DE102009028068A1

DE102009028068A1 - Positionsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102009028068A1
Application number: DE102009028068A
Authority: DE
Inventors: Florian Dr. Schindler; Robert Dipl.-Ing. Kraus; Joel Dr. Heersink; Michael Dr. Stepputat
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: US8477317B2; DE102009028068B4; US20110026041A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Raumpunktes gegenüber einem Referenz-Bezugssystem. Die Vorrichtung umfasst einerseits mindestens einen stationär im Raum angeordneten Retroreflektor sowie andererseits eine Lichtquelle, eine Scan-Einheit sowie eine interferometrische Abstandsmesseinheit. Entweder ist hierbei der Retroreflektor stationär im Raum angeordnet und die Scan-Einheit ist im Bereich des Raumpunkts angeordnet oder die Scan-Einheit ist stationär im Raum angeordnet und der Retroreflektor ist im Bereich des Raumpunktes angeordnet. Die Scan-Einheit weist mindestens einen Scanspiegel auf, der um zwei unterschiedliche Rotationsachsen reproduzierbar auslenkbar gelagert ist, die sich im Mittelpunkt des Scanspiegels kreuzen. Damit erfolgt ein rasterförmiges Abtasten eines zweidimensionalen Raumbereichs mittels eines teildivergenten Lichtstrahls über mehrere Abtastbahnen, bezüglich dessen mindestens ein Retroreflektor angeordnet ist. Über die interferometrische Abstandsmesseinheit werden Abstandssignale detektiert, wenn zum Zeitpunkt des optischen Kontakts zwischen der Scan-Einheit und dem Retroreflektor eine Rückflexion des Lichtstrahls vom Retroreflektor in Richtung der Scan-Einheit resultiert (Figur 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Raumpunktes gegenüber einem Referenz-Bezugsystem.
Zur Bestimmung der Position eines Raumpunktes gegenüber einem Referenz-Bezugsystem existieren verschiedene bekannte Ansätze.
So sind zum einen etwa im Bereich des Maschinenbaus sogenannte indirekte Messverfahren bekannt, bei denen durch die Verrechnung von Positionsmesswerten mehrerer Längenmesssysteme die Position eines beweglichen Raumpunktes gegenüber einem stationären Referenzsystem ermittelt wird. Hierbei kann es sich um die Bestimmung der Position eines beweglichen Maschinenteils, wie z. B. dem sog. „Tool Center Point” (TCP), gegenüber einem stationären Maschinenteil handeln. Die verwendeten Längenmesssysteme dienen hierbei zur Erfassung von Verschiebebewegungen entlang senkrecht zueinander orientierter Achsen; aus der Verrechnung der Positionsmesswerte verschiedener Achsen lässt sich die Position des interessierenden Raumpunktes, wie beispielsweise des TCP, dann in bekannter Art und Weise ermitteln.
Zum anderen sind auch sogenannte direkte Messverfahren bzw. Messvorrichtungen bekannt geworden, bei denen eine unmittelbare Bestimmung der Position eines z. B. beweglichen Raumpunktes gegenüber einem stationären Referenz-Bezugsystem erfolgt. Ein gattungsgemäßes direktes Messverfahren wird beispielsweise in der EP 417 665 A2 beschrieben. Die in dieser Druckschrift offenbarte Positionsmessvorrichtung zur Bestimmung der 2D-Position und/oder Orientierung eines Raumpunktes sieht mehrere stationär im Raum entlang einer Geraden angeordnete Retroreflektoren an bekannten Positionen mit festem Abstand vor. Ferner ist eine Scan-Einheit im Bereich des zu interessierenden Raumpunktes angeordnet, welche einen beweglich gelagerten Scanspiegel sowie eine optoelektronische Detektoreinheit aufweist. Über den Scanspiegel erfolgt ein periodisches rasterförmiges Abtasten des Raumes mittels eines Lichtstrahls; mit Hilfe der optoelektronischen Detektoreinheit ist ein Signal erzeugbar, wenn zum Zeitpunkt des optischen Kontakts zwischen der Scan-Einheit und dem jeweiligen Retroreflektor eine Rückreflexion des Lichtstrahls vom Retroreflektor in Richtung der Scan-Einheit resultiert. Mittels einer Auswerteeinheit, welche auf das Signal der Detektoreinheit anspricht, wird zum Zeitpunkt des optischen Kontakts zwischen der Scan-Einheit und dem Retroreflektor der Auftreffwinkel eines vom Retroreflektor in Richtung der Scan-Einheit zurückreflektierten Lichtstrahls ermittelt. Aus der Verrechnung der Winkelmessungen zu mehreren Retroreflektoren und Zuhilfenahme der bekannten Abstände der Retroreflektoren kann dann direkt die Position des Raumpunktes bestimmt werden. In dieser bekannten Vorrichtung ist vorgesehen, den Raum mit den Retroreflektoren mittels eines gebündelten Lichtstrahls abzutasten. Weitere Details zur Ausbildung einer geeigneten Optik bzw. der Scan-Einheit können dieser Druckschrift nicht entnommen werden. Als nachteilig an dieser Variante zur Bestimmung der Position eines Raumpunktes ist anzuführen, dass dieses auf einer lediglich zweidimensionalen Positionserfassung mit einer Orientierung beruht, bei der die Retroreflektoren ferner entlang einer Geraden angeordnet sein müssen. Im Fall der Verkippung der Geraden gegenüber der Scan-Einheit ist kein optischer Kontakt zwischen den Retroreflektoren und der Scan-Einheit mehr vorhanden, so dass dann ggf. Fehlmessungen die Folge sind. Desweiteren resultieren aufgrund der Verwendung eines gebündelten Laserstrahls lediglich eine kurze optische Kontaktdauer sowie ein lediglich geringer zulässiger Verdrehwinkel zwischen den Retroreflektoren und der Scan-Einheit, was ebenfalls Fehler bei der Messung verursachen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Positionsmessvorrichtung zu schaffen, um mit geringem Aufwand und hoher Zuverlässigkeit eine präzise Bestimmung der Position eines Raumpunktes zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Positionsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Raumpunktes umfasst mindestens einen Retroreflektor, eine Lichtquelle sowie eine Scan-Einheit, welcher ein von der Lichtquelle gelieferter Lichtstrahl zuführbar ist sowie eine interferometrische Abstandsmesseinheit. Entweder ist hierbei der Retroreflektor stationär im Raum angeordnet und die Scan-Einheit ist im Bereich des Raumpunkts angeordnet oder die Scan-Einheit ist stationär im Raum angeordnet und der Retroreflektor ist im Bereich des Raumpunktes angeordnet. Die Scan-Einheit weist mindestens einen Scanspiegel auf, der um zwei unterschiedliche Rotationsachsen reproduzierbar auslenkbar gelagert ist, die sich im Mittelpunkt des Scanspiegels kreuzen, so dass ein rasterförmiges Abtasten eines zweidimensionalen Raumbereichs mittels eines teildivergenten Lichtstrahls über mehrere Abtastbahnen erfolgt, bezüglich dem mindestens ein Retroreflektor angeordnet ist, Die interferometrische Abstandsmesseinheit weist ein Strahlteilerelement auf, über das eine Aufspaltung des von der Lichtquelle gelieferten Lichtstrahls dergestalt erfolgt, dass die aufgespaltenen Lichtstrahlen einen Referenzarm und einen Messarm mindestens einmal in jeder Richtung durchlaufen und wobei der Messarm in dem Bereich ausgebildet ist, in dem der teildivergente Lichtstrahl von der Scan-Einheit in Richtung Retroreflektor und zurück propagiert. Ferner umfasst die interferometrische Abstandsmesseinheit eine optoelektronische Detektoreinheit, über die eine Detektion von Abstandssignalen aus den überlagerten Lichtstrahlen aus dem Referenzarm und dem Messarm erfolgt, wenn zum Zeitpunkt des optischen Kontakts zwischen der Scan-Einheit und dem Retroreflektor eine Rückreflexion des Lichtstrahls vom Retroreflektor in Richtung der Scan-Einheit resultiert.
Vorzugsweise sind mehrere Retroreflektoren vorgesehen, die stationär an festen Positionen im Raum angeordnet sind; über eine Auswerteeinheit werden aus den ermittelten Abständen zwischen der Scan-Einheit und den Retroreflektoren dreidimensionale Positionsdaten des Raumpunkts bestimmt.
In einer möglichen Ausführungsform erfolgt über einen polarisationsoptischen Strahlteiler der interferometrischen Abstandsmesseinheit eine Aufteilung des darauf einfallenden Lichtstrahls in orthogonal zueinander polarisierte Lichtstrahlen im Messarm und im Referenzarm. Die optoelektronische Detektoreinheit der interferometrischen Abstandsmesseinheit ist derart ausgebildet, dass darüber eine Erfassung mehrerer phasenverschobener Abstandssignale erfolgt.
Es ist ferner möglich, die Lichtquelle, die interferometrische Abstandsmesseinheit und die Scaneinheit in einer gemeinsamen Baueinheit im Bereich des positionsmäßig zu erfassenden Raumpunktes anzuordnen.
In einer möglichen Variante umfasst die erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung ferner Identifikationsmittel, um aus der Mehrzahl von Retroreflektoren denjenigen eindeutig zu identifizieren, zu dem gerade optischer Kontakt mit der Scan-Einheit hergestellt ist.
Schließlich ist es möglich, dass die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass diese mit einer bestimmten Frequenz die resultierenden Abstandssignale analysiert und überprüft, ob optischer Kontakt zwischen einem Retroreflektor und der Scan-Einheit besteht und im Fall des festgestellten optischen Kontakts die Abstandssignale auswertet und den Abstand zwischen der Scan-Einheit und dem Retroreflektor interferometrisch bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen werden, dass der Scanspiegel in der Scan-Einheit über Festkörpergelenke kardanisch gelagert angeordnet ist.
Mit Vorteil sind die beiden Rotationsachsen des Scanspiegels senkrecht zueinander orientiert.
Desweiteren kann die erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung Antriebsmittel zum resonanten Antreiben der beiden Rotationsachsen des Scanspiegels umfassen, wobei die Antriebsmittel derart ausgebildet sind, dass die beiden Rotationsachsen mit unterschiedlichen Scanfrequenzen auslenkbar sind.
Es ist ferner möglich, dass die Antriebsmittel zum resonanten Antreiben der beiden Rotationsachsen des Scanspiegels derart ausgebildet sind, dass eine periodische Abtastung des zweidimensionalen Raumbereichs erfolgt und der teildivergente Lichtstrahl mehrere benachbarte Abtastbahnen in einem zweidimensionalen Raumbereich überstreicht, in dem mindestens ein Retroreflektor angeordnet ist.
Es ist desweiteren möglich, dass ein Optikelement zwischen der Lichtquelle und dem Scanspiegel angeordnet und dergestalt ausgebildet ist, dass darüber eine Fokussierung des von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls in die Nähe der Spiegelebene des Scanspiegels bzw. auf die Scanspiegelebene erfolgt und nach der Reflexion am Scanspiegel ein teildivergenter Lichtstrahl zum periodisch rasterförmigen Abtasten des Raumbereichs resultiert.
Hierbei kann das Optikelement dergestalt ausgebildet sein, dass der Divergenzwinkel des vom Scanspiegel in Richtung des abgetasteten Raumbereichs reflektierten teildivergenten Lichtstrahls größer ist als der maximale Winkelabstand benachbarter Abtastbahnen im abgetasteten Raumbereich.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Lichtquelle als Halbleiter-Laser ausgebildet ist und die Erzeugung eines teildivergenten Lichtstrahls über die Lichtquelle ohne weitere der Lichtquelle vorgeordnete Optikelemente erfolgt.
Schließlich kann im Referenzarm ein Optikelement und eine Blende angeordnet sein, welche derart ausgebildet sind, dass die Wellenfrontkrümmung der auf die Detektorelemente der optoelektronischen Detektoreinheit gelangenden Lichtstrahlen aus dem Referenzarm an die Wellenfrontkrümmung der auf die Detektorelemente der optoelektronischen Detektoreinheit gelangenden Lichtstrahlen aus dem Messarm angepasst ist.
Als maßgeblicher Vorteil gegenüber dem oben diskutierten Stand der Technik ist anzuführen, dass im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung keine signifikanten Einschränkungen bei der Anordnung der stationären Retroreflektoren vorliegen, d. h. diese können relativ flexibel je nach Messkonfiguration positioniert werden. Desweiteren lässt sich aufgrund der Verwendung eines hoch reproduzierbaren Scanspiegels ein äußerst genaues interferometrisches Längenmessungsverfahren einsetzen. Ferner ist wegen des genutzten teildivergenten Lichtstrahls gewährleistet, dass relativ lange optische Kontaktzeiten zwischen der Scan-Einheit und den Retroreflektoren resultieren, was sich positiv auf die Messgenauigkeit und die Messauflösung auswirkt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren erläutert.
Es zeigt
1 eine stark schematisierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung;
2a, 2b je eine schematisierte Darstellung von Teilen des Strahlengangs entlang der Messstrahlrichtung der Positionsmessvorrichtung aus 1;
3a, 3b je eine schematisierte Darstellung von Teilen des Strahlengangs entlang der Referenzstrahlrichtung der Positionsmessvorrichtung aus 1.
In 1 ist in stark schematisierter Form ein mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung dargestellt. Die 2a und 2b bzw. 3a und 3b zeigen jeweils Teile des Strahlengangs dieser Positionsmessvorrichtung in vergrößerter Ansicht; 2a veranschaulicht hierbei den Messarm mit dem Beleuchtungsstrahlengang zum rasterförmigen Abtasten des Raumbereichs, 2b den Messarm mit dem Detektionsstrahlengang zur Abstandsermittlung zwischen der Scan-Einheit und einem Retroreflektor. 3a zeigt den Strahlengang im Referenzarm in Richtung des Reflektors, 3b den Strahlengang des Referenzarms in Richtung der Detektionseinheit, ausgehend vom Reflektor.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung umfasst i. w. mehrere stationär im Raum angeordnete Retroreflektoren 10.1–10.4, eine Lichtquelle 40, eine Scan-Einheit 20 sowie eine interferometrische Abstandsmesseinheit 30. Dargestellt ist in 1 ferner eine Auswerteeinheit 60. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die direkte Bestimmung der Position eines Raumpunktes TCP gegenüber einem Referenz-Bezugsystem möglich. Von den verschiedenen angedeuteten Komponenten ist zumindest die Scan-Einheit 20 dem Interessierenden bzw. zu erfassenden Raumpunkt TCP in einer definierten räumlichen Beziehung zugeordnet.
Beispielsweise kann es sich bei diesem Raumpunkt TCP um den bereits eingangs erwähnten, sog. „Tool Center Point” einer Bearbeitungsmaschine handeln, dessen Raumposition direkt in Bezug auf ein Maschinen-Bezugsystem ermittelt werden soll. Hierbei ist es möglich, die Lichtquelle 40, die interferometrische Abstandsmesseinheit 30 und die Scan-Einheit 20 in einer gemeinsamen Baueinheit 50 in Form eines optischen Messkopfes im Bereich des positionsmäßig zu erfassenden Raumpunkts TCP anzuordnen. Eine derartige Baueinheit 50 bzw. optischer Messkopf könnte beispielsweise ähnlich wie ein bekannter Taster in der Werkzeugspindel der Bearbeitungsmaschine angeordnet werden. Im Bearbeitungsraum der Maschine sind an koordinatenmäßig bekannten Positionen die verschiedenen Retroreflektoren 10.1–10.4 platziert, durch die das Referenz-Bezugsystem aufgespannt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine Anordnung der Lichtquelle 40, der interterometrischen Abstandsmesseinheit 30 und der Auswerteeinheit 60 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht unbedingt in unmittelbarer Nachbarschaft zur Scan-Einheit 20 bzw. in einer gemeinsamen Baueinheit 50 im Bereich des zu erfassenden Raumpunktes TCP erfolgen muss. So kann alternativ hierzu vorgesehen sein, die Lichtquelle räumlich entfernt hiervon anzuordnen und das von der Lichtquelle emittierte Strahlenbündel über Lichtleitfasern dem Bereich des zu erfassenden Raumpunktes bzw. der Scan-Einheit zuzuführen. Ebenso kann im Fall der interterometrischen Abstandsmesseinheit vorgesehen werden, dieser die Strahlenbündel über Lichtleitfasern zuzuführen und die interferometrische Abstandsmesseinheit nicht in unmittelbarer Nähe der Scan-Einheit 20 zu platzieren. Desweiteren ist es auch nicht zwingend nötig, die Auswerteeinheit 60 unmittelbar benachbart zur Scan-Einheit 20 zu platzieren, d. h. diese kann natürlich auch an anderer Stelle angeordnet und die Signale der interterometrischen Abstandsmesseinheit 30 über geeignete Signalverbindungsleitungen zugeführt werden.
Die Retroreflektoren 10.1–10.4 sind beispielsweise als Katzenaugenreflektoren oder Tripelspiegel ausgebildet und gewährleisten jeweils, dass ein darauf einfallender Lichtstrahl in die Einfallsrichtung zurückreflektiert wird. Die Anordnung der Retroreflektoren 10.1–10.4 erfolgt im Fall der Verwendung mehrerer Retroreflektoren 10.1–10.4 vorzugsweise dergestalt, dass diese nicht entlang einer Geraden ausgerichtet sind. Ferner erweist sich als vorteilhaft, um eine vergleichbare Positionsauflösung entlang aller drei Raumrichtungen sicherzustellen, wenn über die Retroreflektoren 10.1–10.4 in der Scanebene eine umschlossene Fläche ausgebildet wird, deren Größe mindestens einem Viertel der Gesamtscanfläche entspricht.
Als Lichtquelle 40 kommt ein Laser, der vorzugsweise als ein Halbleiter-Laser ausgebildet ist, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz, beispielsweise ein frequenz- und temperaturstabilisierter, single-modiger Halbleiter-Laser mit einer Messwellenlänge λ ≈ 1570 nm. Die Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle 40 ist vorzugsweise größer als der doppelte Maximalabstand zwischen den Retroreflektoren 10.1–10.4 und dem positionsmäßig zu erfassenden Raumpunkt TCP und definiert somit das obere Limit der in Nanometer Laserlinienbreite.
Maßgeblicher Bestandteil der Scan-Einheit 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein um zwei unterschiedliche Rotationsachsen 22.1, 22.2 beweglich gelagerter Scan-Spiegel 21, über den ein periodisches rasterförmiges Abtasten eines zweidimensionalen Raumbereichs mittels eines teildivergenten Lichtstrahls L erfolgt. Der Mittelpunkt des Scan-Spiegels fällt hierbei im Idealfall mit dem zu erfassenden Raumpunkt TCP zusammen oder befindet sich zumindest in dessen unmittelbarer Nähe. Hinsichtlich weiterer Details der Scan-Einheit 20 bzw. des Scan-Spiegels 21 sei auf die nachfolgende Beschreibung verwiesen.
Im abgetasteten Raumbereich sind im vorliegenden Beispiel die insgesamt vier Retroreflektoren 10.1–10.4 angeordnet. Überstreicht der teildivergente Lichtstrahl L während des Abtastens des Raumbereichs einen der Retroreflektoren 10.1–10.4, so erfolgt eine Rückreflexion des Lichtstrahls L vom jeweiligen Retroreflektor 10.1–10.4 in Richtung der Scan-Einheit 20. Mit Hilfe der interferometrischen Abstandsmesseinheit 30, deren Messarm in dem Bereich ausgebildet ist, in dem der teildivergente Lichtstrahl L von der Scan-Einheit 20 zum Retroreflektor 10.1–10.4 und zurück propagiert, kann zum Zeitpunkt des optischen Kontakts zwischen der Scan-Einheit 20 und dem jeweiligen Retroreflektor 10.1–10.4 eine hochpräzise interferometrische Abstandsmessung vorgenommen werden. Die interferometrische Abstandsmesseinheit 30 umfasst zu diesem Zweck einen Referenzarm R sowie einen Messarm M, die von den über ein Strahlteilerelement 32 aufgespaltenen Lichtstrahlen mindestens einmal in jeder Richtung durchlaufen werden. Der Messarm M ist wie aus 1 ersichtlich im Bereich ab dem Strahlteilerelement 32 ausgebildet, in dem der teildivergente Lichtstrahl L von der Scan-Einheit 20 in Richtung Retroreflektor 10.1–10.4 und zurück propagiert. In Bezug auf weitere Details der interferometrischen Abstandsmesseinheit 30 sei ebenfalls auf die nachfolgende Beschreibung verwiesen.
Wenn wie im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Retroreflektoren 10.1–10.4 im abgetasteten zweidimensionalen Raumbereich angeordnet sind, erweist es sich als vorteilhaft, wenn bei jeder erfolgenden Abstandsmessung zu einem der erfassten Retroreflektoren 10.1–10.4 eine eindeutige Identifizierung desselbigen sichergestellt ist. Hierzu umfasst die erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung geeignete Identifikationsmittel. Diese umfassen in einer möglichen Ausführungsform beispielsweise Photodioden, die im direkten Umfeld oder unmittelbar an den Retroreflektoren 10.1–10.4 angebracht sind und bei optischem Kontakt mit der Scan-Einheit 20 ein Triggersignal generieren, das eine eindeutige Zuordnung des gerade detektierten Interferenzsignals zum jeweiligen Retroreflektor 10.1–10.4 erlaubt.
Eine hierzu alternative Ausbildung der Identifikationsmittel sieht die zeitliche Korrelation eines detektierten Interferenzsignals mit der Auslenkung und damit der Orientierung des Scan-Spiegels 21 vor. Die Bestimmung der Spiegelorientierung kann hierbei etwa über die Auswertung der Phasenwinkel der zwei, den Scan-Spiegel 21 antreibenden Frequenzen erfolgen. Hierzu wäre eine geeignete elektronische Implementierung in der Auswerteeinheit 60 in Verbindung mit den Antriebsmitteln 23 des Scan-Spiegels zu realisieren.
Generell wird zur exakten Bestimmung des Messzeitpunkts und der Prüfung der Akzeptanz des detektierten Interferenzsignals vorzugsweise wie folgt vorgegangen:
Die Auswerteeinheit 60 analysiert kontinuierlich mit einer bestimmten Frequenz, welche deutlich größer als die Scanfrequenz ist, die resultierenden Interferenzsignale. Hierzu werden beispielweise die Interferenzsignale addiert, um bei maximalem Summensignal auf das Vorliegen des optischen Kontakts zwischen Scan-Einheit 20 und Retroreflektor 10.–10.4 zu schließen. Solange das jeweilige Summensignal unterhalb eines zu definierenden Schwellwerts liegt, wird die Situation als „kein optischer Kontakt vorliegend” bewertet. Erst im Fall des festgestellten optischen Kontakts werden die Interferenzsignale ausgewertet und der Abstand zwischen Scan-Einheit 20 und Retroreflektor 10.1–10.4 interferometrisch bestimmt.
Durch die zeitliche Korrelation der Interferenzsignale entweder mit dem Strom der Photodioden oder mit den Phasenpositionen der Antriebsmittel und der daraus möglichen Errechnung der Auslenkungswinkel des Scanspiegels 20 ist die Zuordnung der aktuellen Abstandsmessung zu bestimmten Retroreflektoren 10.1–10.4 möglich.
Nach dem erfolgten rasterförmigen Abtasten des in 1 dargestellten zweidimensionalen Raumbereichs über die Abtastbahnen 11.1–11.5 sind die jeweiligen Abstände zwischen den vier einzelnen Retroreflektoren 10.1–10.4 und der Scan-Einheit 20 bzw. dem Raumpunkt TCP ermittelt. In Verbindung mit der festen räumlichen Lage der vier Retroreflektoren 10.1–10.4 zueinander im Referenz-Bezugsystem ist dann die direkte dreidimensionale Positions- bzw. Koordinatenbestimmung des interessierenden Raumpunktes TCP über die Auswerteeinheit 60 möglich. Hierzu verrechnet die Auswerteeinheit 60 in bekannter Art und Weise die Messdaten, d. h. die optisch erfassten Abstände des Raumpunktes zu den Retroreflektoren 10.1–10.4 werden mit den bekannten Positionsinformationen bzgl. der Raumlage der Retroreflektoren 10.1–10.4 zur Bestimmung der Position des Raumpunkts TCP durch Multilateration verrechnet, wie dies etwa aus der Veröffentlichung von Osamu Nakamura, Mitsuo Goto, "Four-beam laser interferometry for three-dimensional microscopic coordinate measurement", Applied Optics, 33, 31–36 (1994) bekannt ist.
Maßgebliche Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung resultieren aufgrund des periodisch rasterförmigen Abtastens des zweidimensionalen Raumbereichs mit den Retro-Reflektoren 10.1–10.4 mittels eines teildivergenten Lichtstrahls L. Im Unterschied zu bekannten Positionsmessverfahren, die an dieser Stelle einen streng kollimierten Lichtstrahl verwenden, erübrigen sich aufgrund dieser Maßnahme in der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufwendige Justage- und Einrichtprozesse der Scan-Einheit 20 in Bezug auf die Retroreflektoren 10.1–10.4. Verglichen mit Positionsmessvorrichtungen, die mit einer volldivergenten Beleuchtung des Raumbereichs mit den Retroreflektoren arbeiten, ergibt sich aufgrund der Verwendung eines teildivergenten Lichtstrahls L der Vorteil, dass detektionsseitig eine deutlich höhere Signalintensität zur Verfügung steht.
Unter einem teildivergenten Lichtstrahl L sei im Unterschied zu einem streng kollimierten bzw. volldivergenten Lichtstrahl ein Lichtstrahl verstanden, dessen Strahldivergenz zwischen der minimalen Divergenz eines ideal kollimierten also quasi-parallelen Lichtstrahls und der maximalen Divergenz eines volldivergenten Lichtstrahls liegt. Ein volldivergenter Lichtstrahl ist gekennzeichnet durch eine vollständige Ausleuchtung der Scanebene, bezüglich der die Retroreflektoren platziert sind. Ein kollimierter Lichtstrahl ist definiert durch seine intrinsische, kleinstmögliche realisierbare Divergenz bei idealer Kollimierung, die über die Strahlparameter und die Strahltaille gegeben sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 wird die Teildivergenz des Lichtstrahls L im Messarm M über ein Optikelement 70 gewährleistet, das im Strahlengang zwischen der Lichtquelle 40 und dem Scanspiegel 22 angeordnet ist. Das Optikelement 70 ist hierbei als Linse ausgebildet, über deren optische Eigenschaften die Strahldivergenz des Lichtstrahls L geeignet eingestellt wird.
Wie aus 2a ersichtlich, ist die Linse bzw. das Optikelement 70 hierbei dergestalt ausgebildet, dass eine Fokussierung des von der – in 2a nicht dargestellten – Lichtquelle emittierten Lichtstrahls in die Nähe der Spiegelebene des Scanspiegels 21 bzw. in die Nähe des Spiegelmittelpunkts erfolgt. Nach der Reflexion am Scanspiegel 22 resultiert ein in Richtung des Retroreflektors 10.1 propagierender teildivergenter Lichtstrahl L mit dem Divergenzwinkel 6. Mit dem teildivergenten Lichtstrahl L wird der Raum im angedeuteten Raumwinkelbereich Ω periodisch rasterförmig abgetastet. Auf den vom Retroreflektor 10.1 in Richtung der Scaneinheit 20 zurückreflektierten Lichtstrahl übt das Optikelement 70 nach der Reflexion am Scanspiegel 21 wie aus 2b ersichtlich eine leicht optisch fokussierende Wirkung aus. In Richtung des Strahlteilerelements 32 und der nachgeordneten Detektoreinheit der interferometrischen Abstandsmesseinheit 30 propagieren demzufolge ein bzw. mehrere leicht fokussierte Strahlenbündel. Auf diese Art und Weise ist gewährleistet, dass diese Strahlenbündel immer unter einem festen, vorzugsweise senkrechten, Winkel in die Einkopplungsfläche der Detektoreinheit 300 eingekoppelt werden.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es alternativ hierzu auch möglich ist, das Optikelement 70 vollständig entfallen zu lassen bzw. das Optikelement 70 zwischen der Lichtquelle 40 und dem Strahlteiler 32 anzuordnen. Die zu wählende Lösung ist abhängig von der mittleren Entfernung des Raumpunktes TCP zu den Retroreflektoren 10.–10.4 und muss deshalb an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden. Ohne das Optikelement 70 werden in Richtung der Detektionseinheit 300 aufgrund des relativ großen Abstands zwischen dem Raumpunkt TCP und den Retroreflektoren 10.1–10.4 nahezu parallele Lichtstrahlen über den Scanspiegel 21 eingesammelt.
Im Fall der Verwendung eines Optikelements 70 erweist sich desweiteren als vorteilhaft, wenn durch die Dimensionierung des Optikelements 70 noch sichergestellt wird, dass der Divergenzwinkel 6 des Lichtstrahls L größer ist als der maximale Winkelabstand benachbarter Abtastbahnen 11.1–11.5 im abgetasteten Raumbereich.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass die Anordnung der Retroreflektoren 10.1–10.4 und die eingestellte Teildivergenz des Lichtstrahls so gewählt werden, dass sich in einer optischen Strahlkeule nur ein einziger Retroreflektor 10.1–10.4 befinden kann. Auf diese Art und Weise ist eine eindeutige Zuordnung des jeweiligen Retroreflektors 10.1–10.4 im Fall des hergestellten optischen Kontakts zur erfolgenden Abstandsmessung sichergestellt.
Zur Einstellung der erforderlichen Teildivergenz des Lichtstrahls L gibt es neben der erläuterten Variante mit dem Optikelement 70 eine Reihe weiterer Möglichkeiten, die nachfolgend kurz angedeutet seien.
So kann etwa das Optikelement 70 zur Einstellung der gewünschten Teildivergenz des Lichtstrahls L bzw. dessen optische Funktionalität auch in alternativer Art und Weise ausgebildet werden. So ist es möglich dieses als diffraktives optisches Element auszubilden. Ebenso wäre denkbar, das Optikelement als gekrümmten Spiegel mit fokussierender optischer Wirkung auszubilden. Aufgrund der dann resultierenden Strahlknickung könnte eine besonders kompakte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sichergestellt werden; zudem würden eine derartige Reflexionsoptik die optischen Verluste im Strahlengang verringern.
Desweiteren besteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, die Teildivergenz des in Richtung der Retroreflektoren 10.1–10.4 propagierenden Lichtstrahls L über ein Optikelement zu gewährleisten, welches an einer anderen Stelle im Strahlengang angeordnet ist. In diesem Fall könnte etwa ein entsprechendes Optikelement zwischen der Lichtquelle 40 und dem Strahlteiler 32 platziert werden, um derart die benötigte Teildivergenz des Lichtstrahls L einzustellen.
In einer weiteren Alternative zum konkret dargestellten Ausführungsbeispiel kann ferner auch vorgesehen werden, die natürliche Divergenz einer geeigneten Lichtquelle, insbesondere einer Laser-Lichtquelle zu nutzen. Beispielsweise könnte ein Halbleiter-Laser in Form einer sog. VCSEL-Lichtquelle (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) eingesetzt werden, die ohne separate Optikelemente einen teildivergenten Lichtstrahl L im Messstrahlengang liefert.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung des teildivergenten Lichtstrahls L gibt es in dem Fall, wenn der Scan-Einheit Licht einer räumlich entfernt angeordneten Lichtquelle über einen Lichtwellenleiter zugeführt wird. Die nötige Teildivergenz des Lichtstrahls kann dann durch die geeignet gewählte Apertur des Faserendes oder aber mit Hilfe eines geeigneten optischen Elements am Faserende sichergestellt werden etc..
Nach der Überblicksbeschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dessen grundsätzlichen Funktionsprinzips werden nachfolgend nunmehr einzelne Komponenten bzw. Einheiten derselben im Detail erläutert, insbesondere die interferometrische Abstandsmesseinheit 30 sowie die Scan-Einheit 20.
Interferometrische Abstandsmesseinheit
In der erfindungsgemäßen optischen Positionsmessvorrichtung erfolgt die Abstandsermittlung zwischen der Scan-Einheit 20 bzw. dem interessierenden Raumpunkt und dem jeweiligen Retroreflektor 10.1–10.4 zum Zeitpunkt des optischen Kontakts wie oben bereits erwähnt über eine interferometrische Abstandsmessung. Hierunter sei grundsätzlich die Erzeugung von Abstandssignalen aus der Phasenauswertung interferierender, überlagerter Lichtstrahlen verstanden, die getrennt voneinander in einem Referenzarm R und in einem Messarm M propagieren und zur Detektion wiedervereinigt werden. Grundsätzlich kann an dieser Stelle sowohl ein inkremental-messendes interferometrisches Verfahren als auch ein absolutmessendes interferometrisches Verfahren eingesetzt werden. Dabei kann auch auf unterschiedliche Wellenlängen im Mess- und Referenzarm zurückgegriffen werden, ebenso ist auch der Einsatz interferometrischer Laufzeitmessungsverfahren denkbar.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein inkremental-messendes Verfahren vorgesehen, bei dem über die interferometrische Abstandsmesseinheit 30 mehrere phasenverschobene Abstandssignale erzeugt und diese dann von der Auswerteeinheit 60 weiterverarbeitet werden.
Der von der Lichtquelle 40 gelieferte Lichtstrahl durchläuft im dargestellten Ausführungsbeispiel der interferometrischen Abstandsmesseinheit 30 zunächst einen strahlreinigenden Polarisator 31 und gelangt dann auf das bereits oben erwähnte Strahlteilerelement 32, das hier in bekannter Art und Weise als Polarisations-Strahlteilerwürfel ausgebildet ist. Mit Hilfe des Polarisations-Strahlteilerwürfels erfolgt die Aufspaltung des darauf einfallenden Lichtstrahls in einzelne, unterschiedlich linear polarisierte Lichtstrahlen, die anschließend im Referenzarm R und im Messarm M der interferometrischen Abstandsmesseinheit 30 propagieren. Die Orientierung des Polarisators 31 und die Polarisationsorientierung der Lichtquelle 40 sind gegenüber der optischen Achse des Polarisations-Strahlteilerwürfels so gewählt, dass in beide Arme M, R ausreichend Licht übertragen wird. Auf diese Art und Weise wird eine sog. Polarisationscodierung der Strahlen im Messarm M und Referenzarm R realisiert.
Über das Strahlteilerelement 32 wird zudem in definierter Art und Weise das Intensitätsverhältnis für die nachfolgend im Mess- und Referenzarm M, R propagierenden Lichtstrahlen eingestellt, welches für den Modulationsgrad des zu messenden Abstandssignals maßgeblich ist. Da aufgrund des divergenten Lichtstrahls L nur eine geringe zurückreflektierte Intensität aus dem Messarm M resultiert, ist eine Wahl des Intensitätsverhältnisses im Bereich von 1:100–1:10.000.000 zwischen den Strahl-Intensitäten im Referenzarm R und dem Messarm M vorteilhaft. Ergänzend hierzu kann auch vorgesehen werden, im Referenzarm R ein geeignetes Strahlabschwächungselement 39 anzuordnen, wie dies aus den 1 und 3a, 3b ersichtlich ist. Die darüber resultierende Strahlabschwächung wird hierbei in Abhängigkeit des mittleren Abstands zwischen dem Raumpunkt TCP und den Retroreflektoren 10.1–10.4 eingestellt, d. h. bei kürzeren Abständen würde eine geringere Strahlabschwächung eingestellt etc..
Der Referenzarm R wird im Strahlverlauf wie aus 1 ersichtlich vor der Scan-Einheit 20 ausgebildet und umfasst ferner ein polarisationsoptisches Bauelement in Form einer λ/4-Platte 34.2, dessen optische Achse um 45° zur eingestrahlten Polarisationsrichtung gedreht ist, eine Blende 35.2, ein Optikelement 80 sowie einen stationär angeordneten Reflektor 33. Die im Referenzarm R propagierenden Lichtstrahlen durchlaufen somit eine stets konstante optische Weglänge. Die Größe der im Strahlengang angeordneten Blende 35.2 und die Brennweite des diesem nachgeordneten Optikelements 80 sind so zu wählen, dass bei den interferierenden Lichtstrahlen aus dem Messarm M und dem Referenzarm R eine optimale Überlappung der Wellenfronten hinsichtlich der Wellenfrontkrümmung im Bereich der überlappenden Strahlquerschnitte beider Lichtstrahlen sichergestellt wird. Das Optikelement 80 kann wiederum als Linse ausgebildet werden; es sind grundsätzlich jedoch auch alternative Möglichkeiten zur Realisierung von dessen optischer Funktionalität möglich. So könnte etwa der Reflektor im Referenzarm R mit einer geeignet gekrümmten Form ausgebildet werden.
Die Verwendung des Optikelements 80 ermöglicht eine Optimierung des Modulationsgrades des detektierten Signals; ist dies nicht erforderlich, so kann jedoch auch auf dieses Element in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verzichtet werden.
Der Strahlquerschnitt wird mittels einer geeigneten Blende 35.2 eingestellt und gewährleistet bei richtig gewählter Blendengröße ebenfalls einen guten Modulationsgrad der detektierten Interferenzsignale. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass nach der Rückreflexion am Reflektor 33 der Lichtstrahl des Referenzarms R erneut durch das Optikelement 80 tritt. Im Anschluss wird erneut die Blende 35.2, das Strahlabschwächungselement 39, die λ/4-Platte 34.2 und das Strahlteilerelement 32 durchlaufen, wo an der Strahlteilerfläche eine Wiedervereinigung mit dem im Messarm M propagierenden Lichtstrahl L erfolgt.
Der Messarm M der interferometrischen Abstandsmesseinheit 30 ist in demjenigen Bereich ausgebildet, in dem der teildivergente Lichtstrahl L ab dem Strahlteilerelement 32 zur Scan-Einheit 20 in Richtung Retroreflektor 10.1–10.4 und zurück propagiert. Im Messarm M sind auf Seiten der interferometrischen Abstandsmesseinheit 30 nach dem Strahlteilerelement 32 ein polarisationsoptisches Bauelement in Form einer λ/4-Platte 34.1, dessen optische Achse um 45° zur eingestrahlten Polarisationsrichtung gedreht ist, und eine Blende 35.1 vorgesehen. Auch im Messarm M ist die Blende 35.1 so zu wählen, dass bei den interferierenden Lichtstrahlen aus dem Referenzarm R und dem Messarm M im Zusammenspiel mit der Blende 35.2 und dem Optikelement 80 im Referenzarm ein optimaler Wellenfrontüberlapp hinsichtlich der Wellenfrontkrümmung im Bereich der überlappenden Strahlquerschnitte der beiden Strahlen ermöglicht wird; dadurch ist ein guter Modulationsgrad des Interferenzsignals gewährleistet.
Nach Durchlaufen dieser Komponenten gelangt der Lichtstrahl im Messarm M auf das Optikelement 70, über das dem ursprünglich kollimierten Lichtstrahl die erforderliche Teildivergenz aufgeprägt wird. Anschließend trifft der dann teildivergente Lichtstrahl L im Messarm M auf den Scanspiegel 21 der Scan-Einheit 20. Über den beweglich gelagerten Scanspiegel 21 erfolgt die Umlenkung in Richtung des rasterförmig abzutastenden Raumbereichs mit den dort angeordneten Retroreflektoren 10.1–10.4. Überstreicht der Lichtstrahl L einen der Retroreflektoren 10.1–10.4, so wird der Lichtstrahl wieder in Richtung des Scanspiegels 21 zurückreflektiert und gelangt schließlich nach dem nochmaligen Durchlaufen des Optikelements 70 als wiederum nahezu paralleler bzw. leicht fokussierter Lichtstrahl in umgekehrter Richtung zum vorherigen Durchlauf auf die Blende 35.1, die λ/4-Platte 34.1 und auf das Strahlteilerelement 32. Von der Strahlteilerfläche des als Polarisations-Strahlteilerwürfels ausgebildeten Strahlteilerelements 32 schließlich propagieren die überlagerten Lichtstrahlen in Richtung einer optoelektronischen Detektoreinheit 300, in der die interferierenden Lichtstrahlen detektiert werden und ein Abstandssignal ermittelt wird.
Die optoelektronische Detektoreinheit 300 umfasst im dargestellten Beispiel eine weitere λ/4-Platte 34.3, ein Aufspaltgitter 36 zur Aufspaltung des darauf einfallenden Lichtstrahlen-Paares aus Mess- und Referenzarm M, R sowie in den aufgespaltenen Strahlengängen jeweils einen Analysator 37.1–37.3 sowie jeweils ein Detektorelement 38.1–38.3. Über eine derartige Detektionsvariante in der interferometrischen Abstandsmesseinheit 30 wird eine sog. Polarisationscodierung der an den Detektorelementen 38.1–38.3 resultierenden phasenverschobenen Abstandssignale realisiert. An den Detektorelementen 38.1–38.3 liegen dann um jeweils 120° phasenversetzte, inkrementelle Abstandssignale an, die von der Auswerteeinheit 60 weiterverarbeitet werden können. Zur Ausgestaltung der optoelektronischen Detektoreinheit 300 und deren detaillierter Funktionsweise sei ergänzend auf die EP 481 356 A2 der Anmelderin verwiesen.
Alternativ zur hier vorgesehenen inkrementellen interferometrischen Abstandsmessung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung wie bereits oben erwähnt selbstverständlich auch ein absolutinterferometrisches Verfahren zum Einsatz kommen, über das die Abstände zwischen der Scan-Einheit 20 und den Retroreflektoren 10.1–10.4 unmittelbar bzw. absolut ermittelt werden. Ein geeignetes Verfahren ist beispielsweise aus der Veröffentlichung von C. C. Williams, H. K. Wickramasinghe, „Absolute optical ranging with 200 nm resolution", Optics Letters, 14, 542–544 (1989) bekannt.
Scan-Einheit
Wie bereits eingangs angedeutet, dient die Scan-Einheit 20 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu, über den beweglich gelagerten Scan-Spiegel 21 mit einem teildivergenten Lichtstrahl L den Raum mit den dort platzierten Retroreflektoren 10.1–10.4 vorzugsweise zweidimensional abzutasten. Im Fall des optischen Kontakts mit einem Retroreflektor 10.1–10.4 wird über die interferometrische Abstandsmesseinheit eine hochpräzise Abstandsmessung vorgenommen.
Eine wichtige Komponente der Scan-Einheit 20 stellt der Scanspiegel 21 dar, der um zwei verschiedene Rotationsachsen 22.1, 22.2 definiert auslenkbar gelagert ist. Die beiden Rotationsachsen 22.1, 22.2 kreuzen sich hierbei im Mittelpunkt des Scanspiegels 21. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Scan-Spiegel 21 in der Scan-Einheit 20 über Festkörpergelenke kardanisch um die beiden Rotationsachsen 22.1, 22.2 gelagert angeordnet, wobei die beiden Rotationsachsen 22.1, 22.2 senkrecht zueinander orientiert sind.
Der Scanspiegel 21 kann z. B. aus einem Trägersubstrat aus kristallinem Silizium bestehen, das mit einer dünnen Spiegelschicht aus hochreflektierendem Material für die verwendete Lichtwellenlänge bedeckt ist. Wichtig ist an dieser Stelle ferner, dass die Spiegeloberfläche möglichst hinreichend eben ausgebildet ist. So sollte der Radius der Oberflächenwölbung des Scanspiegels 21 möglichst kleiner als 1 m sein.
In Bezug auf die Geometrie des Scanspiegels 21 bestehen diverse Ausgestaltungsmöglichkeiten. So kann dieser sowohl rund, eckig oder aber oval ausgebildet werden. Der Durchmesser des eingesetzten Scanspiegels 21 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 50 μm und 5 mm.
Über die in 1 schematisiert angedeuteten Antriebsmittel 23 wird der Scanspiegel 21 um die beiden senkrecht zueinander orientierten Rotationsachsen 22.1, 22.2 angetrieben, was in bekannter Art und Weise durch elektrische Wechselfelder erfolgen kann, die anziehende und rücktreibende Kräfte zwischen dem Scanspiegel 21 und einem – nicht dargestellten – Rahmen bewirken. Vorzugsweise werden die beiden Rotationsachsen 22.1, 22.2 jeweils resonant und mit festem Phasenbezug zueinander angetrieben, beispielsweise mit einem Phasenunterschied von 90° bei einem ungeraden, ganzzahligen Frequenzverhältnis (bzw. 0° bei einem geraden, ganzzahligen Frequenzverhältnis). Die beiden Rotationsachsen 22.1, 22.2 werden demzufolge mit unterschiedlichen Scanfrequenzen angetrieben, wodurch insbesondere große Auslenkungswinkel und damit auch große Scanwinkel für den Scanspiegel 21 möglich werden. So ist etwa bei einem Arbeitsvolumen von 1 m³ und einem typischen Abstand von 1 m zwischen Raumpunkt und Retroreflektor 10.1–10.4 ein Scanwinkel größer als 90° bzw. ein Auslenkungswinkel für den Scanspiegel 21 größer als ±22.5° nötig.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Eigenfrequenzen des Scanspiegels 21, die sich aus der jeweiligen Lagerungsgeometrie, der Scanspiegel-Geometrie und dem verwendeten Material ergeben, größer als die typischen mechanischen Maschinenfrequenzen der Bearbeitungsmaschine gewählt werden, an der die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommt.
Hinsichtlich der Wahl geeigneter Scanfrequenzen und des einzustellenden Phasenbezugs zwischen den Scanfrequenzen für die beiden Rotationsachsen 22.1, 22.2 gibt es verschiedene Möglichkeiten.
So kann in einer ersten Ausführungsvariante vorgesehen werden, eine der beiden Rotationsachsen 22.1, 22.2 mit einer hohen Scanfrequenz und die andere der beiden Rotationsachsen 22.1, 22.2 mit einer niedrigen Scanfrequenz über die Antriebsmittel 23 anzutreiben; der Phasenunterschied wird zu 90° bei einem ungeraden, ganzzahligen Frequenzverhältnis der Scanfrequenzen und zu 0° bei einem geraden, ganzzahligen Frequenzverhältnis der Scanfrequenzen. gewählt. Über die niedrigere der beiden Scanfrequenzen ist hierbei die minimale Scanrate eines Punkts im abgetasteten zweidimensionalen Raumbereich definiert. Vorzugsweise wird in diesem ein Verhältnis der beiden Scanfrequenzen von 1:5 oder größer eingestellt.
In einer zweiten Ausführungsvariante hingegen werden zwei relativ hohe Scanfrequenzen zum Antreiben der beiden Rotationsachsen 22., 22.2 gewählt, die eine bestimmte Frequenzdifferenz zueinander aufweisen. In diesem Fall bestimmt die eingestellte Frequenzdifferenz die minimale Scanrate eines Punkts im abgetasteten zweidimensionalen Raumbereich.
In beiden Varianten sind die Scanfrequenzen für die Rotationsachsen 22.1, 22.2 vorzugsweise so gewählt, dass eine minimale Scanfrequenz für jeden Punkt im abgetasteten zweidimensionalen Raumbereich größer als 10 Hz resultiert, idealerweise größer als 1000 Hz. Je höher die mögliche Scanfrequenz der eingesetzten Scan-Einheit 20 gewählt wird, desto dynamischere Bewegungen des koordinatenmäßig zu erfassenden Raumpunktes können ermittelt werden.
Wichtig ist das eingestellte Frequenzverhältnis für die Antriebs- bzw. Scanfrequenzen der beiden Rotationsachsen 22.1, 22.2 ferner für den mindestens nötigen Divergenzwinkel des Lichtstrahls L, da gewährleistet sein muss, dass nach einem Scanzyklus über den entsprechenden zweidimensionalen Raumbereich dieser vollständig überstrichen sein muss. Im Hinblick auf den Divergenzwinkel des Lichtstrahls L, der vom Scanspiegel 21 in Richtung des abgetasteten Raumbereichs reflektiert wird, muss hierbei gelten, dass dieser größer gewählt wird als der maximale Winkelabstand benachbarter Abtastbahnen 11.–11.5 im abgetasteten Raumbereich.
Abschließend wäre hinsichtlich der Scan-Einheit 20 noch zu erwähnen, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Träger des Scanspiegels 21 möglichst mechanisch starr mit der verwendeten Lichtquelle oder dem Faserende, über das die Strahlung einer entfernten Lichtquelle zugeführt wird, verbunden bzw. gekoppelt ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die durch die Lichtquelle 40 definierte optische Achse des Strahlengangs immer auf den gleichen Punkt des Scanspiegels 21 zeigt. Eine hohe Reproduzierbarkeit der Messungen kann dadurch gewährleistet werden.
Selbstverständlich gibt es neben dem erläuterten Ausführungsbeispiel einer Positionsmessvorrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch noch alternative Ausgestaltungsmöglichkeiten. Nachfolgend sind einige dieser Möglichkeiten kurz angedeutet.
So ist es keinesfalls zwingend, dass in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere Retroreflektoren zum Einsatz kommen. Vielmehr gibt es auch Messaufgaben, die z. B. lediglich die Erfassung eines einzigen Abstands vom zu vermessenden Raumpunkt erfordern. In diesem Fall wäre ein einziger Retroreflektor im abgetasteten Raumbereich ausreichend.
Ebenso ist es alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel möglich, den mindestens einen Retroreflektor am zu vermessenden Raumpunkt beispielsweise auf einer Trägerplatte anzubringen und die Scan-Einheit bzw. einen entsprechenden Messkopf stationär im Raum anzuordnen und somit die Messanordnung umzukehren.
Desweiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer winkelmessenden Positionsmesseinrichtung ergänzt werden. Diese umfasst z. B. eine abbildende Optik, durch die ein Lichtstrahl unter einem bestimmten Einfallswinkel auf eine Detektionseinheit abgebildet wird. Über bekannte Triangulationsverfahren lässt sich der Einfallswinkel bestimmen, wodurch eine Reihe zusätzlicher Freiheitsgrade der Bewegung des Raumpunktes zu erfassen sind, beispielsweise ein oder mehrere Rotationsfreiheitsgrade desselbigen.
Schließlich kann vorgesehen werden, die Scan-Einheit nicht nur mit einem einzigen Scanspiegel auszubilden, sondern dort eine Mehrzahl von Scanspiegeln anzuordnen, die in definierter Art und Weise angesteuert werden. Eine solche Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung macht etwa dann Sinn, wenn noch mehr Freiheitsgrade des Raumpunkts erfasst werden sollen, also wenn beispielweise neben der reinen dreidimensionalen Koordinatenbestimmung noch ein oder mehrere Rotationsfreiheitsgrade erfasst werden sollen. Zudem kann im Fall mehrerer Scanspiegel der nötige Raumwinkelbereich Ω jedes einzelnen Spiegels gegenüber einem Einspiegelsystem reduziert werden. Im Fall mehrerer Scanspiegel ist es ferner möglich, überlappende Raumbereiche mit den verschiedenen Scanspiegeln abzutasten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 417665 A2 [0004]
- EP 481356 A2 [0063]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Osamu Nakamura, Mitsuo Goto, ”Four-beam laser interferometry for three-dimensional microscopic coordinate measurement”, Applied Optics, 33, 31–36 (1994) [0040]
- C. C. Williams, H. K. Wickramasinghe, „Absolute optical ranging with 200 nm resolution”, Optics Letters, 14, 542–544 (1989) [0064]

Claims

Positionsmessvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Raumpunktes (TCP) mit – mindestens einem Retroreflektor (10.1–10.4); – einer Lichtquelle (40); – einer Scan-Einheit (20), welcher ein von der Lichtquelle (40) gelieferter Lichtstrahl zuführbar ist und mindestens einen Scanspiegel (21) aufweist, der um zwei unterschiedliche Rotationsachsen (22.1, 22.2) reproduzierbar auslenkbar gelagert ist, die sich im Mittelpunkt des Scanspiegels (21) kreuzen, so dass ein rasterförmiges Abtasten eines zweidimensionalen Raumbereichs mittels eines teildivergenten Lichtstrahls (L) über mehrere Abtastbahnen (11.1–11.5) erfolgt, bezüglich dem mindestens ein Retroreflektor (10.1–10.4) angeordnet ist, wobei – entweder der Retroreflektor (10.1–10.4) stationär im Raum angeordnet ist und die Scan-Einheit (20) im Bereich des Raumpunkts (TCP) angeordnet ist oder – die Scan-Einheit (20) stationär im Raum angeordnet ist und der Retroreflektor (10.1–10.4) im Bereich des Raumpunkts (TCP) angeordnet ist, – einer interferometrischen Abstandsmesseinheit (30) mit – einem Strahlteilerelement (32), über das eine Aufspaltung des von der Lichtquelle (40) gelieferten Lichtstrahls dergestalt erfolgt, dass die aufgespaltenen Lichtstrahlen einen Referenzarm (R) und einen Messarm (M) mindestens einmal in jeder Richtung durchlaufen und wobei der Messarm (M) in dem Bereich ausgebildet ist, in dem der teildivergente Lichtstrahl (L) von der Scan-Einheit (20) in Richtung Retroreflektor (10.1–10.4) und zurück propagiert, – einer optoelektronischen Detektoreinheit (300), über die eine Detektion von Abstandssignalen aus den überlagerten Lichtstrahlen aus dem Referenzarm (R) und dem Messarm (M) erfolgt, wenn zum Zeitpunkt des optischen Kontakts zwischen der Scan-Einheit (20) und dem Retroreflektor (10.1–10.4) eine Rückreflexion des Lichtstrahls (L) vom Retroreflektor (10.1–10.4) in Richtung der Scan-Einheit (20) resultiert.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, mit – mehreren Retroreflektoren (10.1–10.4), die stationär an festen Positionen im Raum angeordnet sind, – einer Auswerteeinheit (60), über die aus den ermittelten Abständen zwischen der Scan-Einheit (20) und den Retroreflektoren (10.1–10.4) dreidimensionale Positionsdaten des Raumpunkts (TCP) bestimmbar sind.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei – über einen polarisationsoptischen Strahlteiler (32) der interferometrischen Abstandsmesseinheit (30) eine Aufteilung des darauf einfallenden Lichtstrahls in orthogonal zueinander polarisierte Lichtstrahlen im Messarm (M) und im Referenzarm (R) erfolgt und – die optoelektronische Detektoreinheit (300) der interferometrischen Abstandsmesseinheit (30) derart ausgebildet ist, dass darüber eine Erfassung mehrerer phasenverschobener Abstandssignale erfolgt.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (40), die interferometrische Abstandsmesseinheit (30) und die Scaneinheit (20) in einer gemeinsamen Baueinheit (50) im Bereich des positionsmäßig zu erfassenden Raumpunktes (TCP) angeordnet sind.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 2, die ferner Identifikationsmittel umfasst, um aus der Mehrzahl von Retroreflektoren (10.1–10.4) denjenigen eindeutig zu identifizieren, zu dem gerade optischer Kontakt mit der Scan-Einheit (20) hergestellt ist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (60) derart ausgebildet ist, dass diese mit einer bestimmten Frequenz die resultierenden Abstandssignale analysiert und überprüft, ob optischer Kontakt zwischen einem Retroreflektor (10.1–10.4) und der Scan-Einheit (20) besteht und im Fall des festgestellten optischen Kontakts die Abstandssignale auswertet und den Abstand zwischen der Scan-Einheit (20) dem Retroreflektor (10.1–10.4) interferometrisch bestimmt.
Positionsmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Scanspiegel (21) in der Scan-Einheit (20) über Festkörpergelenke kardanisch gelagert angeordnet ist.
Positionsmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, wobei die beiden Rotationsachsen (22.1, 22.2) des Scanspiegels (21) senkrecht zueinander orientiert sind.
Positionsmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, welche Antriebsmittel (23) zum resonanten Antreiben der beiden Rotationsachsen (22.1, 22.2) des Scanspiegels (21) umfasst und die Antriebsmittel (23) derart ausgebildet sind, dass die beiden Rotationsachsen (22.1, 22.2) mit unterschiedlichen Scanfrequenzen auslenkbar sind.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Antriebsmittel (23) zum resonanten Antreiben der beiden Rotationsachsen (22.1, 22.2) des Scanspiegels (21) derart ausgebildet sind, dass eine periodische Abtastung des zweidimensionalen Raumbereichs erfolgt und der teildivergente Lichtstrahl (L) mehrere benachbarte Abtastbahnen (11.1–11.5) in einem zweidimensionalen Raumbereich überstreicht, in dem mindestens ein Retroreflektor (10.1–10.4) angeordnet ist.
Positionsmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Optikelement (70) zwischen der Lichtquelle (40) und dem Scanspiegel (21) angeordnet und dergestalt ausgebildet ist, dass darüber eine Fokussierung des von der Lichtquelle (40) emittierten Lichtstrahls in die Nähe der Spiegelebene des Scanspiegels (21) erfolgt und nach der Reflexion am Scanspiegel (21) ein teildivergenter Lichtstrahl (L) zum periodisch rasterförmigen Abtasten des Raumbereichs resultiert.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Optikelement (70) dergestalt ausgebildet ist, dass der Divergenzwinkel (6) des vom Scanspiegel (21) in Richtung des abgetasteten Raumbereichs reflektierten teildivergenten Lichtstrahls (L) größer ist als der maximale Winkelabstand benachbarter Abtastbahnen (11.1–11.5) im abgetasteten Raumbereich.
Positionsmessvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–10, wobei die Lichtquelle als Halbleiter-Laser ausgebildet ist und die Erzeugung eines teildivergenten Lichtstrahls über die Lichtquelle ohne weitere der Lichtquelle vorgeordnete Optikelemente erfolgt.
Positionsmessvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Referenzarm (R) ein Optikelement (80) und eine Blende (35.2) angeordnet sind, welche derart ausgebildet sind, dass die Wellenfrontkrümmung der auf die Detektorelemente (38.1–38.3) der optoelektronischen Detektoreinheit (300) gelangenden Lichtstrahlen aus dem Referenzarm (R) an die Wellenfrontkrümmung der auf die Detektorelemente (38.1–38.3) der optoelektronischen Detektoreinheit (300) gelangenden Lichtstrahlen aus dem Messarm (M) angepasst ist.