikrometer oder Schieblehren. Bei vielen derartigen Messmitteln ist jedoch der maximale messbare Längenbereich derart an die Auflösung gekoppelt ist, dass zwar bei kleinen Längen Längenmessungen mit hoher Genauigkeit möglich sind, beispielsweise unter Verwendung eines Mikrometers, derartige mechanische Messmittel aber häufig nicht für die Messung von Längen im Bereich von einigen Metern ausgelegt sind. Herkömmliche Ultraschallentfernungsmesser und Laserentfernungsmesser sind zwar zur Messung größerer Abstände geeignet, haben aber eine Längenauflösung, die bei preiswerten Geräten häufig nicht den Millimeterbereich unterschreitet. Der Anwendungsbereich herkömmlicher Laserentfernungsmesser ist ferner dadurch eingeschränkt, dass viele Geräte nicht zur Messung sehr kurzer Entfernungen im Bereich von einigen Zentimetern oder wenigen Metern ausgelegt sind.
Gerade bei industriellen Anwendungen, wie im Maschinenbau, ist jedoch häufig eine genaue Vermessung von Teilen mit Abmessungen im Bereich von einigen Zentimetern bis zu einigen Metern mit hoher Auflösung erforderlich. Die für diese Zwecke typischerweise verwendeten Geräte, die beispielsweise auf taktilen Messvorgängen beruhen, haben jedoch häufig große Abmessungen und sind fest installiert, so dass sie nicht flexibel an unterschiedlichen Orten einsetzbar sind.
Die DE 10 2007 017 139 A1 offenbart eine Längenmessvorrichtung und eine Linearführung mit einer derartigen Längenmessvorrichtung. Zur Messung der Länge einer Messstrecke zwischen einem ersten und einem zweiten Messpunkt weist die Längenmessvorrichtung einen Sender zur Aussendung einer Messwelle und einen Empfänger zum Empfang der Messwelle auf, wobei der Sender und der Empfänger so angeordnet sind, dass die Messwelle die Messstrecke mehrfach durchläuft. Eine Auswertevorrichtung ist ausgebildet, um durch Auswertung der empfangenen Messwelle die Länge der Messstrecke zu bestimmen. Die Messwelle ist eine elektromagnetische Welle, insbesondere Lichtstrahlung im sichtbaren oder infraroten Bereich.
Die US 6 822 733 B1 offenbart ein optisches System, bei dem mehrere Prismen zur Umlenkung eines Laserstrahls verwendet werden, so dass der Laserstrahl mehrfach zwischen einem Ziel und einer Referenz hin- und herläuft.
Die US 5 896 200 A offenbart eine Vorrichtung, die mehrere Prismen umfasst. Ein Teil der Prismen ist an einer feststehenden Basis vorgesehen. Ein anderer Teil der Prismen ist an einer beweglichen Basis vorgesehen, die drehbar sein kann. Zum Erfassen der Ausrichtung eines drehbaren Arms ist ein mit einem Aktuator gekoppelter Sensor vorgesehen.
Die DE 41 32 113 A1 beschreibt einen Messaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen, bei dem ein Lichtstrahl in einem elastischen Lichtleiter mehrfach zwischen zwei Gruppen von Spiegeln hin- und hergeführt wird. Der Dehnungsmessstreifen der DE 41 32 113 A1 erlaubt zwar die Bestimmung von Längenänderungen, muss dazu aber an dem Objekt angebracht werden, an dem die Längenänderung bestimmt werden soll. Da der Lichtstrahl in dem elastischen Substrat geführt wird, ist der Dehnungsmessstreifen zur Bestimmung von Längenänderung an Objekten ausgelegt, bei denen die relevanten Abstände die Größe des Dehnungsmessstreifens nicht überschreiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung anzugeben, mit der bzw. mit dem Abstände mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren anzugeben, die bzw. das transportierbare Geräte einsetzt, die an verschiedenen Orten einsetzbar sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Nach einem Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung eines Objekts, die eingerichtet ist, um einen Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg in Richtung des Objekts abzustrahlen, einen Reflektor auf. Der Reflektor ist derart eingerichtet, dass er im Betrieb der Vorrichtung einen an dem Objekt reflektierten Messlichtstrahl empfängt und entlang einem zu dem Strahlenweg versetzten weiteren Strahlenweg erneut in Richtung des Objekts lenkt.
Bei dieser Vorrichtung wird der Messlichtstrahl entlang einem Strahlengang geführt, auf dem er mehrfach auf versetzten Strahlenwegen zu dem Objekt gelenkt wird. Durch die Verwendung des Reflektors wird der Strahlengang gefaltet, so dass der Messlichtstrahl die Strecke zwischen Messvorrichtung und Objekt mehr als zweimal zurücklegt. Bei gegebener Auflösung eines Laserentfernungsmessers erlaubt die Verlängerung der von dem Messlichtstrahl zurückzulegenden Weglänge eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Abstandsmessung.
Der Reflektor kann so eingerichtet sein, dass er den an dem Objekt reflektierten Messlichtstrahl in den weiteren Strahlenweg lenkt, wobei der weitere Strahlenweg im Wesentlichen parallel und versetzt zu dem an dem Objekt reflektierten Messlichtstrahl ist. Der weitere Strahlenweg ist vorteilhaft auch parallel zu dem Strahlenweg. Wenn der Messlichtstrahl nacheinander mehrere zueinander parallele Strahlenwegen zwischen der Vorrichtung und dem Objekt durchläuft, kann aus der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge auf einfache Weise der Abstand des Objekts bestimmt werden. Diese Führung des Messlichtstrahls ermöglicht weiterhin die Verwendung einer Anordnung von Reflektoren an der Messvorrichtung, die unabhängig von dem Abstand zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt gewählt werden kann.
Die Vorrichtung kann wenigstens einen weiteren Reflektor umfassen, der eingerichtet ist, um einen an dem Objekt erneut reflektierten Messlichtstrahl zu empfangen und in Richtung des Objekts zu lenken. Durch Verwendung mehrerer Reflektoren, die den Messlichtstrahl erneut in Richtung des Objekts lenken, wird bei gegebenem Abstand zwischen Objekt und Messvorrichtung die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge weiter erhöht. Diese Ausgestaltung des Strahlengangs erlaubt eine Erhöhung der Genauigkeit, mit der der Abstand bestimmbar ist.
Der Reflektor und ein weiterer Reflektor können so eingerichtet sein, dass der von dem weiteren Reflektor in Richtung des Objekts gelenkte Messlichtstrahl außerhalb einer Ebene liegt, die durch den Strahlenweg und den weiteren Strahlenweg definiert wird. Die Mehrzahl von Reflektoren der Vorrichtung kann so angeordnet sein, dass die verschiedenen Strahlenwege, auf denen der Messlichtstrahl zwischen der Vorrichtung und dem Objekt verläuft, nicht in einer einzigen Ebene liegen. Beispielsweise können der Reflektor und der wenigstens eine weitere Reflektor so eingerichtet sein, dass der Messlichtstrahl auf einer Manteloberfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers zwischen der Vorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wird. Dies erlaubt es, den Reflektor und die weiteren Reflektoren der Vorrichtung in einer zweidimensionalen Anordnung zu positionieren, um in einem Bereich mit vorgegebenen Abmessungen eine große Zahl von Reflektoren unterzubringen.
Einer der weiteren Reflektoren kann als Retroreflektor ausgebildet sein, um durch die Retroreflexion des Messlichtstrahls in sich selbst die von dem Messlichtstrahl zurückzulegende Weglänge weiter zu erhöhen.
Im Gebrauch der Vorrichtung ist an dem Objekt wenigstens ein Objektreflektor vorgesehen, um den von der Vorrichtung entlang dem Strahlenweg abgestrahlten Messlichtstrahl zu empfangen und zu dem Reflektor zu lenken. Der Objektreflektor kann eingerichtet sein, um den von der Vorrichtung abgestrahlten Messlichtstrahl versetzt und im Wesentlichen parallel zu dem Strahlenweg zu dem Reflektor zu lenken. Im Gebrauch der Vorrichtung können an dem Objekt auch mehrere Objektreflektoren vorgesehen sein, deren Anordnung abhängig von der Anordnung von Reflektoren der Vorrichtung so gewählt werden kann, dass der Messlichtstrahl auf einer Vielzahl zueinander paralleler und versetzter Strahlenwege zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und herläuft.
Der Reflektor bzw. die Mehrzahl von Reflektoren der Vorrichtung ist bzw. sind an einem Träger angebracht. Es ist ein Aktuator vorgesehen, um den Träger zu verstellen. Mit dem Aktuator kann eine Ausrichtung des Trägers geregelt werden, um beispielsweise eine parallele Ausrichtung des Trägers zu einer Fläche des Objekts einzustellen, an der die Objektreflektoren vorgesehen sind.
Die Vorrichtung weist einen Sensor zum Erfassen der Ausrichtung des Trägers auf, der mit dem Aktuator gekoppelt ist. Auf den Sensor kann ein Teil des Messlichtstrahls gelenkt werden. Dies erlaubt es, den Messlichtstrahl sowohl zur Abstandsmessung als auch zur Regelung der Ausrichtung des Trägers einzusetzen.
Der Messlichtstrahl kann Lichtkomponenten mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen, von denen eine zu dem mit dem Aktuator gekoppelten Sensor gelenkt wird, um zur Regelung der Ausrichtung verwendet zu werden. Die andere der Lichtkomponenten kann einem weiteren Detektor zur Abstandsmessung zugeführt werden.
Zur Regelung der Ausrichtung des Trägers kann auch eine separate Lichtquelle vorgesehen sein, die einen von dem Messlichtstrahl unabhängigen Lichtstrahl von der Vorrichtung zu dem Objekt sendet, um eine momentane Ausrichtung des Trägers zu bestimmen.
Der Sensor kann einen Vier-Quadranten-Sensor umfassen. Ausgangssignale des Vier-Quadranten-Sensors erlauben es, eine Verkippung des Trägers entlang zweier unabhängiger Kippachsen zu regeln.
Die Ablenkung des Messlichtstrahls derart, dass er auf zueinander versetzten Strahlenwegen mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wird, kann in Kombination mit herkömmlichen Laserentfernungsmessern verwendet werden, die beispielsweise basierend auf Laufzeitmessungen oder interferometrischen Methoden eine Abstandsmessung vornehmen. Durch die Verlängerung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge kann die Genauigkeit der Abstandsbestimmung erhöht und ein minimaler messbarer Abstand verringert werden.
Die Vorrichtung kann auch eine Lichtquelle zum Erzeugen des Messlichtstrahls umfassen, die im Betrieb eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate erzeugt. Die Lichtquelle kann ein Kurzpulslaser sein, der einen optischen Frequenzkamm erzeugt. Die Verwendung einer Folge von Lichtpulsen im Messlichtstrahl erlaubt eine Bestimmung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge anhand von Phasenlagen der Folge von Lichtpulsen. Die Vorrichtung kann eine Auswerteeinrichtung zum Erfassen der Folge von Lichtpulsen und zum Bestimmen der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge umfassen, die zum Bestimmen der Weglänge eine Phasenverschiebung einer Signalkomponente der erfassten Folge von Lichtpulsen bestimmt, wobei die Signalkomponente eine Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Durch Verwendung einer Oberwelle des erfassten Signals kann die von dem Messlichtstrahl durchlaufene Weglänge mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um zum Bestimmen der Phasendifferenz ein weiteres Signal zu erzeugen, das im Wesentlichen die Phasenverschiebung der Signalkomponente und eine niedrigere Frequenz als die Signalkomponente aufweist. Dazu kann die Signalkomponente einem Frequenzmischer zugeführt werden, dessen Ausgangssignal bandpassgefiltert wird. Die Erzeugung des weiteren Signals mit der niedrigeren Frequenz erleichtert die Messung der Phasendifferenz.
Die Vorrichtung nach den verschiedenen Ausführungsbeispielen kann in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise kann sie in eine Schieblehre integriert sein, um eine Position bzw. einen Abstand eines beweglichen Elements der Schieblehre zu ermitteln. In diesem Fall können Reflektoren der Messvorrichtung an dem relativ zu einer Führung ortsfesten Schenkel der Schieblehre vorgesehen sein, während korrespondieren Objektreflektoren an dem beweglichen Schenkel der Schieblehre angebracht sein können.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zur optischen Abstandsmessung eines Objekts ein Messlichtstrahl derart gelenkt, dass er mehrfach zwischen dem Objekt und einer Messvorrichtung hin- und hergeführt wird, so dass er die Strecke von der Messvorrichtung zu dem Objekt und die Strecke von dem Objekt zu der Messvorrichtung jeweils mehrfach durchläuft. Basierend auf der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge wird der Abstand des Objekts ermittelt.
Da der Messlichtstrahl die Strecke von der Messvorrichtung zu dem Objekt und die Strecke von dem Objekt zu der Messvorrichtung jeweils mehrfach durchläuft, wird die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge verlängert. Bei gegebener Auflösung eines Laserentfernungsmessers erlaubt die Verlängerung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Abstandsmessung.
Der Messlichtstrahl kann nacheinander eine Mehrzahl zueinander paralleler erster Strahlenwege von der Messvorrichtung zu dem Objekt und zueinander paralleler zweiter Strahlenwege von dem Objekt zu der Messvorrichtung durchlaufen. Dabei können die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege zueinander parallel sein. Die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege können zueinander versetzt sein. Die Parallelität der Strahlenwege erlaubt es, aus der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge auf einfache Weise den Abstand des Objekts zu bestimmen.
Wenigstens ein erster Strahlenweg der Mehrzahl von ersten Strahlenwege kann so angeordnet sein, dass er außerhalb der von einem anderen ersten Strahlenweg der Mehrzahl von ersten Strahlenwegen und einem zweiten Strahlenweg der Mehrzahl von zweiten Strahlenwegen definierten Ebene verläuft. Die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege können insbesondere auf einer Manteloberfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers verlaufen. Wenn die Strahlenwege nicht innerhalb einer Ebene liegen, können die zur Umlenkung des Messlichtstrahls erforderlichen Reflektoren in einem Flächenbereich an der Messvorrichtung bzw. am Objekt vorgesehen werden, der kleinere Längenabmessungen als bei einer Anordnung entlang einer Linie aufweist.
Der Messlichtstrahl kann retroreflektiert werden, so dass er die Mehrzahl von ersten Strahlenwegen und die Mehrzahl von zweiten Strahlenwegen zweimal durchläuft. Auf diese Weise kann die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge weiter vergrößert werden.
Zum Lenken des Messlichtstrahls wird wenigstens ein an der Messvorrichtung vorgesehener Reflektor verwendet.
Um den Messlichtstrahl so zu lenken, dass er mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wird, kann zusätzlich ein an dem Objekt angebrachter Objektreflektor verwendet werden. Eine Ausrichtung des Reflektors der Messvorrichtung relativ zu dem Objektreflektor kann aktiv so eingestellt werden, dass die Mehrzahl von ersten Strahlenwegen zu der Mehrzahl von zweiten Strahlenwegen parallel ist.
Zur Regelung der Ausrichtung des Reflektors wird eine Position des mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführten Messlichtstrahls erfasst. Die Ausrichtung des Reflektors wird basierend auf der erfassten Position geregelt. Der Messlichtstrahl kann somit sowohl zur Abstandsbestimmung als auch zur Regelung der Ausrichtung des Reflektors genutzt werden.
Bei dem Verfahren kann zur Erzeugung des Messlichtstrahls und zur Bestimmung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge ein herkömmlicher Laserentfernungsmesser verwendet werden.
Der Messlichtstrahl kann aber auch eine Folge von Lichtpulsen umfassen, die mit einer Repetitionsrate erzeugt werden, beispielsweise einen von einem Kurzpulslaser erzeugten optischen Frequenzkamm. Zur Bestimmung der von dem Messlichtstrahl durchlaufenen Weglänge kann eine Lichtintensität des Messlichtstrahls erfasst werden, nachdem der Messlichtstrahl mehrfach zwischen dem Objekt und der Messvorrichtung hin- und hergeführt wurde. Die Weglänge kann basierend auf einer Phasenverschiebung einer Signalkomponente des Messlichtstrahls bestimmt werden, die eine Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Durch Verwendung einer Oberwelle der erfassten Folge von Lichtpulsen kann die zurückgelegte Weglänge mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Die Signalkomponente kann einem Frequenzmischer zugeführt werden, dessen Ausgangssignal gefiltert wird, um ein weiteres Signal zu erzeugen, das im Wesentlichen die Phasenverschiebung der Signalkomponente und eine niedrigere Frequenz als die Signalkomponente aufweist.
Das Verfahren nach den verschiedenen Ausführungsbeispielen kann mit einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel ausgeführt werden.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zur Abstandsmessung eingesetzt werden. Beispielhafte Anwendungsfelder umfassen die Abstands- oder Längenmessung bei der Fertigung oder Qualitätskontrolle von Maschinenteilen oder bei anderen industriellen Prozessen. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, bei der eine Ausgestaltung nach einem Ausführungsbeispiel, die einen Aktuator zum Verstellen eines Reflektors aufweist, verwendet werden kann, wobei in 1A und 1B unterschiedliche Objektabstände dargestellt sind.
2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung.
3 ist eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Vorrichtung.
4 und 5 illustrieren Strahlengänge eines Messlichtstrahls.
6 ist eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel, die einen Aktuator zum Verstellen eines Reflektors aufweist.
7 ist eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, die einen Aktuator zum Verstellen eines Reflektors aufweist.
8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, die einen Aktuator zum Verstellen eines Reflektors aufweist.
9A zeigt beispielhaft eine Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit, und 9B zeigt schematisch ein Fourier-Spektrum der Folge von Lichtpulsen von 9A.
10 ist eine schematische Darstellung einer Lichtquelle und eines Detektors, die bei den Vorrichtungen nach verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendet werden können.
11 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Auswerteeinrichtung, die bei den Vorrichtungen nach verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann.
12A zeigt beispielhafte Eingangssignale der Auswerteeinrichtung von 11, und 12B zeigt eine Signalkomponente der Eingangssignale.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext einer industriellen Anlage, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Abstandsmessung, wobei 1A und 1B die Vorrichtung bei unterschiedlichen Abständen eines Objekts 2 zeigen.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3, einen Reflektor 4 und einen Retroreflektor 5. Die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 kann beispielsweise ein herkömmlicher Laserentfernungsmesser sein, der die von einem Messlichtstrahl durchlaufene Weglänge ermittelt. Zur Bestimmung der Weglänge kann beispielsweise eine Laufzeitmessung, ein interferometrisches Verfahren oder die Bestimmung einer Phasenlage eines gepulsten Signals verwendet werden.
Die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 ist so eingerichtet, dass sie einen Messlichtstrahl 11 entlang einem Strahlenweg 13 in Richtung des Objekts 2 abstrahlt, dessen Abstand bestimmt werden soll. Der Reflektor 4 ist so eingerichtet, dass er den an dem Objekt 2 reflektierten Messlichtstrahl empfängt und derart umlenkt, dass der Messlichtstrahl entlang einem versetzt und parallel zu dem Strahlenweg 13 verlaufenden Strahlenweg 14 erneut zu dem Objekt 2 gelenkt wird. Der Retroreflektor 5 ist so eingerichtet, dass er den an dem Objekt 2 reflektierten Messlichtstrahl empfängt und in sich selbst reflektiert.
An dem Objekt 2 sind mehrere Reflektoren 6, 7 vorgesehen, die jeweils eingerichtet sind, den von der Messvorrichtung 1 in Richtung des Objekts 2 gelenkten Messlichtstrahl zu empfangen und versetzt und parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl zurück in Richtung der Messvorrichtung 1 zu lenken. Aus Gründen der Deutlichkeit werden die am Objekt angebrachten Reflektoren 6, 7 nachfolgend als Objektreflektoren bezeichnet.
Im Betrieb der Messvorrichtung 1 wird der Messlichtstrahl 11 von der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 der Messvorrichtung 1 entlang dem Strahlenweg 13 in Richtung des Objekts 2 abgestrahlt. Der Objektreflektor 6 empfängt den Messlichtstrahl 11 und lenkt ihn derart um, dass er entlang einem Strahlenweg 16, der parallel und versetzt zu dem Strahlenweg 13 verläuft, zu dem Reflektor 4 gelenkt wird. Der Reflektor 4 der Messvorrichtung empfängt den Messlichtstrahl 11 und lenkt ihn derart um, dass er entlang dem Strahlenweg 14, der parallel und versetzt zu den Strahlenweg 13 und 16 verläuft, zu dem Objektreflektor 7 gelenkt wird. Der Objektreflektor 7 empfängt den Messlichtstrahl 11 und lenkt ihn derart um, dass er entlang einem Strahlenweg 17, der parallel und versetzt zu den Strahlenwegen 13, 16 und 14 verläuft, zu dem Retroreflektor 5 gelenkt wird. Der Retroreflektor 5 reflektiert den Messlichtstrahl in sich selbst, so dass der Messlichtstrahl die Strahlenwege 17, 14, 16 und 13 in umgekehrter Richtung zurück zu der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 durchläuft.
Bei der Messvorrichtung 1 führen die Reflektoren 4, 5 der Messvorrichtung und die an dem Objekt angebrachten Objektreflektoren 6, 7 zu einer Faltung des Strahlengangs des Messlichtstrahls, so dass der Messlichtstrahl mehrfach zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Objekt 2 hin- und hergeführt wird. Bei der in 1 dargestellten Messvorrichtung 1 durchläuft der Messlichtstrahl die Strecke zwischen Messvorrichtung und Objekt acht Mal, so dass die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge im Vergleich zu der Strahlführung bei einer herkömmlichen Laserabstandsmessung um einen Faktor vier verlängert wird.
Die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 ermittelt die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge. Anteile der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge, die von einem Strahlenverlauf quer zu den Strahlenwegen 13, 14, 16 und 17 herrühren, wie er beispielsweise an dem Reflektor 4 und den Objektreflektoren 6, 7 auftritt, oder die von einem Strahlenverlauf innerhalb der Messvorrichtung 1 herrühren, sind durch die Systemgeometrie bedingt und können als bekannt vorausgesetzt werden. Alternativ kann die Messvorrichtung 1 auf einfache Weise kalibriert werden, indem das Objekt 2 an der Position x0 in Anlage mit der Messvorrichtung 1 positioniert wird, um eine nur durch die Systemgeometrie bedingte Weglänge zu ermitteln. Auf diese Weise kann aus der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge diejenige Weglänge ermittelt werden, die der Summe der parallelen Strahlenwege 13, 14, 16 und 17 zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Objekt 2 entspricht. Somit kann ausgehend von der von der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 bestimmten Weglänge der Abstand des Objekts 2 ermittelt werden kann.
Wird das Objekt wie schematisch in 1B dargestellt um eine Strecke d von der Position x1 zu einer Position x2 verschoben, ändert sich die Länge jedes der Strahlenwege 13', 14', 16' und 17' zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Objekt 2 um die Länge d, so dass sich die gesamte vom Messlichtstrahl durchlaufene Weglänge um 8·d erhöht.
Die Strahlführung des Messlichtstrahls bei der Vorrichtung von 1 führt zu einer Erhöhung der Auflösung oder Genauigkeit, mit der der Abstand des Objekts 2 gemessen werden kann, da die Auflösung der Abstandsmessung bestimmt ist durch die Auflösung, mit der die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 die optische Weglänge des Messlichtstrahls bestimmt, geteilt durch die Anzahl der Strahlenwege zwischen Messvorrichtung und Objekt, die der Messlichtstrahl durchläuft.
Falls beispielsweise ein herkömmlicher Laserentfernungsmesser als Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 verwendet wird, der eine minimale optische Weglänge von 1 m messen kann und eine Auflösung der Weglängemessung von ±20 mm aufweist, kann bei einer herkömmlichen Strahlführung ein minimaler Objektabstand von 50 cm gemessen werden, und die Auflösung der Abstandsmessung beträgt ±10 mm. Falls der Strahlengang des Messlichtstrahls unter Verwendung der Vorrichtung 1 gefaltet wird, kann mit dem Laserentfernungsmesser ein minimaler Objektabstand von 12,5 cm gemessen werden, und die Auflösung der Abstandsmessung beträgt ±2,5 mm.
Als Reflektor 4 der Messvorrichtung und als Objektreflektoren 6, 7 können bei der Vorrichtung 1 beispielsweise zueinander verkippte Spiegel, ein Tripelspiegel, ein Tripelprisma oder dergleichen verwendet werden.
Die Ausgestaltung der Vorrichtung kann bei weiteren Ausführungsbeispielen modifiziert werden. Die Anzahl von Reflektoren und Objektreflektoren kann abhängig von dem jeweiligen Anwendungsgebiet der Messvorrichtung und den Eigenschaften der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 gewählt werden. Beispielsweise können mehr als zwei Reflektoren an der Messvorrichtung und dem Objekt vorgesehen werden. Bei einer weiteren Ausgestaltung kann ein Retroreflektor an dem Objekt vorgesehen werden, um den Messlichtstrahl in sich selbst zu reflektieren. Bei einer weiteren Ausgestaltung wird der Messlichtstrahl nicht in sich selbst reflektiert, sondern die Lichtquelle und der Detektor können räumlich beabstandet so vorgesehen werden, dass der Detektor den Messlichtstrahl erfasst. Unter Bezugnahme auf 1 kann beispielsweise anstelle des Retroreflektors 5 ein Detektor vorgesehen sein, der den Messlichtstrahl erfasst, nachdem dieser mehrfach auf versetzten Strahlenwegen zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wurde.
2 zeigt die Verwendung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung bei einer Schieblehre 20. Die Vorrichtung von 2 ist kein Ausführungsbeispiel, sofern nicht ein Aktuator zum Verstellen eines Trägers, an dem ein Reflektor angebracht ist, und ein Sensor zum Erfassen einer Ausrichtung des Trägers vorgesehen sind, wie dies beispielsweise unter Bezugnahme auf 6 bis 8 ausführlicher beschrieben wird. An einer Führung 21 der Schieblehre 20 ist ein erster Messbacken 22 ortsfest vorgesehen, während ein beweglicher zweiter Messbacken 30 entlang der Führung 21 verschiebbar ist, wie schematisch mit dem Pfeil 31 angedeutet ist. An dem ersten Messbacken 22 ist die Vorrichtung zur Abstandsmessung vorgesehen, die eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 23, mehrere Reflektoren 24–26 und einen Retroreflektor 27 aufweist. An dem beweglichen Messbacken 30 sind mehrere Objektreflektoren 33–36 vorgesehen.
Die Reflektoren 24–26 und die Objektreflektoren 33–36 können beispielsweise jeweils ein Paar zueinander verkippter Spiegel, einen Tripelspiegel, ein Tripelprisma oder dergleichen umfassen. Jeder der Reflektoren 24–26 ist eingerichtet, um einen von einem Objektreflektor 33–36 in Richtung des entsprechenden Reflektors gelenkten Messlichtstrahl zu empfangen und versetzt und parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl zurück in Richtung des beweglichen Messbackens 30 zu lenken. Jeder der Objektreflektoren 33–36 ist eingerichtet, um einen von der Messvorrichtung in Richtung des beweglichen Messbackens 30 gelenkten Messlichtstrahl zu empfangen und versetzt und parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl zurück in Richtung des ersten Messbackens 22 zu lenken. Der Retroreflektor 27 ist eingerichtet, um den Messlichtstrahl von dem Objektreflektor 36 zu empfangen und in sich zurückzureflektieren.
Im Betrieb der Vorrichtung strahlt die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 3 den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 37 zu dem Objektreflektor 33 ab. Der Objektreflektor lenkt den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 38, der parallel und versetzt zu dem Strahlenweg 37 verläuft, zu dem Reflektor 24. Der Reflektor 24 lenkt den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 39, der parallel und versetzt zu dem Strahlenweg 38 verläuft, zu dem Objektreflektor 34. Über den Objektreflektor 34, den Reflektor 25, den Objektreflektor 35, den Reflektor 26 und den Objektreflektor 36 wird der Messlichtstrahl zu dem Retroreflektor 27 geführt, wo er entlang einem Strahlenweg 40 in sich reflektiert wird und über die Objektreflektoren 33–36 und die Reflektoren 24–26 zurück zu der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 23 geführt wird.
Die Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 23 ermittelt die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge, aus der der Abstand des beweglichen Messbackens 31 von dem festen Messbacken 22 bestimmt werden kann. Bei der Schieblehre 20 ist die Arbeitsweise der Vorrichtung zur Abstandsermittlung des beweglichen Messbackens 31 identisch zu der Arbeitsweise der unter 1 beschriebenen Vorrichtung. Da der Messlichtstrahl acht Mal zwischen den beiden Messbacken hin- und hergeführt wird, kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Strahlführung bei der Abstandsmessung die Ortsauflösung und der kleinste messbare Abstand entsprechend um einen Faktor acht verkleinert werden.
Bei den unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebenen Vorrichtungen wird der Messlichtstrahl in einer Ebene mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt. Der Messlichtstrahl kann jedoch auch so geführt werden, dass die Strahlenwege zwischen Objekt und Messvorrichtung nicht alle in einer Ebene liegen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 50 zur Abstandsmessung, bei der die Reflektoren und die Objektreflektoren so angeordnet sind, dass der Messlichtstrahl entlang einer Manteloberfläche eines virtuellen Quaders geführt wird. Die Vorrichtung von 3 ist kein Ausführungsbeispiel, sofern nicht ein Aktuator zum Verstellen eines Trägers, an dem ein Reflektor angebracht ist, und ein Sensor zum Erfassen einer Ausrichtung des Trägers vorgesehen sind, wie dies beispielsweise unter Bezugnahme auf 6 bis 8 ausführlicher beschrieben wird.
Die Vorrichtung 50 weist an einem Träger 51 eine Lichtquelle 52 zum Erzeugen eines Messlichtstrahls, Reflektoren 53–55 und einen Detektor 56 zum Erfassen des Messlichtstrahls auf. Die Detektoren 53–55 sind jeweils eingerichtet, um einen an dem Objekt reflektierten Messlichtstrahl zu empfangen und mit einem Versatz parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl wieder in Richtung des Objekts zu lenken. Für jeden der Reflektoren 53–55 ist in 3 die Richtung des jeweiligen Versatzes des Messlichtstrahls schematisch durch die Längsachse des Reflektors 53–55 dargestellt. Die Reflektoren 53–55 sind nicht kollinear, sondern gegeneinander gedreht angeordnet. Dies führt dazu, dass der Messlichtstrahl entlang einer nicht planaren Manteloberfläche eines dreidimensionalen Körpers zwischen der Vorrichtung 50 und dem Objekt hin- und hergeführt wird.
An einem Objekt 61 sind Objektreflektoren 62–65 angeordnet. Jeder der Objektreflektoren 62–65 ist eingerichtet, um den Messlichtstrahl von der Messvorrichtung 50 zu empfangen und mit einem Versatz parallel zu dem empfangenen Messlichtstrahl wieder in Richtung der Messvorrichtung 50 zu lenken. Die Anordnung der Objektreflektoren 62–65 ist abhängig von der Anordnung der Reflektoren 53–55 derart gewählt, dass der Messlichtstrahl abwechselnd über einen der Objektreflektoren 62–65 und einen der Reflektoren 53–55 zwischen der Vorrichtung 50 und dem Objekt 61 hin- und hergeführt und so von der Lichtquelle 52 zu dem Detektor 56 gelenkt wird. Insbesondere sind die Objektreflektoren so angeordnet, dass wenigstens zwei der Objektreflektoren relativ zueinander gedreht vorgesehen sind.
Die Reflektoren 53–55 und die Objektreflektoren 62–65 können als ein Paar von gegeneinander geneigten Spiegeln, als ein Tripelspiegel, ein Tripelprisma oder dergleichen ausgebildet sein.
Im Betrieb der Vorrichtung wird der Messlichtstrahl von der Lichtquelle 52 entlang dem Strahlenweg 71 zu dem Objektreflektor 62 abgestrahlt. Der Objektreflektor 62 lenkt den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 72 zu dem Reflektor 53. Der Reflektor 53 lenkt den Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg 73 zu dem Objektreflektor 63. Der Objektreflektor 63 ist derart angeordnet, dass er den Messlichtstrahl mit einem Versatz entlang dem Strahlenweg 74 zu dem Reflektor 54 lenkt, der relativ zu dem Reflektor 53 um 90° gedreht ist. Entsprechend ist der Objektreflektor 63 derart angeordnet, dass der Strahlenweg 74 außerhalb der Ebene liegt, in der die Strahlenwege 71, 72 und 73 liegen. Der Reflektor 54 lenkt den Messlichtstrahl entlang dem Strahlenweg 75 zu dem Objektreflektor 64. Der Objektreflektor 64 lenkt den Messlichtstrahl entlang dem Strahlenweg 76 zu dem Reflektor 55. Der Reflektor 55 lenkt den Messlichtstrahl entlang dem Strahlenweg 77 zu dem Objektreflektor 65. Der Objektreflektor 65 lenkt den Messlichtstrahl entlang dem Strahlenweg 78 zu dem Detektor 56.
Bei der in 3 dargestellten Anordnung von Reflektoren 53–55 und Objektreflektoren 62–65, bei der die Reflektoren um jeweils 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind und die Objektreflektoren um jeweils 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind, wird der Messlichtstrahl entlang einer Mehrzahl von Strahlenwegen 71–78 mehrfach zwischen der Vorrichtung 50 und dem Objekt 61 hin- und hergeführt. Die Strahlenwege 71–78 sind parallel und versetzt zueinander angeordnet, liegen jedoch nicht alle in einer Ebene. So liegt beispielsweise der von dem Objektreflektor 63 zu dem Reflektor 53 führende Strahlenweg 74 und der von dem Reflektor 54 zu dem Objektreflektor 64 führende Strahlenweg 75 nicht in der Ebene, die durch den Strahlenweg 71 und den Strahlenweg 72 oder den Strahlenweg 73 definiert wird.
Bei einem derartigen Strahlengang des Messlichtstrahls sind die Reflektoren und die Objektreflektoren nicht in einer linearen Anordnung vorgesehen. Dies erlaubt es, die Reflektoren der Messvorrichtung bzw. die Objektreflektoren in einer zweidimensionalen Anordnung zu positionieren. Beispielsweise können die Reflektoren entlang einer Randkante einer Grundfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers angeordnet sein, und die Objektreflektoren können entlang einer Randkante einer entgegengesetzten Deckenfläche des virtuellen dreidimensionalen Körpers angeordnet sein. Als virtueller dreidimensionaler Körper wird dabei ein nicht real existierender Körper bezeichnet, auf dessen Manteloberfläche der Strahlengang des Messlichtstrahls liegt.
Eine Anordnung von Reflektoren bzw. Objektreflektoren, wie sie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde, erlaubt es, in einer Fläche mit beschränkten Abmessungen eine größere Zahl von Reflektoren bzw. Objektreflektoren unterzubringen als bei einer Anordnung entlang einer Linie. Auf diese Weise kann das Verhältnis der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge zum Objektabstand weiter erhöht werden.
Die Bestimmung des Objektabstands kann wie unter Bezugnahme auf die Vorrichtungen von 1 und 2 beschrieben erfolgen. Zur Bestimmung der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge kann mit der Lichtquelle 52 und dem Detektor 56 eine Laufzeitmessung, ein interferometrisches Verfahren oder ein eine Pulsfolge verwendendes Messverfahren durchgeführt werden. Der Teil der von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge, der nicht durch die wiederholte Propagation des Messlichtstrahls zwischen Messvorrichtung 50 und Objekt 61 verursacht wird, kann beispielsweise anhand der Vorrichtungsgeometrie oder mithilfe einer Kalibrierung der Messvorrichtung 50 bestimmt werden.
Bei der unter Bezugnahme auf 3 erläuterten Vorrichtung sind die Lichtquelle 62 und der Detektor 56 separat vorgesehen. Bei einer Abwandlung kann anstelle des Detektors 56 ein Retroreflektor vorgesehen werden, um den Messlichtstrahl in sich zu reflektieren, und anstelle der Lichtquelle 52 kann eine integrierte Lichtquellen- und Detektoreinrichtung, beispielsweise ein herkömmlicher Laserentfernungsmesser, vorgesehen werden.
Die Anzahl und Anordnung von Reflektoren und Objektreflektoren kann auch bei einer Messvorrichtung, bei der der Strahlengang des Messlichtstrahls entlang einer Manteloberfläche eines dreidimensionalen Körpers geführt wird, abhängig von den Eigenschaften der Lichtquelle und der Detektoreinrichtung sowie abhängig von einem gewünschten Bereich von Abständen, die mit der Abstandsmessvorrichtung gemessen werden sollen, gewählt werden.
4 zeigt ein Beispiel für einen Strahlengang eines Messlichtstrahls 85. Der Messlichtstrahl 85 wird auf einer Manteloberfläche eines virtuellen Quaders 80 mehrfach zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt hin- und hergeführt. Reflektoren der Messvorrichtung, die in 4 nicht dargestellt sind, sind entlang eines Rands einer Grundfläche 81 des virtuellen Quaders 80 angeordnet, und Objektreflektoren, die in 4 nicht dargestellt sind, sind entlang eines Rands einer der Grundfläche 81 gegenüberliegenden Deckenfläche 82 des Quaders 80 an dem Objekt angeordnet, dessen Abstand zu bestimmen ist. Eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 83 erzeugt den Messlichtstrahl 85, der auf der Manteloberfläche des Quaders 80 mehrfach zwischen der Grundfläche 81 und der Deckenfläche 82 hin- und hergeführt wird. Ein Retroreflektor 84 reflektiert den Messlichtstrahl 85 in sich selbst zurück, so dass er zurück zu der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 83 propagiert.
5 zeigt ein Beispiel für einen Strahlengang eines Messlichtstrahls 95. Der Messlichtstrahl 95 wird auf einer Manteloberfläche eines virtuellen Zylinders 90 mehrfach zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt hin- und hergeführt. Reflektoren der Messvorrichtung, die in 5 nicht dargestellt sind, sind entlang eines Rands einer Grundfläche 91 des virtuellen Zylinders 90 angeordnet, und Objektreflektoren, die in 5 nicht dargestellt sind, sind entlang eines Rands einer der Grundfläche 91 gegenüberliegenden Deckenfläche 92 des Zylinders 90 an dem Objekt angeordnet, dessen Abstand zu bestimmen ist. Eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 93 erzeugt den Messlichtstrahl 95, der auf der Manteloberfläche des Zylinders 90 mehrfach zwischen der Grundfläche 81 und der Deckenfläche 82 hin- und hergeführt wird. Ein Retroreflektor 94 reflektiert den Messlichtstrahl 95 in sich selbst zurück, so dass er zurück zu der Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 93 propagiert.
Für eine genaue Abstandsmessung sollten die Reflektoren der Messvorrichtung eine wohldefinierte Ausrichtung zu den an dem Objekt angebrachten Objektreflektoren aufweisen. Falls die Reflektoren der Messvorrichtung an einem ebenen Träger angebracht sind und die Objektreflektoren an einem ebenen Träger angebracht sind, kann die Lagerung und Anordnung der Träger so gewählt werden, dass eine möglichst parallele Anordnung der beiden Träger eingestellt werden kann und eine bestehende Restverkippung den gemessenen Abstand nicht stark beeinflusst.
Dazu kann der Träger der Reflektoren und/oder der Träger der Objektreflektoren an einem Punkt, der auf einer Verbindungslinie zwischen der Anordnung von Reflektoren und der Anordnung von Objektreflektoren und vorteilhaft durch eine Verbindungslinie einer Mitte der Anordnung von Reflektoren mit einer Mitte der Anordnung von Objektreflektoren liegt. Alternativ kann der Träger der Reflektoren und/oder der Träger der Objektreflektoren entlang einer Linie gelagert sein, die die genannte Verbindungslinie schneidet. Beispielsweise kann der Träger der Reflektoren und/oder der Träger der Objektreflektoren an einer die Mitten der Träger verbindenden Linie gelagert sein. Dadurch kann der Einfluss einer Verkippung der beiden Träger zueinander auf den gemessenen Abstand verringert werden.
Die Ausrichtung des Trägers für die Reflektoren und des Trägers für die Objektreflektoren zueinander kann darüber hinaus aktiv eingestellt werden, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 6–8 näher erläutert wird.
6 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Abstandsmessung mit einem Träger 103, auf dem eine Reflektoranordnung 104 befestigt ist. Die Reflektoranordnung kann beispielsweise eine lineare Anordnung von Reflektoren, wie sie unter Bezugnahme auf 1 und 2 erläutert wurde, oder eine zweidimensionale Anordnung von Reflektoren, wie sie unter Bezugnahme auf 3–5 erläutert wurde, umfassen. An einem Träger 119 ist eine Anordnung von (nicht dargestellten) Objektreflektoren vorgesehen. Der Träger 119 kann beispielsweise als beweglicher Messbacken einer Schieblehre ausgebildet sein.
Der Träger 103 ist an einer Platte 102 so gelagert, dass der Träger 103 um eine durch die Mitte des Trägers 103 verlaufende Achse 112 relativ zu der Platte 102 kippbar ist. Zur Verkippung des Trägers 103 relativ zu der Platte 102 ist ein Paar von Piezoelementen 107, 108 vorgesehen, über das sich der Träger 103 an der Platte 102 abstützt.
Die Platte 102 ist an einer Platte 101 so gelagert, dass die Platte 102 um eine durch die Mitte der Platte 102 verlaufende Achse 111, die orthogonal zur Achse 112 ist, relativ zu der Platte 101 kippbar ist. Zur Verkippung der Platte 102 relativ zu der Platte 101 ist ein Paar von Piezoelementen 105, 106 vorgesehen, über das sich die Platte 102 an der Platte 101 abstützt. Die Platte 101 ist im Gebrauch der Vorrichtung 100 ortsfest montiert.
Der Träger 103 kann durch Betätigung der Piezoelemente 105, 106 und/oder der Piezoelemente 107, 108 um die orthogonalen Achsen 111 und/oder 112 so verkippt werden, dass der Träger 104 möglichst parallel zu dem Träger 119 mit den Objektreflektoren ausgerichtet ist. Dazu können die Paare von Piezoelementen 107, 108 bzw. 105, 106 von einer Steuereinrichtung 118 abhängig von einer Ausrichtung des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 mit den Objektreflektoren gesteuert werden. Bei einer Ausgestaltung kann die Steuereinrichtung 118 die Piezoelemente 105 und 106 gegenphasig derart ansteuern, dass sich eines der Piezoelemente um eine gewisse Strecke ausdehnt, während das andere der Piezoelemente um dieselbe Strecke schrumpft, um eine Verkippung des Trägers 103 um die Achse 111 zu erreichen. Ähnlich kann die Steuereinrichtung 118 die Piezoelemente 107 und 108 gegenphasig derart ansteuern, dass sich eines der Piezoelemente um eine gewisse Strecke ausdehnt, während das andere der Piezoelemente um dieselbe Strecke schrumpft, um eine Verkippung um die Achse 112 zu erreichen.
Der Steuereinrichtung 118 können in einem Regelkreis Eingangssignale zugeführt werden, die die Ausrichtung des Trägers 103 relativ zu der Ebene des Trägers 119 repräsentieren. Die Ausrichtung des Trägers 103 kann optisch bestimmt werden.
Bei der in 6 dargestellten Vorrichtung sind zur Bestimmung der Ausrichtung des Trägers 103 an dem Träger 103 Lichtquellen 113, 114 vorgesehen, wobei die Lichtquelle 113 einen (nicht dargestellten) Lichtstrahl auf einen Sensor 115 und die Lichtquelle 114 einen (nicht dargestellten) Lichtstrahl auf einen Sensor 116 abstrahlt. Die Sensoren 115, 116 sind an dem Träger 119 für die Objektreflektoren angeordnet. Der Sensor 115 erfasst eine Position des auf ihn eingestrahlten Lichtstrahls entlang einer ersten Richtung, beispielsweise einer vertikalen Richtung des Trägers 119. In einer dazu orthogonalen Richtung, beispielsweise der horizontalen Richtung des Trägers 119, weist der Sensor 115 eine Breite auf, die ausreichend ist, dass für zu erwartende Verkippungen des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 um dessen vertikale Achse der von der Lichtquelle 113 abgestrahlte Lichtstrahl noch auf den Sensor 115 trifft. Der Sensor 115 kann jedoch unempfindlich gegenüber der Position des Lichtstrahls in der zweiten Richtung, beispielsweise der horizontalen Richtung des Trägers 119, sein. Der Sensor 116 erfasst eine Position des auf ihn eingestrahlten Lichtstrahls entlang der zweiten Richtung, beispielsweise der horizontalen Richtung des Trägers 119. In einer dazu orthogonalen Richtung, beispielsweise der vertikalen Richtung des Trägers 119, weist der Sensor 116 eine Breite auf, die ausreichend ist, dass für zu erwartende Verkippungen des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 um dessen horizontale Achse der von der Lichtquelle 114 abgestrahlte Lichtstrahl noch auf den Sensor 116 trifft. Der Sensor 116 kann jedoch unempfindlich gegenüber der Position des Lichtstrahls in der ersten Richtung, beispielsweise der vertikalen Richtung des Trägers 119, sein.
Die die Ausrichtung des Trägers 103 anzeigenden Ausgangssignale der Sensoren 115 und 116 werden der Steuereinrichtung 118 zugeführt, die Signale zur Ansteuerung der Piezoelemente 105–108 erzeugt. Zur Erzeugung der Signale für die Piezoelemente kann die Steuereinrichtung 118 die Ausgangssignale der Sensoren 115, 116 verstärken und gegebenenfalls invertieren, um die gewünschte Regelung der Ausrichtung des Trägers 103 zu erreichen. Die Regelverstärkung ist bestimmt durch das Produkt von einem strahlenoptischen Vervielfältigungsfaktor, der die Ablenkung des von der Lichtquelle 113 bzw. 114 abgestrahlten Lichtstrahls pro Kippwinkel angibt, dem Konversionsfaktor des Sensors 115 bzw. 116, dem Verstärkungsfaktor der Steuerschaltung 118 und der Wandlungskennlinie der Piezoelemente 105–108.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen können Abwandlungen des Verstellmechanismus für den Träger 103 oder der Sensorik zum Erfassen der Ausrichtung des Trägers 103 eingesetzt werden. Beispielsweise kann anstelle der Paare von Piezoelementen jeweils ein einziges Piezoelement verwendet werden, um den Träger 103 um die Achse 111 bzw. die Achse 112 zu verkippen. Anstelle von Piezoelementen können andere geeignete Aktuatoren verwendet werden.
Zur Erfassung der Ausrichtung des Trägers 103 kann auch eine einzige Lichtquelle und ein einziger Sensor verwendet werden, wie unter Bezugnahme auf 7 näher beschrieben wird.
7 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 120 zur Abstandsmessung. Elemente oder Einrichtungen, deren Funktion und Ausgestaltung derjenigen von unter Bezugnahme auf 6 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrichtung 100 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben.
Bei der Vorrichtung 120 wird eine an dem Schnittpunkt der Kippachsen 111 und 112 des Trägers 103 vorgesehene Lichtquelle 113 und ein an dem Träger 119 angebrachter Vier-Quadranten-Sensor 117 verwendet, um die Ausrichtung des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 für die Objektreflektoren zu bestimmen. Der Vier-Quadranten-Sensor 117 ist an dem Träger 119 an einer Position gegenüber dem Schnittpunkt der Kippachsen 111 und 112 vorgesehen. Die Ausgangssignale des Vier-Quadranten-Sensors 117 zeigen die Koordinaten des von der Lichtquelle 113 abgestrahlten Lichtstrahls an dem Vier-Quadranten-Sensor 117 an und werden von der Auswerteeinrichtung 118 wie unter Bezugnahme auf 6 beschrieben verarbeitet, um die Ausrichtung des Trägers 103 relativ zu dem Träger 119 zu regeln.
Während bei der Vorrichtung 120 der Vier-Quadranten-Sensor 117 an dem Träger 119 für die Objektreflektoren vorgesehen ist, kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vier-Quadranten-Sensor an dem Träger 103 für die Reflektoren der Messvorrichtung angebracht sein. An dem Träger 119 für die Objektreflektoren kann dann ein zusätzlicher Reflektor zum Reflektieren des Lichtstrahls von der Lichtquelle 113 zu dem Vier-Quadranten-Sensor vorgesehen werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Ausrichtung des Trägers für die Reflektoren in der Messvorrichtung aufgrund des Messlichtstrahls ermittelt, der zur Abstandsmessung verwendet wird. Dazu kann im Strahlengang des Messlichtstrahls ein Strahlteiler vorgesehen werden, der einen Teil der Lichtenergie des Messlichtstrahls zu einem Sensor, beispielsweise einem Vier-Quadranten-Sensor auskoppelt, um die Ausrichtung des Trägers zu bestimmen.
8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 130 zur Abstandsmessung. An einem Träger 131 der Messvorrichtung 130 sind eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung 23, Reflektoren 23–26 und ein Retroreflektor 27 vorgesehen, deren Ausgestaltung und Funktionsweise derjenigen der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen korrespondierenden Elemente entspricht. An einem Träger 132, der einen Teil des Objekts bilden kann, dessen Abstand zu bestimmen ist, oder der an diesem Objekt anzubringen ist, sind Objektreflektoren 33–36 vorgesehen, deren Ausgestaltung und Funktionsweise derjenigen der unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen korrespondierenden Elemente entspricht. Die Reflektoren 24–27 und die Objektreflektoren 33–36 lenken den Messlichtstrahl derart, dass er die Strecke zwischen dem Träger 131 der Messvorrichtung und dem Träger 132 mit den Objektreflektoren in jeder Richtung mehrfach durchläuft.
In dem Strahlengang des Messlichtstrahls ist ein Strahlteiler 133 angeordnet. Im Betrieb der Vorrichtung koppelt der Strahlteiler 133 einen Teil des Messlichtstrahls aus dem Strahlengang und lenkt ihn zu einem Vier-Quadranten-Sensor 134. Die Position des Messlichtstrahls an dem Vier-Quadranten-Sensor 134 repräsentiert eine Verkippung des Trägers 131 relativ zu dem Träger 132. Das die Position des Messlichtstrahls an dem Vier-Quadranten-Sensor 134 anzeigende Ausgangssignal des Vier-Quadranten-Sensors 134 wird einer Steuereinrichtung 135 zugeführt, die über einen Aktuator 136 die Ausrichtung des Trägers 131 derart regelt, dass der Träger 131 im Wesentlichen parallel zu dem Träger 132 ausgerichtet ist.
Während in 8 die Auskopplung eines Teils des Messlichtstrahls zur Regelung der Ausrichtung des Trägers für eine Reflektoranordnung dargestellt ist, bei der die Reflektoren 24–27 entlang einer Linie vorgesehen sind, kann ein ausgekoppelter Teil des Messlichtstrahls vorteilhaft auch bei Messvorrichtungen zur Regelung der Ausrichtung von Reflektoren verwendet werden, bei denen der Messlichtstrahl nicht in einer einzigen Ebene geführt wird. Derartige Messvorrichtungen wurden unter Bezugnahme auf 3–5 erläutert. Beispielsweise kann eine Anordnung von Reflektoren 53–55, wie sie in 3 dargestellt ist, auf dem mit Aktuatoren verstellbaren Träger 103 der Vorrichtung 100 von 6 oder der Vorrichtung 120 von 7 angebracht werden. Ein Teil des Messlichtstrahls kann zu einem Vier-Quadranten-Sensor ausgekoppelt werden, um die Ausrichtung des Trägers 103 zu regeln.
Wenn ein Teil des Messlichtstrahls ausgekoppelt wird, um in der Abstandsmessvorrichtung eine Ausrichtung des Trägers für die Reflektoren zu regeln, wird die Regelungsverstärkung erhöht, da die mehrfache Propagation des Messlichtstrahls zwischen Messvorrichtung und Objekt eine durch eine Verkippung des Trägers hervorgerufene Positionsabweichung des Messlichtstrahls vom gewünschten Strahlenweg erhöhen kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Messlichtstrahl erzeugt werden, der Lichtkomponenten mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen aufweist. Es kann ein lichtwellensensitiver Strahlteiler vorgesehen sein, der Licht einer Wellenlänge aus dem Messlichtstrahl auskoppelt, das zur Bestimmung der Ausrichtung verwendet wird. Der nicht ausgekoppelte Teil des Messlichtstrahls kann zur Abstandsbestimmung verwendet werden.
Bei den unter Bezugnahme auf 1–8 erläuterten Vorrichtungen wird der Messlichtstrahl zur Abstandsmessung mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt. Die resultierende Verlängerung der von dem Messlichtstrahl durchlaufenen Weglänge erlaubt es, bei Verwendung eines herkömmlichen Laserentfernungsmessers einen kleinsten messbaren Abstand zu verringern und eine höhere Messgenauigkeit zu erzielen.
Anstelle eines herkömmlichen Laserentfernungsmessers kann bei den Messvorrichtungen, die unter Bezugnahme auf 1–8 beschrieben wurden, auch ein Kurzpulslaser als Lichtquelle verwendet werden, der eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate erzeugt. Die Folge von Lichtpulsen wird mit einem Fotodetektor erfasst, nachdem sie mehrmals zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wurde. Die Laufzeit der Lichtpulse und somit die von ihnen zurückgelegte Weglänge kann aus der Phasenverschiebung einer Signalkomponente des erfassten Signals bestimmt werden, deren Frequenz im Wesentlichen ein Vielfaches der Repetitionsrate ist, wie unter Bezugnahme auf 9–12 näher erläutert wird.
9A zeigt beispielhaft eine Folge kurzer Lichtpulse 141, wobei die Ausgangsleistung P einer Lichtquelle als Funktion der Zeit t dargestellt ist. Der Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen ist mit dem Bezugszeichen 142 angedeutet, während die Dauer jedes Lichtpulses mit dem Bezugszeichen 143 angedeutet ist. Die Dauer jedes Lichtpulses kann im Vergleich zu dem Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen sehr klein sein, beispielsweise von der Größenordnung 1·10^–5. Die Repetitionsrate f0 und die Zeitdauer jedes Pulses können geeignet in Abhängigkeit von einer gewünschten Messgenauigkeit bei der Bestimmung einer von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge, von einer anfänglichen Unsicherheit über die Weglänge oder in Abhängigkeit von weiteren Faktoren gewählt werden. Soll zur Bestimmung der Phasendifferenz die n-te Oberwelle von f0 verwendet werden, werden die Dauer jedes Lichtpulses und der Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen so gewählt, dass die von der Lichtquelle ausgegebene Folge von Lichtpulsen noch ein ausreichendes spektrales Gewicht bei der Frequenz n·f0 aufweist. Auch wenn in 9A beispielhaft eine Folge von Rechteckspulsen dargestellt ist, können ebenso andere geeignete Pulsformen gewählt werden, beispielsweise das Quadrat eines hyperbolischen Secans oder eine Gaussfunktion.
9B zeigt beispielhaft ein Frequenzspektrum 145 einer Folge von Lichtpulsen, die mit einer Repetitionsrate f0 erzeugt werden, wobei die Dauer jedes Lichtpulses kurz im Vergleich zu T0 = 1/f0 ist. Das Frequenzspektrum 145 weist eine Anzahl von Peaks mit einem konstanten Frequenzabstand f0 auf, der bei dem Bezugszeichen 146 schematisch angedeutet ist. Das spektrale Gewicht der einzelnen Peaks nimmt zu höheren Frequenzen hin ab, wobei die Stärke des Abfalls durch das Verhältnis von Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen und Lichtpulsdauer bestimmt ist. Diese Größen sind so gewählt, dass das spektrale Gewicht der Frequenzkomponente 147 mit Frequenz n·f0, die bei der Weglängenmessung zur Bestimmung von Phasenlagen verwendet wird, in der Folge von Lichtpulsen ausreichend hoch für die Durchführung von Phasenmessungen ist.
Eine Folge von Lichtpulsen, wie sie schematisch in 9 dargestellt ist, kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z. B. ein gütegeschalteter Laser, ein verstärkungsgeschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische-Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle verwendet werden. Beispielhafte Pulsdauern der Lichtquelle liegen in einem Bereich von 100 fs und 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert).
10 zeigt eine Lichtquellen- und Detektoranordnung 150 mit einer Lichtquelle 151, Fotodetektoren 153, 154 und 156 und einer Auswerteeinrichtung 157. Die Lichtquellen- und Detektoranordnung 150 kann beispielsweise bei den Vorrichtungen eingesetzt werden, die unter Bezugnahme auf 1–8 beschrieben wurden.
Wie in 10 dargestellt, wird ein Teilstrahl der von der Lichtquelle 151 ausgegebenen Folge von Lichtpulsen über den Strahlteiler 152 als Referenzsignal 158 zu den Referenzsignaldetektoren 153, 154 gelenkt. Falls erforderlich, kann im Strahlengang von dem Strahlteiler 152 zu den Referenzsignaldetektoren 153, 154 ein optisches Element zur Strahlaufteilung, insbesondere ein Strahlteiler vorgesehen sein um sicherzustellen, dass der Teilstrahl 158 sowohl auf den Referenzsignaldetektor 153 als auch auf den Referenzsignaldetektor 154 trifft. Ein weiterer Teilstrahl 160 wird als Messlichtstrahl in Richtung des Objekts abgestrahlt, dessen Abstand zu bestimmen ist. Wie unter Bezugnahme auf 1–8 erläutert, wird der Messlichtstrahl mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass einer der Reflektoren der Messvorrichtung ein Retroreflektor ist. Der mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführte Messlichtstrahl wird über einen halbdurchlässigen Spiegel 155 auf einen Fotodetektor 156 gelenkt. Aus der Phasenlage des von dem Fotodetektor 156 erfassten Signals kann die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge ermittelt werden.
Sowohl der Fotodetektor 156 als auch die ebenfalls als Fotodetektoren ausgestalteten Referenzsignaldetektoren 153, 154 erfassen eine auf sie einfallende Lichtenergie als Funktion der Zeit. Aufgrund der mit wohldefinierter Repetitionsrate erzeugten Lichtpulse kann der Signalanteil, der von der Folge von Lichtpulsen herrührt, bei der Signalverarbeitung durch die Auswerteschaltung 157 durch geeignete Filterung bestimmt werden, so dass im Folgenden andere von den Fotodetektoren 154, 154 und 156 erfasste Signalanteile nicht weiter erörtert werden.
Die unterschiedliche optische Weglänge eines Lichtpulses, um einerseits zu einem der Referenzsignaldetektoren 153, 154 und andererseits nach Durchlaufen des gefalteten Strahlengangs für den Messlichtstrahl zu dem Fotodetektor 156 zu gelangen, führt zu einer Zeitverschiebung τ zwischen der Ankunft ein- und desselben Lichtpulses an dem Detektor 156 und an den Referenzsignaldetektoren 153, 154, die gleich dem Weglängenunterschied geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit c ist. Durch Messung der Zeitverschiebungen τ zwischen dem von dem Fotodetektor 156 erfassten Lichtsignal und dem Referenzsignal, das von den Referenzsignaldetektoren 153, 154 erfasst wird, kann die von dem Lichtpuls zurückgelegte optische Weglänge zwischen dem Strahlteiler 152 und dem Fotodetektor 156 bestimmt werden.
Der Fotodetektor 156 sowie die Referenzsignaldetektoren 153, 154 sind mit der Auswerteschaltung 157 gekoppelt, die eine Phasendifferenz zwischen der erfassten Lichtintensität des Messlichtstrahls und dem Referenzsignal ermittelt. Wie näher erläutert wird, kann die Auswerteschaltung 157 der Anordnung 150 eingerichtet sein, um die Phasendifferenz zwischen dem von dem Fotodetektor 156 erfassten Lichtsignal und dem Referenzsignal, das von den Referenzsignaldetektoren 153, 154 erfasst wird, für eine Signalkomponente zu bestimmen, deren Frequenz im Wesentlichen ein Vielfaches der Repetitionsrate ist.
Die an dem Fotodetektor 156 empfangene Folge von Lichtpulsen weist, wie unter Bezugnahme auf 9 für die von der Lichtquelle erzeugte Folge von Lichtpulsen erläutert, eine Vielzahl von Oberwellen auf, deren Frequenzen Vielfache der Repetitionsrate f0 sind: f_i = i·f0, (1) wobei i eine natürlich Zahl und f0 die Repetitionsrate der Lichtquelle 151 ist. Eine charakteristische Größe für Frequenzen, die noch ein signifikantes spektrales Gewicht in einer Fourier-Darstellung der von dem Fotodetektor 156 empfangenen Lichtenergie als Funktion der Zeit aufweisen, ist durch den Quotienten aus der Zeitdauer T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen und der charakteristischen Zeitdauer eines Lichtpulses gegeben.
Die zeitliche Verschiebung τ zwischen den von dem Fotodetektor 156 und den Referenzsignaldetektoren 153, 154 erfassten Signalen führt dazu, dass eine Signalkomponente des an dem Fotodetektor 156 empfangenen Signals 159, die eine Frequenz f_i aufweist, relativ zu einer Referenzsignalkomponente des an den Referenzsignaldetektoren 153, 154 empfangenen Referenzsignals 158, die eine Frequenz f_i aufweist, eine Phasenverschiebung von Δϕ_i = 2·π·f_i·τ = 2·π·i·f0·τ (2a) = 2·π·i·f0·(d/c) (2b) hat. Dabei bezeichnet d die Weglängendifferenz zwischen einem Lichtpfad eines Lichtpulses, der von dem Strahlteiler 152 aus in Richtung des Objekts abgestrahlt und mehrfach zwischen Objekt und Messvorrichtung hin- und hergeführt wird, und einem Lichtpfad eines Lichtpulses, der von dem Strahlteiler 152 aus zu den Referenzsignaldetektoren 153, 154 gelenkt wird. Dabei wird angenommen, dass die Länge des Lichtpfads eines Lichtpulses, der von dem Strahlteiler 152 aus zu den Referenzsignaldetektoren 153, 154 gelenkt wird, bekannt ist, da sie nur von der Vorrichtungsgeometrie abhängt.
Wenn bereits ein Schätzwert dS für die Weglängendifferenz d bekannt ist, der diese mit einer Genauigkeit von c/(i·f0) annähert, so dass |d – dS| < c/f_i = c/(i·f0), (3) kann auf der Basis von dS der Anteil der Phasenverschiebung auf der rechten Seite von Gleichung (2a) bestimmt werden, der ein ganzzahliges Vielfaches von 2·π ist. Basierend auf dS wird eine ganze Zahl m ermittelt, so dass d = d' + m·c/f_i, wobei |d'| < c/f_i. (4)
Folglich ist Δϕ_i' = Δϕ_i – 2·π·m = 2·π·i·f0·(d'/c) (5) eine im Intervall von 0 bis 2·π liegende Größe, die durch Messung der Phasenlage zwischen einem Ausgangssignal des Fotodetektors 156 und einem Ausgangssignal eines der Referenzsignaldetektoren 153, 154 bestimmt werden kann. Die Größe d', die dann gemäß d' = c·Δϕ_i'/(2·π·i·f0) (6) ermittelt werden kann, führt gemäß Gleichung (4) zu einem verbesserten Wert für den Weglängenunterschied d. Da sich die beiden Größen Δϕ_i' und Δϕ_i nur um ein für die Bestimmung der Phasendifferenz irrelevantes ganzzahliges Vielfaches von 2·π unterscheiden, werden beide Größen nachfolgend als Phasendifferenz bezeichnet und nicht weiter unterschieden.
Bei der Vorrichtung und dem Verfahren nach Ausführungsbeispielen der Erfindung wird i > 1, typischerweise i >> 1 gewählt, um die Phasendifferenz zu bestimmen. Daher kann bei vorgegebener Messgenauigkeit für eine Phasendifferenz, im Folgenden als Phasenauflösung bezeichnet, die Messgenauigkeit für den Weglängenunterschied und somit die axiale Auflösung erhöht werden.
Zur Veranschaulichung wird angenommen, dass die Phasenauflösung 2·π/1000 beträgt und f0 = 100 MHz. Dann beträgt die axiale Auflösung 3 mm/i und nimmt mit zunehmender Frequenz der Signalkomponente, i, ab. Für i = 700, wird beispielsweise eine axiale Auflösung von ungefähr 4,1 μm erreicht. Somit kann die axiale Auflösung vergrößert werden, indem die Phasendifferenz auf der Basis einer Signalkomponente des Signals 159 ermittelt wird, die einer hochfrequenten Oberwelle der Folge von Lichtpulsen entspricht, d. h. deren Frequenz die Repetitionsrate multipliziert mit einem Faktor i >> 1 ist. Die Signalkomponente, auf deren Basis die Phasendifferenz bestimmt wird, wird so gewählt, dass sie eine möglichst hohe Frequenz aufweist, bei der die Folge von Lichtpulsen noch ein ausreichendes spektrales Gewicht hat und die eine Signalverarbeitung durch die als Hochfrequenzschaltung ausgestaltete Auswerteschaltung 157 erlaubt.
Die Auswerteschaltung 157 kann die Phasendifferenz ermitteln, indem mehrere Oberwellen miteinander gemischt werden. Durch geeignete Wahl der Oberwellen und durch Mischen einer Signalkomponente des an dem Fotodetektor 156 empfangenen Lichtsignals mit einer Referenzsignalkomponente des von den Referenzsignaldetektoren 153, 154 empfangenen Referenzsignals kann ein Mischprodukt erzeugt werden, das relativ niederfrequent ist, aber die Phasendifferenz der Oberwelle enthält. Dadurch erhält man an Stelle der ursprünglichen Anforderung, kurze Laufzeiten zu messen, die Möglichkeit, eine Phasenmessung bei tiefen Frequenzen vorzunehmen.
11 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Detektoranordnung und Auswerteschaltung nach einem Ausführungsbeispiel. Die Auswerteeinrichtung 157 der Anordnung 150 von 10 kann wie in 11 dargestellt ausgeführt sein.
Die Auswerteschaltung 170 umfasst einen Signalverarbeitungspfad für ein von dem Fotodetektor 156 ausgegebenes elektrisches Signal, das das von dem Fotodetektor 156 erfasste Lichtsignal repräsentiert, mit einem eingangsseitigen Verstärker 171 und einem Bandpassfilter 172. Die Auswerteschaltung 170 umfasst weiterhin einen Signalverarbeitungspfad für ein von dem ersten Referenzsignaldetektor 153 ausgegebenes elektrisches Signal, das das von dem ersten Referenzsignaldetektor 153 erfasste Referenzsignal repräsentiert, mit einem eingangsseitigen Verstärker 173 und einem Bandpassfilter 174, und einen Signalverarbeitungspfad für ein von dem zweiten Referenzsignaldetektor 154 ausgegebenes elektrisches Signal, das das von dem zweiten Referenzsignaldetektor 154 erfasste Referenzsignal repräsentiert, mit einem eingangsseitigen Verstärker 176 und einem Bandpassfilter 177. Da die von den Detektoren bzw. Referenzsignaldetektoren ausgegebenen Signale die auf sie einfallenden optischen Signale repräsentieren und die Lichtintensität als Funktion der Zeit wiederspiegeln, werden die von den Detektoren bzw. Referenzsignaldetektoren ausgegebenen Signale ebenso bezeichnet wie die erfassten optischen Signale, d. h. als erfasstes „Lichtsignal” bzw. „Referenzsignal”, wobei die von der Auswerteschaltung verarbeiteten Signale elektrische Signale sind.
Das Bandpassfilter 172 ist so eingerichtet, dass eine Signalkomponente des von dem Fotodetektor 156 erfassten Lichtsignals mit einer Frequenz von n·f0 durchgelassen wird, wobei n eine natürliche Zahl größer als 1 ist. Wie oben beschrieben, wird n vorteilhaft möglichst groß gewählt, um die axiale Auflösung zu verbessern. Vorteilhaft weist das Bandpassfilter 172 einen Durchlassbereich auf, der so gewählt ist, dass die Übertragung von Signalkomponenten mit Frequenzen von (n + 1)·f0 und (n – 1)·f0 im Vergleich zur Übertragung der Signalkomponente mit der Frequenz n·f0 deutlich abgeschwächt ist. Dazu kann das Bandpassfilter 172 einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist.
Das Bandpassfilter 174 ist so eingerichtet, dass eine Referenzsignalkomponente des von dem ersten Referenzsignaldetektor 153 erfassten Referenzsignals mit einer Frequenz von k·f0 durchgelassen wird, wobei k eine natürliche Zahl ist. Beispielsweise kann k = n – 1 gewählt werden, so dass das Bandpassfilter 174 eine Referenzsignalkomponente mit der Frequenz (n – 1)·f0 durchlässt. Vorteilhaft weist das Bandpassfilter 174 einen Durchlassbereich auf, der so gewählt ist, dass die Übertragung von Referenzsignalkomponenten mit Frequenzen von (k + 1)·f0 und (k – 1)·f0 im Vergleich zur Übertragung der Referenzsignalkomponente mit der Frequenz k·f0 deutlich abgeschwächt ist. Dazu kann das Bandpassfilter 174 einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist.
Ein Mischer 175 ist eingangsseitig mit den Bandpassfiltern 172 und 174 gekoppelt, um die Signalkomponente 181 des Lichtsignals und die Referenzsignalkomponente 182 des Referenzsignals zu empfangen. Das Ergebnis der Frequenzmischung, cos(n·f0·t + Δϕ_n)·cos((n – 1)·f0·t) = [cos(f0·t + Δϕ_n) + cos((2·n – 1)·f0·t + Δϕ_n)]/2, (7) weist eine niederfrequente Komponente mit der Frequenz f0, die der Grundfrequenz bzw. Repetitionsrate des von der Lichtquelle 151 erzeugten Signals entspricht, und eine hochfrequente Komponente auf.
Obwohl der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung (7) die Grundfrequenz f0 aufweist, ist die Phase Δϕ_n im Argument der niederfrequenten Komponente in Gleichung (7) durch Gleichung (2) bestimmt, entspricht also der Phasendifferenz für die Signalkomponente des Lichtsignals mit der Frequenz n·f0. Die niederfrequente Komponente wird als Signal 183 an einen Phasenauswerter 178 bereitgestellt, dessen zweiter Eingang mit dem Bandpassfilter 177 gekoppelt ist.
Das Bandpassfilter 177 ist so eingerichtet, dass eine Referenzsignalkomponente des von dem zweiten Referenzsignaldetektor 153 erfassten Referenzsignals mit einer Frequenz von f0 durchgelassen wird. Vorteilhaft weist das Bandpassfilter 177 einen Durchlassbereich auf, der so gewählt ist, dass die Übertragung von Referenzsignalkomponenten mit Frequenzen von 0·f0 und 2·f0 im Vergleich zur Übertragung der Referenzsignalkomponente mit der Frequenz f0 deutlich abgeschwächt ist. Dazu kann das Bandpassfilter 177 einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist. Die resultierende Referenzsignalkomponente mit der Frequenz f0 wird als Signal 184 an den Phasenauswerter 178 bereitgestellt.
Der Phasenauswerter 178 bestimmt die Phasendifferenz Δϕ_n zwischen dem Signal 183 und dem Signal 184. Da durch das Mischen ein Signal mit Frequenz f0 und mit der Phasendifferenz Δϕ_n erzeugt wird, kann die Phasenmessung bei tiefen Frequenzen erfolgen.
Da das Signal 184 mithilfe des zweiten Referenzsignaldetektors 153 direkt optisch aufgenommen und nicht aus dem Signal erzeugt wird, das der erste Referenzsignaldetektor 154 aufnimmt, können die Verstärker 173 und 176 in den Signalverarbeitungspfaden für die beiden Referenzsignaldetektoren 153, 154 gezielt ausgewählt werden. Beispielsweise kann der Verstärker 176 so gewählt werden, dass er bei der Frequenz f0 eine gute Leistungscharakteristik aufweist, während der Verstärker 173 so gewählt werden kann, dass er bei der Frequenz (n – 1)·f0 eine gute Leistungscharakteristik aufweist.
Aus der mit der Auswerteschaltung 170 bestimmten Phasendifferenz Δϕ_n kann nach den Gleichungen (4)–(6) die von dem Messlichtstrahl zurückgelegte Weglänge ermittelt werden, aus der der Abstand des Objekts berechnet werden kann. Die hohe Auflösung der Weglängenmessung, die unter Verwendung des optischen Frequenzkamms erzielt werden kann, in Verbindung mit der durch die Reflektoren der Messvorrichtung bewirkte Faltung des Strahlengangs erlaubt eine genaue Abstandsmessung.
Es wurden Vorrichtungen und Verfahren zur Abstandsmessung nach verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben, mit denen aufgrund der Strahlführung zwischen Messvorrichtung und Objekt Abstände in einem Längebereich, der typischen Abmessungen von Maschinenteilen entspricht, unter Verwendung optischer Methoden mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Da bei den Vorrichtungen und Verfahren herkömmliche Laserentfernungsmesser mit kleinen Abmessungen mit einer Reflektoranordnung kombiniert werden können, kann die Vorrichtung zur Abstandsmessung so ausgeführt werden, dass sie einfach transportiert und an unterschiedlichen Orten installiert werden kann.
Beispielhafte Anwendungsfelder der Vorrichtungen und Verfahren nach den verschiedenen Ausführungsbeispielen umfassen die Längen- oder Abstandsbestimmung in der industriellen Fertigung oder industriellen Qualitätskontrolle, beispielsweise bei Maschinenbauteilen. Die Vorrichtungen und Verfahren nach den verschiedenen Ausführungsbeispielen sind jedoch nicht auf diese Anwendungsfelder beschränkt.

Claims

Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung eines Objekts (132), die eingerichtet ist, um einen Messlichtstrahl entlang einem Strahlenweg in Richtung des Objekts (132) abzustrahlen, wobei die Vorrichtung einen Reflektor (24) umfasst, der eingerichtet ist, um einen an dem Objekt (132) reflektierten Messlichtstrahl zu empfangen und entlang einem zu dem Strahlenweg versetzten weiteren Strahlenweg in Richtung des Objekts (132) zu lenken, wobei der Reflektor (24) an einem Träger (131) angebracht ist und die Vorrichtung einen Aktuator (105–108; 136) zum Verstellen des Trägers (131) umfasst, wobei die Vorrichtung einen mit dem Aktuator (105–108; 136) gekoppelten Sensor (115, 116; 117; 134) zum Erfassen einer Ausrichtung des Trägers (104; 131) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Reflektor (24) eingerichtet ist, um den an dem Objekt (132) reflektierten Messlichtstrahl in den weiteren Strahlenweg, der im Wesentlichen parallel und versetzt zu dem an dem Objekt (132) reflektierten Messlichtstrahl ist, zu lenken.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche wenigstens einen weiteren Reflektor (25–27) umfasst, der eingerichtet ist, um einen an dem Objekt (132) erneut reflektierten Messlichtstrahl zu empfangen und in Richtung des Objekts (132) zu lenken.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein weiterer Reflektor des wenigstens einen weiteren Reflektors derart eingerichtet ist, dass der von dem weiteren Reflektor in Richtung des Objekts gelenkte Messlichtstrahl außerhalb einer Ebene liegt, die durch den Strahlenweg und den weiteren Strahlenweg definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Reflektor und der wenigstens eine weitere Reflektor derart eingerichtet sind, dass der Messlichtstrahl auf einer Manteloberfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers zwischen der Vorrichtung und dem Objekt hin- und hergeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3–5, wobei der Reflektor oder ein weiterer Reflektor des wenigstens einen weiteren Reflektors als Retroreflektor (27) ausgebildet ist, um den Messlichtstrahl in sich selbst zu reflektieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen an dem Objekt (132) anzubringenden Objektreflektor (33) umfasst, der eingerichtet ist, um den von der Vorrichtung abgestrahlten Messlichtstrahl zu empfangen und zu dem Reflektor (24) zu lenken.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Objektreflektor (33) eingerichtet ist, um den von der Vorrichtung entlang dem Strahlenweg abgestrahlten Messlichtstrahl versetzt und im Wesentlichen parallel zu dem Strahlenweg zu dem Reflektor (24) zu lenken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen im Strahlengang des Messlichtstrahls vorgesehenen Strahlteiler (133) umfasst, der eingerichtet ist, um einen Teil des Messlichtstrahls zu dem Sensor (134) zu lenken.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Messlichtstrahl Lichtkomponenten mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen aufweist, wobei der Strahlteiler (133) eingerichtet ist, um Licht mit einer der Wellenlängen zu dem Sensor (134) zu lenken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (117; 134) einen Vier-Quadranten-Sensor umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Lichtquelle (151) zum Erzeugen des Messlichtstrahls umfasst, die eingerichtet ist, um eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Lichtquelle ein Kurzpulslaser (151) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, welche eine Auswerteeinrichtung (157) zum Bestimmen einer von dem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge umfasst, die eingerichtet ist, um zum Bestimmen der Weglänge eine Phasenverschiebung einer Signalkomponente (181) einer von einem Detektor (156) erfassten Folge von Lichtpulsen zu bestimmen, wobei die Signalkomponente (181) eine Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Auswerteeinrichtung (157) eingerichtet ist, um zum Bestimmen der Phasendifferenz ein weiteres Signal (183) zu erzeugen, das im Wesentlichen die Phasenverschiebung der Signalkomponente und eine niedrigere Frequenz als die Signalkomponente aufweist.
Schieblehre, umfassend eine Führung, ein an der Führung beweglich gelagertes Element, und eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Positionsbestimmung des beweglich gelagerten Elements an der Führung.
Schieblehre nach Anspruch 16, wobei die Vorrichtung als Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 ausgebildet ist und der Objektreflektor an dem beweglich gelagerten Element vorgesehen ist.
Verfahren zur optischen Abstandsmessung eines Objekts (132), bei dem der Abstand des Objekts (132) abhängig von einer von einem Messlichtstrahl zurückgelegten Weglänge ermittelt wird, wobei der Messlichtstrahl derart gelenkt wird, dass er mehrfach zwischen dem Objekt (132) und einer Messvorrichtung (131) hin- und hergeführt wird, wobei zum Lenken des Messlichtstrahls wenigstens ein Reflektor (24–27) vorgesehen ist, der den Messlichtstrahl in Richtung des Objekts (132) lenkt, wobei eine Position des mehrfach zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt (132) hin- und hergeführten Messlichtstrahls erfasst und die Ausrichtung des Reflektors (24–27) basierend auf der erfassten Position geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Messlichtstrahl nacheinander eine Mehrzahl zueinander paralleler erster Strahlenwege von der Messvorrichtung zu dem Objekt (132) und zueinander paralleler zweiter Strahlenwege von dem Objekt (132) zu der Messvorrichtung durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege zueinander parallel sind.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege zueinander versetzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–21, wobei wenigstens ein erster Strahlenweg der Mehrzahl von ersten Strahlenwege außerhalb der von einem anderen ersten Strahlenweg der Mehrzahl von ersten Strahlenwegen und einem zweiten Strahlenweg der Mehrzahl von zweiten Strahlenwegen definierten Ebene verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–22, wobei die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege auf einer Manteloberfläche eines virtuellen dreidimensionalen Körpers verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–23, wobei der Messlichtstrahl in sich retroreflektiert wird, so dass er die Mehrzahl von ersten Strahlenwegen und die Mehrzahl von zweiten Strahlenwegen zweimal durchläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–24, wobei der wenigstens eine Reflektor (24–27) an der Messvorrichtung vorgesehen ist, und wobei zum Lenken des Messlichtstrahls wenigstens ein an dem Objekt (132) angebrachter Objektreflektor (33–36) vorgesehen ist, wobei eine Ausrichtung des Reflektors (24–27) relativ zu dem Objektreflektor (33–36) so eingestellt wird, dass die ersten Strahlenwege und die zweiten Strahlenwege zueinander parallel sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–25, wobei der Messlichtstrahl eine Folge von Lichtpulsen (191) umfasst, die mit einer Repetitionsrate erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei eine Lichtintensität des Messlichtstrahls erfasst wird, nachdem der Messlichtstrahl mehrfach zwischen dem Objekt (132) und der Messvorrichtung hin- und hergeführt wurde, und wobei eine von dem Messlichtstrahl durchlaufene Weglänge basierend auf einer Phasenverschiebung einer Signalkomponente (181) des Messlichtstrahls bestimmt wird, die eine Frequenz aufweist, die einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Signalkomponente (181; 196) einem Frequenzmischer (175) zugeführt wird, um ein weiteres Signal (183) zu erzeugen, das im Wesentlichen die Phasenverschiebung der Signalkomponente (181) und eine niedrigere Frequenz als die Signalkomponente (181; 196) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–28, zur Messung eines Abstands in der industriellen Fertigung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–29, zur Messung eines Abstands zwischen Schenkeln (131, 132) einer Schieblehre.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18–30, welches mit der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–15 durchgeführt wird.