DE102010032407B3

DE102010032407B3 - Laser-Längenmesssystem

Info

Publication number: DE102010032407B3
Application number: DE102010032407A
Authority: DE
Inventors: Dr. Meiners-Hagen Karl; Dr. Pollinger Florian; Dr. Abou-Zeid Ahmed; Dr. Wendt Klaus; Dr. Härtig Frank
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-07-28

Abstract

Laser-Längenmesssystem mit (a) einer Laserlichtquelle (12) für erstes Laser-Licht einer ersten Wellenlänge (λ1), (b) einem zumindest abschnittsweise konvex sphärischen Reflektor (20), der einen Krümmungskreis-Mittelpunkt (M) und einen Krümmungskreis-Radius (R) hat, (c) einer Fokussiervorrichtung (22) zum Fokussieren des ersten Laser-Lichts auf den Reflektor (20), so dass ein erster Mess-Laserstrahl (34) entsteht, (d) einem Retroreflektor (38) zum Reflektieren des ersten Mess-Laserstrahls (34), so dass ein erster reflektierter Laserstrahl (40) entsteht, (e) einer Laserstrahl-Nachführvorrichtung (54), die zumindest auch um den Krümmungskreis-Mittelpunkt (M) schwenkbar ist und ausgebildet ist, um den Mess-Laserstrahl (34) dem Retroreflektor (38) nachzuführen, und (f) einem Interferometer (60) zum interferometrischen Messen einer Abstandsänderung (Δd) des Retroreflektors (38) vom Krümmungskreis-Mittelpunkt (M) anhand des ersten reflektierten Laserstrahls, gekennzeichnet durch (g) zumindest eine Quelle (76) für zweites Laser-Licht zumindest einer von der ersten Wellenlänge (λ1) verschiedenen zweiten Wellenlänge (λ2) und (h) eine Einrichtung (22) zum...

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Längenmesssystem mit (a) einer Laserlichtquelle für erstes Laser-Licht einer ersten Wellenlänge, (b) einem zumindest abschnittsweise konvex-sphärischen Reflektor, der einen Krümmungskreis-Mittelpunkt und einen Krümmungskreis-Radius hat, (c) einer Fokussiervorrichtung zum Fokussieren des ersten Laser-Lichts auf den Reflektor, so dass ein erster Mess-Laserstrahl entsteht, (d) einem Retroreflektor zum Reflektieren des ersten Mess-Laserstrahls, so dass ein erster reflektierter Laserstrahl entsteht, (e) einer Laserstrahl-Nachführvorrichtung, die zumindest auch um den Krümmungskreis-Mittelpunkt schwenkbar ist und ausgebildet ist, um den Mess-Laserstrahl dem Retroreflektor nachzuführen, und (f) einem Interferometer zum interferometrischen Messen einer Abstandsänderung des Retroreflektors vom Krümmungskreis-Mittelpunkt anhand des reflektierten Lichtstrahls.
Ein derartiges Laser-Längenmesssystem ist aus der DE 20 2004 007 647 U1 und der EP 1 959 226 A2 bekannt. Bei dem bekannten Laser-Längenmesssystem wird als Reflektor eine reflektierende Präzisionskugel aus Stahl verwendet. Selbst wenn die Laserstrahl-Nachführvorrichtung Gelenke aufweist, die beim Verschwenken einen Fehler verursachen, so schlägt sich das durch die Verwendung der reflektierenden Präzisionskugel nicht im Messergebnis nieder. Mit dem bekannten Laser-Längenmesssystem kann eine Abstandsänderung des Retroreflektor vom Krümmungskreis-Mittelpunkt auch bei einer Bewegung des Retroreflektors im Raum mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Nachteilig an dem bekannten Laser-Längenmesssystem ist, dass es für höchste Genauigkeiten kontrollierte Umgebungsbedingungen benötigt. Beispielsweise führen Temperaturgradienten in der Luft zwischen dem Reflektor zu Messfehlern. Das ist insbesondere dann von Nachteil, wenn das Laser-Längenmesssystem in der Fertigungstechnik eingesetzt werden soll. Soll beispielsweise die Bahn eines Fräsers mit Hilfe des Laser-Längenmesssystems bestimmt werden, so muss sichergestellt sein, dass nach der Kalibrierung die Lufttemperatur konstant bleibt, um Messfehler zu vermeiden. Das jedoch ist beispielsweise bei der Fertigung von großen Komponenten wie Schiffsdieseln kaum erreichbar.
Aus dem Artikel von Meiners-Hagen und Abou-Zeid „Refractive index determination in length measurement by two-colour interferometry” in: Measurement Science and Technology 19 (2008) 084004 ist bekannt, dass eine interferometrische Messung bei mehr als einer Wellenlänge dazu verwendet werden kann, um die optische Weglänge zu korrigieren, um den Einfluss von Temperaturgradienten und der Luftfeuchtigkeit zu kompensieren. Das in dem Aufsatz geschilderte Messsystem ist jedoch ein eindimensionales Messsystem, bei dem die Bewegung eines Schlittens auf einer translatorischen Bahn bestimmt wird. Das beschriebene Interferometer taugt daher nicht als dreidimensionales Laser-Längenmesssystem.
Aus der US 2007/0024861 A1 ist ein Lasertracker bekannt, der ebenfalls auf einem Laserstrahl einer Farbe beruht, so dass die Auswirkungen von Temperatur- und Feuchtigkeitsgradienten und -änderungen schlecht zu eliminieren sind.
Aus der US 2008/0316497 A1 ist ein Lasertracker, der einen aufgefächerten Laserstrahl aussendet und besonders einfach zurückgesetzt werden kann, wenn der Laserstrahl unbeabsichtigt unterbrochen wurde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Längenmesssystem anzugeben, mit dem bei einer zwei- oder dreidimensionalen Bewegung des Retroreflektors eine erhöhte Genauigkeit möglich ist.
Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Laser-Längenmesssystem, das zumindest eine Quelle für zweites Laser-Laserlicht zumindest einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge und eine Einrichtung zum Fokussieren des Laser-Lichts der zweiten Wellenlänge auf den Reflektor umfasst, wobei die Laserstrahl-Nachführvorrichtung ausgebildet ist zum Richten eines vom Reflektor reflektierten zweiten Mess-Laserstrahls in Richtung des Retroreflektors.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Laser-Längenmesssystem ist, dass der Einfluss einer sich ändernden Lufttemperatur sowie gegebenenfalls der Luftfeuchtigkeit auch bei Längenmessungen im dreidimensionalen Raum herausgerechnet bzw. kompensiert werden kann. Damit sind auch unter Werkstattbedingungen hochpräzise Längenmessungen möglich.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Laserlichtquelle insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die so ausgebildet ist, das beim Betrieb des Laser-Längenmesssystems Laser-Licht von dieser Laserlichtquelle ausgeht. Beispielsweise handelt es sich bei der Laserlichtquelle um einen Laser. Es ist aber auch möglich, dass die Laserlichtquelle durch einen Faserkoppler gebildet ist, der so ausgebildet ist, dass er mit einem Lichtleiter verbunden werden kann, so dass Laser-Licht von einem Laser zugeführt werden kann, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Teil des Laser-Längenmesssystems ist. Die Laserlichtquelle enthält vorzugsweise einen Modulator, der Laser-Licht eines Lasers um eine Wellenlängendifferenz versetzt.
Bei dem zumindest abschnittsweisen konvex-sphärischen Reflektor handelt es sich insbesondere um eine Kugel, beispielsweise um eine reflektierende Präzisionskugel aus Stahl.
Die Fokussiervorrichtung umfasst insbesondere ein Linsenpaar, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen Achromaten bildet. Vorzugsweise ist die Fokussiervorrichtung eingerichtet zum Fokussieren des ersten Laser-Lichts und gegebenenfalls auch des zweiten Laser-Lichts auf oder knapp unterhalb einer Oberfläche des Reflektors. Das hat den Vorteil, dass der fokussierte Lichtstrahl durch die Reflexion zumindest annähernd auf sich selbst abgebildet wird, was einen besonders einfachen Strahlengang ergibt.
Unter dem Merkmal, dass die Fokussiervorrichtung zum Fokussieren des ersten Laser-Lichts auf den Reflektor ausgebildet ist, wird insbesondere verstanden, dass das Laser-Licht hinter der Fokussiervorrichtung durch keine weiteren strahlformenden optischen Komponenten tritt, bevor das Laser-Licht auf den Reflektor trifft. Die Fokussiervorrichtung ist vorzugsweise so angeordnet, dass der vom Reflektor reflektierte Strahl wieder in die Fokussiervorrichtung einfällt und von dieser zumindest annähernd parallelisiert wird.
Unter der Laserstrahl-Nachführvorrichtung wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die eine zumindest zweiachsige Bewegung erlaubt, so dass der von der Laserstrahl-Nachführvorrichtung abgegebene Laserstrahl dem Reflektor auf einer dreidimensionalen Bewegung nachgeführt werden kann.
Unter dem Interferometer wird insbesondere jede Messanordnung verstanden, mittels der ein sich mit der Zeit ändernder Gangunterschied zwischen dem von der Laserlichtquelle kommenden ersten Laser-Licht, das nach nicht vom Retroreflektor reflektiert wurde, einerseits und einen vom Retroreflektor reflektierten Laserstrahl andererseits zu detektieren. Das Interferometer kann als homodynes oder auch als heterodynes Interferometer ausgebildet sein. Maßgeblich ist lediglich, dass eine interferometrische Abstandsmessung vom Krümmungskreis-Mittelpunkt zum Retroreflektor möglich ist. Der Retroreflektor bildet ein Ende eines Arms des Interferometers.
Bei der zumindest einen Quelle für zweites Laser-Licht kann es sich um die Laserlichtquelle oder einen mit der Laserlichtquelle verbundenen Modulator zum Verändern der Wellenlänge des Laser-Lichts der Laserlichtquelle handeln, insbesondere wenn die Laserlichtquelle auf zwei Wellenlängen emittiert. In diesem Fall sind das erste Laser-Licht und das zweite Laser-Licht phasenstarr gekoppelt. Beispielsweise handelt es sich dann um einen ver-n-fachten Laser. Beim Modulator kann es sich beispielsweise um einen akustooptischen oder einen elektrooptischen Modulator handeln. Es ist auch möglich, dass die Quelle für das zweite Laser-Licht auf mehreren Wellenlängen emittiert.
Bei der Einrichtung zum Fokussieren des Laser-Lichts der zweiten Wellenlänge auf den Reflektor kann es sich um die Fokussiervorrichtung handeln, das ist aber nicht notwendig. So ist es möglich, dass die Fokussiervorrichtung das erste Laser-Licht auf einen ersten Fokus fokussiert und die Einrichtung zum Fokussieren des Laser-Lichts der zweiten Wellenlänge auf einen zweiten Fokus, wobei die beiden Foki räumlich voneinander beabstandet sind. Es ist beispielsweise möglich, dass die Foki voneinander beabstandet auf einer Oberfläche des Reflektors liegen, aber den gleichen Abstand vom Krümmungskreis-Mittelpunkt haben.
Unter dem Merkmal, dass die Laserstrahl-Nachführvorrichtung ausgebildet ist zum Richten des vom Reflektor reflektierten zweiten Mess-Laserstrahls in Richtung des Retroreflektors wird insbesondere verstanden, dass es zwar besonders günstig ist, wenn der erste Mess-Laserstrahl und der zweite Mess-Laserstrahl so überlagert werden, dass sie an der gleichen Stelle auf dem Retroreflektor auftreffen, dass das aber nicht notwendig ist. Beispielsweise ist es möglich, dass der zweite Mess-Laserstrahl um einen Versatz parallel verschoben zum ersten Mess-Laserstrahl verläuft, so dass er für eine spektroskopische Messung der Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laserstrahl-Nachführvorrichtung ausgebildet zum Richten des Laserstrahls in Richtung des Retroreflektors, so dass die Abstandsänderung, die interferometrisch mittels des ersten Mess-Laserstrahls ermittelt wird, um einen Einfluss einer sich ändernden Brechzahl des Mediums im Lichtpfad zwischen der Laserstrahl-Nachführvorrichtung und dem Retroreflektor korrigierbar ist.
Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Fokussiervorrichtung so eingerichtet ist, dass der Fokus des Laser-Lichts mit der ersten Wellenlänge einen Abstand von weniger als dem Krümmungskreis-Radius vom Krümmungskreis-Mittelpunkt hat. Auf diese Weise haben Oberflächenimperfektionen einen nur kleinen Einfluss auf das Messergebnis.
Besonders günstig ist es, wenn der Fokus des Laser-Lichts mit der ersten Wellenlänge einen Abstand von weniger als dem 0,99-fachen des Krümmungskreis-Radius vom Krümmungskreis-Mittelpunkt hat. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Fokussiervorrichtung so eingerichtet ist, dass der Fokus des Laser-Lichts mit der ersten Wellenlänge einen Abstand von zumindest dem 0,9-fachen des Krümmungskreis-Radius vom Krümmungskreis-Mittelpunkt hat. Es lässt sich so eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielen.
Günstig ist zudem, wenn auch die Einrichtung zum Fokussieren des Laser-Lichts der zweiten Wellenlänge so eingerichtet ist, dass ein Fokus des Laser-Lichts mit der zumindest einen zweiten Wellenlänge einen Abstand von weniger als dem Krümmungskreis-Radius, insbesondere dem 0,99-fachen, vom Krümmungskreis-Mittelpunkt hat, wobei vorzugsweise der Abstand zumindest das 0,9-fache beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laserstrahl-Nachführvorrichtung ausgebildet zum Überlagern des Laser-Strahls mit der ersten Wellenlänge und des zumindest einen Laser-Strahls mit der zumindest einen zweiten Wellenlänge, so dass die Laser-Strahlen stets an der gleichen Stelle auf den Retroreflektor treffen, wobei das Laserstrahl-Nachführvorrichtung ausgebildet ist zum interferometrischen Messen der Abstandsänderung des Retroreflektors anhand eines zweiten reflektierten Laser-Strahls mit der zweiten Wellenlänge. So kann das Laser-Längenmesssystem so aufgebaut sein, dass das Laser-Licht der ersten Wellenlänge und das der zumindest einen zweiten Wellenlänge zumindest nach Reflexion am Reflektor in einem Strahlengang geführt sind.
Beispielsweise umfasst das Laser-Längenmesssystem ein Interferometer, in dem der zweite reflektierte Laser-Strahl mit der zweiten Wellenlänge mit einem Laser-Strahl der zweiten Wellenlänge überlagert wird, der nicht vom Retroreflektor reflektiert wurde. Es kann sich hierbei um das Interferometer für das Licht der ersten Wellenlänge handeln. Es werden dann zwei Abstandsänderungen gemessen, wobei sich die erste Abstandsänderung auf die Messung mit Laser-Licht der ersten Wellenlänge und die zweite Abstandsmessung auf Laser-Licht der zweiten Wellenlänge bezieht.
Sofern sich die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit nicht ändern, unterscheiden sich die mit der ersten Wellenlänge gemessene Abstandsänderung und die mit der zweiten Wellenlänge gemessenen Abstandsänderung nicht voneinander. Bei sich ändernder Temperatur lässt sich der Abstand zwischen dem Krümmungskreis-Mittelpunkt des Reflektors und dem Retroreflektor auf die im Aufsatz von Meiners-Hagen und Abou-Zeid beschriebene Weise korrigieren.
Vorzugsweise umfasst die erste Laserlichtquelle einen ver-n-fachten Laser. Das heißt, dass die erste Wellenlänge ein Doppeltes, Dreifaches oder sonstiges Mehrfaches der zweiten Wellenlänge ist. Möglich ist auch, dass der Quotient aus erster und zweiter Wellenlänge einen Bruch aus kleinen natürlichen Zahlen ist, wobei dieser Fall eintritt, wenn zwei Harmonische der Grundfrequenz verwendet werden.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Laser um einen Nd:YVO₄ (Neodym-Yttriumvanadat-Laser). Die Verwendung eines derartigen Lasers ist im eindimensionalen Fall bereits bekannt, sie lässt sich aber nicht ohne weiteres auf ein mehrdimensional messendes Laser-Längenmesssystem gemäß der Erfindung übertragen. Anders als im eindimensionalen Fall muss nämlich sichergestellt sein, dass bei dem Nachführen des Laser-Strahls im Raum die beiden Strahlen nicht auseinanderfallen und beim Verschwenken kein zusätzlicher Fehler entsteht, der größer ist als der zu korrigierende Einfluss der Temperatur und gegebenenfalls der Luftfeuchtigkeit.
Vorzugsweise umfasst die Fokussiervorrichtung einen Achromaten. Dieser Achromat kann vorzugsweise so ausgebildet sein, dass die Foki voneinander einen Abstand von höchstens dem 0,1-fachen des Krümmungskreis-Radius voneinander haben. Besonders günstig ist es, wenn die Foki des Laser-Lichts mit der ersten Wellenlänge und mit der zweiten Wellenlänge an der gleichen Stelle liegen So wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht. Anders als bei dem aus dem oben genannten Aufsatz bekannten Verfahren im eindimensionalen Fall muss bei der erfindungsgemäßen Lösung das Laser-Licht stets fokussiert werden. Was im eindimensionalen Fall mit einer Wellenlänge vollkommen problemlos ist, führt in dem Fall mit zwei Farben in der Regel zu Abbildungsfehlern. Ein derartiger Abbildungsfehler kann mit dem Achromaten behoben werden.
Vorzugsweise ist zumindest die Laserlichtquelle frequenzstabilisiert. Beispielsweise handelt es sich bei der Laserlichtquelle für Laser-Licht der ersten Wellenlänge um einen Helium-Neon-Laser, der als Standard-Laser kostengünstig zu erhalten ist.
Elf Trennen des Lichts der beiden Wellenlängen erfolgt bevorzugt anhand der Polarisation. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Interferometer daher eine Überlagerungsvorrichtung zum Überlagern von Laser-Licht der ersten Wellenlänge, das vom Retroreflektor reflektiert wurde mit Laser-Licht der ersten Wellenlänge, das nicht vom Retroreflektor reflektiert wurde und von Laser-Licht der zweiten Wellenlänge, das vom Retroreflektor reflektiert wurde mit Laser-Licht der zweiten Wellenlänge, das nicht vom Retroreflektor reflektiert wurde, und zumindest einen Interferenzfilter umfasst, der im Strahlengang hinter einer Überlagerungsvorrichtung so angeordnet ist, dass das Laser-Licht mit der ersten Wellenlänge von Laser-Licht mit der zweiten Wellenlänge trennbar ist.
Vorzugsweise weist das Laser-Längenmesssystem zumindest einen Polarisator, der zum Polarisieren des ersten Laser-Lichts mit der ersten Wellenlänge und/oder des Laser-Lichts mit der zweiten Wellenlänge angeordnet ist, und/oder einen Strahlteiler auf, der angeordnet ist zum Trennen von Laser-Licht der ersten Wellenlänge, von Laser-Licht mit der zweiten Wellenlänge, nachdem das Laser-Licht vom Retroreflektor reflektiert wurde. Auf diese Weise lässt sich das Laser-Licht mit den beiden Wellenlängen voneinander trennen, bevor es zum Interferieren gebracht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Laser-Längenmesssystem zumindest einen Polarisator, der zum Polarisieren des ersten Laser-Lichts mit der ersten Wellenlänge und/oder des Laser-Lichts mit der zweiten Wellenlänge angeordnet ist und/oder einen polarisationssensitiven Strahlteiler, der angeordnet ist zum Trennen von Laser-Licht mit der ersten Wellenlänge von Laser-Licht mit der zweiten Wellenlänge, nachdem das Laser-Licht vom Retroreflektor reflektiert wurde. Das erleichtert eine interferometrische Messung mit beiden Wellenlängen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Laser-Längenmesssystem eine spektroskopische Luftfeuchtigkeits-Messvorrichtung, die eine Messstrecke umfasst, die sich zumindest im Wesentlichen in Richtung des Retroreflektors erstreckt. Auf diese Weise kann der Einfluss einer sich ändernden Luftfeuchtigkeit herausgerechnet werden, was das Messergebnis verbessert. Günstig ist es, wenn das Laser-Längenmesssystem eine Vorrichtung zum Richten eines Laserstrahls in Richtung auf den Retroreflektor zu aufweist. Verläuft dieser Laserstrahl in einem Strahlengang mit den beiden anderen Laserstrahlen, so wird er von dem Retroreflektor reflektiert. Alternativ ist ein zweiter Retroreflektor vorhanden, der relativ zum ersten Retroreflektor fixiert ist. Die Vorrichtung zum Richten des Laserstrahls ist so befestigt, dass sie sich synchron zum Mess-Laserstrahl bewegt. Durch eine Intensitätsmessvorrichtung wird die Intensität des vom Retroreflektor reflektierten Laserstrahls und aus der Absorption des Laserstrahls mittels einer Erfassungsvorrichtung die Luftfeuchtigkeit gemessen. Vorzugsweise laufen die Mess-Laserstrahlen und der Laserstrahl der Luftfeuchtigkeits-Messvorrichtung in einem Abstand von beispielsweise weniger als einem Meter voneinander, so dass anhand der gemessenen Luftfeuchtigkeit die Messung der Abstandsänderung, also die Längenmessung, korrigiert werden kann.
Bevorzugt ist ein Laser-Längenmesssystem, das eine elektrische Steuerung aufweist, die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Erfassen einer Änderung eines ersten optischen Wegs des Laser-Lichts der ersten Wellenlänge, (ii) Erfassen einer Änderung eines zweiten optischen Wegs des Laser-Lichts der zweiten Wellenlänge und (iii) Berechnen der Abstandsänderung des Retroreflektors vom Mittelpunkt des Reflektors aus den beiden Änderungen. In diesem Fall ist vorzugsweise zumindest einer der Laser, beispielsweise derjenige Laser, der das Licht mit der ersten Wellenlänge liefert, frequenzstabilisiert. Die Formel zur Temperaturkompensation findet sich in dem oben erwähnten Artikel von Meiners-Hagen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laser-Längenmesssystems und
2 einen Ausschnitt des Laser-Längenmesssystems zur Erläuterung der Lage der Foki.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Laser-Längenmesssystem 10, das eine Laserlichtquelle 12 in Form eines Faserkopplers aufweist, der mittels eines Lichtleiters 16 mit einem Modulator 18, beispielsweise einem akusto-optischen Modulator, verbunden ist. Der Modulator ist mit einem schematisch eingezeichneten Laser 14 verbunden. Über den Lichtleiter 16 wird Licht mit einer ersten Wellenlänge λ₁ zugeführt. Das Licht wird erzeugt, indem vom Laser 14 kommendes Licht mit einer ersten Laserwellenlänge λ_L1 zum Modulator 18 geleitet wird, wo eine erste Wellenlängendifferenz Δλ₁ hinzuaddiert wird. Es gilt daher für die erste Wellenlänge λ₁ = λ_L1 + Δλ₁.
Bei dem Laser 14 handelt es sich beispielsweise um einen Nd:YVO₄ (Neodym-Yttriumvanadat-Laser), der eine erste Laserwellenlänge λ_L1, von 1064 nm emittiert. Die Wellenlängenangaben beziehen sich hier wie in der gesamten übrigen Beschreibung stets auf Vakuum-Wellenlängen, dass heißt, auf die Wellenlänge, die das betreffende Laser-Licht im Vakuum hätte.
Das Laser-Längenmesssystem besitzt zudem einen konvex-sphärischen Reflektor 20 in Form einer Kugel, die im vorliegenden Fall aus Stahl besteht, Die Kugel weist eine Abweichung von der Kugelform von unter 50 nm auf. Der Reflektor 20 besitzt einen Krümmungskreis-Mittelpunkt M, der mit dem Kugelmittelpunkt zusammenfällt, da der Reflektor 20 im vorliegenden Fall vollständig kugelförmig ist. Der Reflektor 20 hat zudem einen Krümmungskreis-Radius R, der beispielsweise 20 mm beträgt.
Das Laser-Längenmesssystem 10 besitzt eine Fokussiervorrichtung 22, mittels der das von der Laserlichtquelle 12 kommende Laser-Licht in Form eines Laserstrahls 24 mit der ersten Wellenlänge λ₁ auf den Reflektor 20 fokussiert wird. Im Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle 12 und der Fokussiervorrichtung 22 sind ein Polarisator 26, ein Strahlteiler 28 und ein Polarisationsstrahlteilerwürfel 30 angeordnet. Von der Laserlichtquelle 20 kommendes Laser-Licht durchläuft zunächst den Polarisator 26, wo es beispielsweise linear polarisiert wird. Es triff danach auf den Strahlerteiler 28, den es geradlinig durchläuft und trifft dann auf den Polarisationsstrahlteilerwürfel 30, der es, im vorliegenden Fall um 90° auf eine achromatische Verzögerungsplatte 32 leitet, von wo aus es auf die Fokussiervorrichtung 22 gelangt.
Nach Reflexion am Reflektor 20 läuft der Laserstrahl erneut durch die Fokussiervorrichtung 22, die achromatische Verzögerungsplatte 32 und den Polarisationsstrahlteilerwürfel 32. Gegenüber dem Lichtstrahl, der vom dichroitischen Strahlteiler 28 kommend auf den Polarisationsstrahlteilerwürfel 30 fällt, hat der vom Reflektor 20 stammende Lichtstrahl, der als Mess-Laserstrahl 34 bezeichnet wird, hinter der achromatischen Verzögerungsplatte 32 eine andere Polarisationsrichtung, so dass er den Polarisationsstrahlteilerwürfel 30 geradlinig durchquert und auf eine zweite achromatische Verzögerungsplatte 36 trifft, von wo aus er auf einen Retroreflektor 38 trifft.
Wird der Mess-Laserstrahl 34 vom Retroreflektor 38 reflektiert, so wird vom reflektierten Laserstrahl 40 gesprochen. Hierbei handelt es sich wie bei der Bezeichnung des Mess-Laserstrahls 34 um eine bloße Bezeichnung, um das Verständnis zu erleichtern. Der Retroreflektor 38 reflektiert den Mess-Laserstrahl 34 so, dass er mit genau umgekehrter Richtung wieder zurückläuft. Der reflektierte Laserstrahl 40 gelangt daher zur zweiten achromatischen Verzögerungsplatte 36 sowie zum Polarisationsstrahlteilerwürfel 30, von wo aus er zu einem Strahlteiler 42 gelangt. Ein Teilstrahl 44 gelangt über einen Interferenzfilter 46 zu einer Vier-Quadranten-Diode 48.
Die Vier-Quadranten-Diode 48 ist mit einer schematisch eingezeichneten elektrischen Steuereinheit 50 verbunden. Bewegt sich der Retroreflektor 38 anders als ausschließlich in Verlängerung des Mess-Laserstrahls 34, so verschiebt sich eine Intensitätsverteilung des Teilstrahls 44 auf der Vier-Quadranten-Diode 48, was von der Steuereinheit 50 erkannt wird. Wie im Folgenden erläutert, wird anhand dieses Signals der Mess-Laserstrahl 34 dem Retroreflektor 38 nachgeführt.
Das Laser-Längenmesssystem 10 umfasst einen Nachführkopf 52, an dem die Laserlichtquelle 12 sowie die oben befindlichen, im Strahlengang dahinter befindlichen Komponenten bis zur Fokussiervorrichtung 22 befestigt sind. Der Nachführkopf 52 ist Teil einer Laserstrahl-Nachführvorrichtung 54. Die Laserstrahl-Nachführvorrichtung 54 ist mittels eines ersten Gelenks 56 um eine erste Schwenkachse S1 und mittels eines zweiten Gelenks 58 um eine senkrecht dazu stehende zweite Schwenkachse S2 schwenkbar. Die beiden Schwenkachsen S1, S2 sind die mathematischen Achsen, um die die Gelenke 56, 58 schwenkbar sind und treffen sich im Krümmungskreis-Mittelpunkt M. Jedes Gelenk 56, 58 verfugt über einen mittels der Steuereinheit 50 ansteuerbaren, nicht eingezeichneten Antrieb, so dass der Mess-Laserstrahl 34 einer dreidimensionalen Bewegung des Retroreflektors 38 nachführbar ist.
Detektiert die Steuereinheit 50 eine Veränderung der Intensitätslage des Teilstrahls 44 auf der Vier-Quadranten-Diode 48, so steuert sie die Antriebe der Gelenke 56, 58 so an, dass die alte Lage des Teilstrahls 44 relativ zu Vier-Quadranten-Diode 48 wieder hergestellt wird. Auf diese Weise folgt der Mess-Laserstrahl 34 dem Retroreflektor.
Das Laser-Längenmesssystem umfasst zudem ein Interferometer 60, mittels dessen eine Abstandsänderung Δd eines Abstands d des Retroreflektors 38 vom Krümmungskreis-Mittelpunkt M detektierbar ist. Dazu wird der reflektierte Laserstrahl 40 vom Polarisationsstrahlteilerwürfel 30 auf einen zweiten Strahlteiler 64 geleitet und dort mit einem Laserstrahl 66 der ersten Laserwellenlänge λ_L1 überlagert. Der Laserstrahl 66 stammt von einer Referenz-Laserquelle 68 in Form eines Faserkopplers, der mittels eines Lichtleiters mit dem Laser 14 in Verbindung steht.
Von der Referenz-Laserquelle 68 aus läuft der Laserstrahl zunächst durch einen Polarisator 70, dann durch einen Strahlteiler 72, der als Neutralteil ausgebildet ist, und wird dann über einen Spiegel 74 auf den Strahlteiler 64 geleitet, wo er mit dem reflektierten Laserstrahl interferiert, was von dem Fotodetektor 62 aufgezeichnet wird, der einen von einem Interferenzfilter 63 gefiltertes Licht empfängt. Der oben beschriebene Aufbau entspricht einem Heterodyn-Interferometer, was aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Das Laser-Längenmesssystem 10 umfasst zudem eine Quelle 76 für Laserlicht, in Form eines Faserkopplers, der über einen Lichtwellenleiter mit einem Modulator 78, insbesondere einem akusto-optischen Modulator, verbunden ist. Dieser bezieht Licht einer zweiten Laserwellenlänge λ_L2 vom Laser 14, im vorliegenden Fall mit der Wellenlänge λ_L2 = 532 nm, was der ersten Harmonischen der an der Laserlichtquelle 12 anliegenden Wellenlänge entspricht.
Von der Quelle 76 ausgehendes Laser-Licht mit der zweiten Wellenlänge λ₂ wird von einem Spiegel 80 auf den Strahlteiler 28 geleitet und von dort in den Strahlengang des Laser-Lichts mit der ersten Wellenlänge λ₁ eingefädelt, das von der Laserlichtquelle 12 stammt. Das von der Quelle 76 stammende Laser-Licht gelangt daher zur Fokussiervorrichtung 22, die einen Achromaten aufweist. Aus diesem Grund fallen die Foki für beide Wellenlängen λ₁, λ₂ zusammen und es entsteht durch Reflexion am Reflektor 20 ein Laserstrahl, der als zweiter Mess-Laserstrahl 82 bezeichnet wird.
Der zweite Mess-Laserstrahl 82 verläuft auf dem gleichen Lichtpfad wie der erste Mess-Lichtstrahl 34 und trifft damit an der gleichen Stelle P auf den Retroreflektor 38. Durch Reflexion am Retroreflektor 38 entsteht ein zweiter reflektierter Laserstrahl 84 mit der zweiten Wellenlänge λ₂, der durch den oben für den ersten reflektierten Laserstrahl 40 beschriebenen Strahlengang zum Strahlteiler 64 gelangt. Dort wird der zweite reflektierte Laserstrahl 48 mit Laser-Licht der zweiten Laserwellenlänge λ_L2 einer zweiten Referenz-Laserquelle 86 in Form eines Faserkopplers, der mit dem Laser 14 in Verbindung steht, überlagert. Dazu wird Laser-Licht von der zweiten Referenz-Laserquelle 88 über einen Spiegel 88 auf den Strahlteiler 72 geleitet und so in den Strahlengang des Laserstrahls mit der ersten Laser-Wellenlänge λ_L1 eingefädelt, der von der ersten Referenz-Laserquelle 68 stammt. Die entsprechende Interferenz wird mittels eines zweiten Fotodetektors 90 detektiert, der einen von einem Interferenzfilter 91 gefiltertes Licht empfängt. Eine Abstandsänderung Δd wird damit einmal mittels des ersten Fotodetektors 62 als auch mit dem zweiten Fotodetektor 90 detektiert. Abweichungen zwischen beiden Abstandsänderungen, also Δd(λ₁) einerseits und Δd(λ₂) andererseits sind auf eine Temperaturänderung oder eine Änderung der Luftfeuchtigkeit zurückzuführen und können aus der im Artikel von Meiners-Hagen angegebenen Formel korrigiert werden. Das geschieht in der Steuereinheit 50, die zum automatischen Durchführen eines entsprechenden Verfahrens ausgebildet ist.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit kann ein erfindungsgemäßes Laser-Längenmesssystem 10 wie im vorliegenden Fall ein Kontroll-Interferometer 92 aufweisen, in dem vom Strahlteiler 72 kommendes Laser-Licht mit der ersten Laserwellenlänge λ_L1 mit Laser-Licht der ersten Wellenlänge λ₁ überlagert wird. Es muss sich dann stets eine Schwebung mit der Wellenlänge Δλ₁ ergeben. Diese wird mit einem driften Fotodetektor 94 detektiert, der hinter einem Interferenzfilter 96 angeordnet ist. Im Kontroll-Interferometer 92 können zudem, wie im vorliegenden Fall, ein vom Strahlteiler 72 stammender Laserstrahl mit der zweiten Laserwellenlänge λ_L2 mit einem vom dichroitischen Strahlteiler 28 stammenden Laser-Strahl mit der zweiten Wellenlänge λ₂ überlagert werden, was von einem vierten Fotodetektor 98 gemessen wird, der hinter einem Interferenzfilter 100 angeordnet ist.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus dem Laser-Längenmesssystem 10 mit dem Polarisationsstrahlteilerwürfel 30 und der Fokussiervorrichtung 22, die einen Achromaten 102 umfasst. Dieser ist so ausgebildet, dass die beiden Foki F(λ₁) für Licht der ersten Wellenlänge λ₁ und F(λ₂) der zweiten Wellenlänge λ₂ trotz der unterschiedlichen Wellenlängen dicht benachbart oder aufeinander liegen. Insbesondere liegen die Foki auf einer optischen Achse A, die durch den Krümmungskreis-Mittelpunkt geht.
Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Abstandsänderungen Δd(λ₁) und Δd(λ₂) erfasst und aus der folgenden Formel wird die korrigierte Abstandsänderung Δd_korr berechnet:
L₀₁ = L_0,λ1 + Δd(λ₁), wobei L_0λ1 die optische Totstrecke bezüglich der ist ersten Wellenlänge λ₁ und Δd(λ₁) die ab dieser Totstrecke gemessene Abstandsänderung ist, und
L₀₂ = L_0λ2 + Δd(λ₂), wobei L_0λ2 die optische Totstrecke bezüglich der ist zweiten Wellenlänge λ₂ und Δd(λ₂) die ab dieser Totstrecke gemessene Abstandsänderung ist.
p_W ist der Wasserdampf-Partialdruck. Es gilt g(λ₁) = 10^–10 × (3,802 – 0,0384/(λ/μm)²).
Die Koeffizienten K(λ₁) und K(λ₂) ergeben sich zu
wie im Paper von Meiners-Hagen und Abou-Zeid angegeben.
Der Wasserdampf-Partialdruck p_W wird beispielsweise mittels Hygrometer bestimmt oder spektroskopisch gemessen. Dazu hat das Laser-Längenmesssystem in einer bevorzugten Ausführungsform eine spektroskopische Luftfeuchtigkeits-Messvorrichtung 104, die einen Laser 106 und eine Intensitätsmessvorrichtung 108 aufweist. Ein vom Laser 106 ausgesandter Laserstrahl wird an einem zweiten Retroreflektor 110 reflektiert, die Schwächung des Laserstrahls aufgrund durch Absorption an Wassermolekülen in der Luft von der Intensitätsmessvorrichtung 108 bestimmt und daraus die Luftfeuchtigkeit berechnet. Anhand dieses Messwerts wird von der Steuereinheit 50 die Abstandsänderung Δd zusätzlich um den Einfluss der Luftfeuchtigkeit korrigiert.
Bezugszeichenliste

10: Laser-Längenmesssystem
12: Laserlichtquelle
14: Laser
16: Lichtleiter
18: Modulator
20: Reflektor
22: Fokussiervorrichtung
24: Laserstrahl
26: Polarisator
28: Strahlteiler (Neutralteiler)
30: Polarisationsstrahlteilerwürfel
32: achromatische Verzögerungsplatte
34: Mess-Laserstrahl
36: achromatische Verzögerungsplatte
38: Retroreflektor
40: reflektierter Laserstrahl
42: Strahlteiler
44: Teilstrahl
46: Interferenzfilter
48: Vier-Quadranten-Diode
50: Steuereinheit
52: Nachführkopf
54: Laserstrahl-Nachführvorrichtung
56: erstes Gelenk
58: zweites Gelenk
60: Interferometer
62: Fotodetektor
63: Interferenzfilter
64: Strahlteiler
66: Laserstrahl
68: Referenz-Laserquelle
70: Polarisator
72: Strahlteiler
74: Spiegel
76: Quelle
78: Modulator
80: Spiegel
82: zweiter Mess-Laserstrahl
84: zweiter reflektierter Laserstrahl
86: zweite Referenz-Laserquelle
88: Spiegel
90: zweiter Fotodetektor
91: Interferenzfilter
92: Kontroll-Interferometer
94: dritter Fotodetektor
96: Interferenzfilter
98: vierter Fotodetektor
100: Interferenzfilter
102: Achromat
104: Luftfeuchtigkeits-Messvorrichtung
106: Laser
108: Intensitätsmessvorrichtung
110: zweiter Retroreflektor
λ₁: erste Wellenlänge
λ_L1: erste Laser-Längenwelle
Δλ₁: erste Wellenlängendifferenz
Δd: Abstandsänderung
K: Koeffizient
M: Krümmungskreis-Mittelpunkt
R: Krümmungskreis-Radius
S1: Schwenkachse
S2: Schwenkachse
d: Abstand
F: Fokus
P: Stelle

Claims

Laser-Längenmesssystem mit (a) einer Laserlichtquelle (12) für erstes Laser-Licht einer ersten Wellenlänge (λ₁), (b) einem zumindest abschnittsweise konvex sphärischen Reflektor (20), der einen Krümmungskreis-Mittelpunkt (M) und einen Krümmungskreis-Radius (R) hat, (c) einer Fokussiervorrichtung (22) zum Fokussieren des ersten Laser-Lichts auf den Reflektor (20), so dass ein erster Mess-Laserstrahl (34) entsteht, (d) einem Retroreflektor (38) zum Reflektieren des ersten Mess-Laserstrahls (34), so dass ein erster reflektierter Laserstrahl (40) entsteht, (e) einer Laserstrahl-Nachführvorrichtung (54), die zumindest auch um den Krümmungskreis-Mittelpunkt (M) schwenkbar ist und ausgebildet ist, um den Mess-Laserstrahl (34) dem Retroreflektor (38) nachzuführen, und (f) einem Interferometer (60) zum interferometrischen Messen einer Abstandsänderung (Δd) des Retroreflektors (38) vom Krümmungskreis-Mittelpunkt (M) anhand des ersten reflektierten Laserstrahls, gekennzeichnet durch (g) zumindest eine Quelle (76) für zweites Laser-Licht zumindest einer von der ersten Wellenlänge (λ₁) verschiedenen zweiten Wellenlänge (λ₂) und (h) eine Einrichtung (22) zum Fokussieren des Laser-Lichts der zweiten Wellenlänge auf den Reflektor (20), (i) wobei die Laserstrahl-Nachführvorrichtung (54) ausgebildet ist zum Richten eines vom Reflektor (20) reflektierten zweiten Mess-Laserstrahls (82) in Richtung des Retroreflektors (38).
Laser-Längenmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Laserstrahl-Nachführvorrichtung (54) ausgebildet ist zum Überlagern des Laser-Strahls mit der ersten Wellenlänge (λ₁) und des zumindest einen Laser-Strahls mit der zumindest einen zweiten Wellenlänge (λ₂), so dass die Laser-Strahlen stets an der gleichen Stelle (F) auf den Retroreflektor (38) auftreffen, und – das Laser-Längenmesssystem (10) ausgebildet ist zum interferometrischen Messen der Abstandsänderung (Δd) des Retroreflektors (38) anhand des zweiten reflektierten Laserstrahls (84) mit der zumindest einen zweiten Wellenlänge (λ₂).
Laser-Längenmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (12) einen ver-n-fachten Laser umfasst.
Laser-Längenmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiervorrichtung (22) einen Achromaten (102) aufweist.
Laser-Längenmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Laserlichtquelle (12) frequenzstabilisiert ist.
Laser-Längenmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Foki einen Abstand (r) von höchstens dem Krümmungskreis-Radius (R) vom Krümmungskreis-Mittelpunkt (M) hat.
Laser-Längenmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Interferometer (60) eine Überlagerungsvorrichtung (64) zum Überlagern von Laser-Licht der ersten Wellenlänge (λ₁), das vom Retroreflektor (38) reflektiert wurde mit Laser-Licht der ersten Wellenlänge (λ₁), das nicht vom Retroreflektor (38) reflektiert wurde und von Laser-Licht der zweiten Wellenlänge (λ₂), das vom Retroreflektor (38) reflektiert wurde mit Laser-Licht der zweiten Wellenlänge (λ₂), das nicht vom Retroreflektor (38) reflektiert wurde, und – zumindest einen Interferenzfilter (63, 91) umfasst, der im Strahlengang hinter der Überlagerungsvorrichtung (64) so angeordnet ist, dass das Laser-Licht mit der ersten Wellenlänge (λ₁) von Laser-Licht mit der zweiten Wellenlänge (λ₂) trennbar ist.
Laser-Längenmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine spektroskopische Luftfeuchtigkeits-Messvorrichtung, die eine Messstrecke umfasst, die sich zwischen zwei Spiegeln (74, 88) erstreckt, wobei die Messstrecke sich zumindest im Wesentlichen in Richtung des Retroreflektors (38) erstreckt.
Laser-Längenmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (50), die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Erfassen einer Änderung (Δd(R₁)) eines ersten optischen Wegs des Laser-Lichts der ersten Wellenlänge (λ₁), (ii) Erfassen einer Änderung (Δd(R₂)) eines zweiten optischen Wegs des Laser-Lichts der zweiten Wellenlänge (λ₂) und (iii) Berechnen der Abstandsänderung (Δd) aus den beiden Änderungen.
Laser-Längenmesssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (iv) Erfassen der Luftfeuchtigkeit zwischen der Laserstrahl-Nachführvorrichtung (54) und dem Retroreflektor (38) und (v) Berechnen der Abstandsänderung (Δd) anhand der Luftfeuchtigkeit.