-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Winkels, unter dem ein Objekt relativ zu einer Achse eines äußeren Bezugssystems angeordnet ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.
-
Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind aus einem weiter unten näher angegebenen Aufsatz von Xu-guang Bai et al. mit dem Titel ”Small roll angle measurement based on auto-collimation and moiré fringe” bekannt.
-
2. Beschreibung des Standes der Technik
-
In vielen Zusammenhängen stellt sich die Aufgabe, die Orientierung eines Objekts im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Im Allgemeinen wird die Orientierung durch die Angabe von drei Winkeln vorgenommen, unter denen das Objekt relativ zu den orthogonalen Achsen eines äußeren Bezugssystems angeordnet ist. Ein Beispiel für eine solche Messaufgabe ist die Überwachung der Linearbewegung eines Objekts auf einer Führungsschiene. Auch bei hochpräzisen Linearführungen kommt es dabei häufig zu kleinen Rotationen des Objekts, die von einer Messvorrichtung erfasst werden sollen. In diesem Zusammenhang wird die zur Verfahrrichtung parallele Rotationsachse im Allgemeinen als Rollachse und die beiden hierzu orthogonalen Rotationsachsen als Nick- bzw. Gierachse bezeichnet. Durch Messung der Winkeländerungen lässt sich so die Abweichung von einer exakt linearen Bewegung ermitteln.
-
Rotationen um die Nick- und die Gierachse werden häufig mit Hilfe von Autokollimatoren gemessen. Hierzu wird ein Planspiegel am zu vermessenden Objekt angebracht und in den Strahlengang des Autokollimators eingebracht. Bei Veränderungen des Nick- oder Gierwinkels verändert das vom Planspiegel reflektierte Licht seine Richtung, was sich in einem Bildversatz auf einem ortsauflösenden Lichtsensor des Autokollimators niederschlägt. Der Rollwinkel lässt sich so jedoch nicht ermitteln, wenn der Planspiegel senkrecht zur optischen Achse des Autokollimators angeordnet ist.
-
Zur Messung (nur) des Rollwinkels von linearbeweglichen Maschinenteilen schlägt die
DE 33 22 713 A1 vor, linear polarisiertes Licht auf das Messobjekt zu richten, an dem ein Analysator winkelfest festgelegt ist. Hinter dem Analysator ist ein Lichtsensor angeordnet, der die Intensität des Lichts misst, das den Analysator durchtreten hat. Da diese Intensität von dem Rollwinkel des Analysators abhängt, kann aus dem vom Lichtsensor erzeugten Signal auf den Rollwinkel des Analysators geschlossen werden.
-
Aus der
DE 36 43 723 A1 ist eine Messvorrichtung zur Messung eines Rollwinkels bekannt, bei der an einem beweglichen Maschinenteil ein reflektierender Zylinder angeordnet ist. Eine Lichtquelle erzeugt eine Lichtlinie auf dem Zylinder, deren Reflex bei einer Veränderung des Rollwinkels verkippt wird. Ein Lichtsensor erfasst den Reflex der Lichtlinie und schließt dadurch auf Veränderungen des Rollwinkels zurück.
-
Aus der
US 3 274 883 A ist bekannt, die Winkel bezüglich der Nick-, Gier- und auch der Rollachse mit Hilfe eines Autokollimators zu messen. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe eines Prismas der Strahlengang in zwei Teilstrahlengänge unterteilt, von denen einer auf einen Planspiegel und der andere auf einen Prismenspiegel gerichtet wird, die beide am zu vermessenden Objekt befestigt sind. Ein Nachteil bei dieser bekannten Messvorrichtung besteht darin, dass sich die vom Detektor des Autokollimators erzeugten Messsignale, die von den Reflexen am Planspiegel und Prismenspiegel erzeugt werden, nicht ohne weiteres voneinander unterscheiden lassen. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, muss außerdem ein großer Winkel zwischen den beiden Teilstrahlengängen eingestellt werden. Dadurch kann jedoch der Abstand zwischen dem Messobjekt und dem Autokollimator nur in geringem Maße verändert werden.
-
Aus der
US 5 046 843 A ist eine Messvorrichtung bekannt, mit der sich ebenfalls die Winkel bezüglich der Nick-, Gier- und Rollachse messen lassen. Die Messvorrichtung richtet ein kollimiertes Messlichtbündel auf einen am Objekt befestigten Reflektor, der einen Zylinderspiegel und einen Planspiegel enthält. Die Richtung des vom Planspiegel reflektierten Lichts wird mit Hilfe eines Moiré-Deflektometers ermittelt, das die ebene Wellenfront des Lichts misst. Aus dieser Richtung werden der Nick- und der Gierwinkel bestimmt. Die gekrümmte Wellenfront des vom Zylinderspiegel reflektierten Lichts wird ebenfalls mit Hilfe des Moiré-Deflektometers bestimmt. Aus der so gemessenen Wellenfront wird auf den Rollwinkel des Zylinderspiegels geschlossen.
-
Aus dem eingangs genannten Aufsatz ”Small roll angle measurement based on auto-collimation and moiré fringe” von Xu-guang Bai et al., Proc. SPIE 7511, 2009 International Conference on Optical Instruments and Technology: Optoelectronic Measurement Technology and Systems, 75110Z (November 20, 2009), ist eine gattungsgemäße Messvorrichtung bekannt. Bei dieser Messvorrichtung wird ein erstes Strichgitter nach Reflexion an einem 90°-Prisma, das an dem Objekt festgelegt ist, auf ein zweites Strichgitter abgebildet. Das dort entstehende Moiré-Muster wird von einer Kamera erfasst und ausgewertet, um den Rollwinkel des Objekts zu bestimmen.
-
Aus der
FR 1 487 838 A ist eine Messvorrichtung mit einem Autokollimator bekannt, der ein Messlichtbündel auf ein erstes Strichgitter richtet. Nach Reflexion an einem Planspiegel, der an dem zu vermessenden Messobjekt befestigt ist, wird das Messlichtbündel über einen Strahlteiler auf ein zweites Strichgitter gerichtet. Durch Überlagerung mit dem Bild des ersten Strichgitters entsteht dort ein Moiré-Muster, das durch ein Okular hindurch beobachtet werden kann. Durch präzises seitliches Verstellen des zweiten Strichgitters kann das Bild des ersten Strichgitters in Übereinstimmung mit dem zweiten Strichgitter gebracht werden. Auf diese Weise lässt sich eine Rotation des Objekts um eine Achse messen.
-
Bei einer aus der
US 4 306 806 A bekannten Messvorrichtung, die insbesondere zur Messung der Ausrichtung eines Kanonenrohrs vorgesehen ist, wird ein kreuzförmiges Lichtmuster auf ein 90°-Prisma gerichtet, dessen Hypotenusenfläche spiegelnde Streifen trägt. Das von dem Prisma reflektierte Lichtmuster kann auf einem Betrachtungsschirm analysiert werden. Dort entstehen zwei Bilder des Lichtmusters, nämlich ein Bild, das von den reflektierenden Streifen erzeugt wird, und ein weiteres Bild, das von dem Retroreflex des Prismas erzeugt wird. Aus dem relativen Versatz der Bilder kann auf die Orientierung des Prismas geschlossen werden.
-
Einen ähnlichen Grundaufbau hat die aus der
US 3 480 367 A bekannte Messvorrichtung.
-
Eine Messvorrichtung zur Messung kleiner lateraler Bewegungen unter Verwendung von Moiré-Mustern ist aus der
US 3 245 307 A bekannt.
-
Die
DE 10 2009 012 508 B3 betrifft ein Autokollimationsfernrohr, bei dem das ins Unendliche abgebildete Objekt wesentlich größer als der CCD-Sensor ist. Zudem ist das Objekt nicht wie meist üblich als Linienkreuz, sondern als nicht regelmäßiges Muster ausgebildet. Dadurch kann jeder beliebige Ausschnitt des auf dem CCD-Sensor entstehenden Bildes des Musters auch dann eindeutig identifiziert werden, wenn das Messobjekt das Licht unter großen Winkeln zurück reflektiert.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich ein Winkel, unter dem ein Objekt relativ zu einer Achse eines äußeren Bezugssystems angeordnet ist, besonders genau bestimmen lässt.
-
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Schritten gelöst.
-
Durch die Erfassung und Auswertung eines Moiré-Musters lässt sich die Lage des Bildes der ersten Intensitätsverteilung in der Bildebene, die von dem zu messenden Winkel abhängt, mit sehr hoher Genauigkeit erfassen. Während bei der herkömmlichen Abbildung einer einzelnen Linie oder eines Linienkreuzes die Messgenauigkeit maßgeblich bestimmt wird durch die Auflösung eines zur Erfassung des Bildes verwendeten Lichtsensors, kann diese Grenze bei der Erfassung und Auswertung von Moiré-Mustern überschritten werden. Im Falle eines Lichtsensors tragen zur Auswertung nämlich nicht nur einige wenige Pixel des Lichtsensors, auf den die Linien abgebildet werden, zu den auswertbaren Informationen bei. Stattdessen wird über einen größeren Bereich des Lichtsensors hinweg ein Moiré-Muster erzeugt. Die Information über den Winkel des Objekts wird somit gewissermaßen über eine große Anzahl von Pixeln des Lichtsensors verteilt, was zu einer deutlich höheren Messgenauigkeit führt.
-
Entsprechendes gilt auch, wenn das Bild nicht von einem Lichtsensor erfasst wird, sondern visuell von einer Bedienperson durch ein Okular betrachtet wird. Während eine geringfügige Verlagerung einer einzelnen Linie oder einer anderen Struktur visuell kaum erkennbar ist, lässt die signifikante Veränderung des Moiré-Musters auch visuell gut erfassen und auswerten.
-
Das Verfahren ist dazu geeignet, den Winkel um eine Achse oder die Winkel um mehrere Achsen absolut zu bestimmen. Das Verfahren kann jedoch auch so eingesetzt werden, dass lediglich Winkeländerungen gemessen werden können, ohne dass die Absolutwerte bekannt sind. Unter dem Begriff der Winkelmessung wird deswegen im vorliegenden Zusammenhang auch die Messung von reinen Winkeländerungen verstanden.
-
Als Moiré-Muster bezeichnet man Schwebungen der Intensität, die bei Überlagerung von periodischen Intensitätsverteilungen entstehen. Die Schwebungen sind dabei im Vergleich zu den Perioden der überlagerten Intensitätsverteilungen langwellig. Moiré-Muster lassen sich jedoch auch beobachten, wenn die überlagerten Intensitätsverteilungen nicht streng, sondern nur ungefähr periodisch sind. So kann beispielsweise die Periode entlang einer Richtung um einen Mittelwert herum variieren oder linear von einem kleineren Wert zu einem größeren Wert hin zunehmen. In diesen Fällen sind die für das Moiré-Muster charakteristischen Schwebungen ebenfalls nicht streng periodisch. Dennoch lässt sich aus einem solchen Moiré-Mustern die relative Position der beiden überlagerten Intensitätsverteilungen bestimmen, wenn man diese kennt.
-
Unter ”zumindest im wesentlichen periodischen” Intensitätsverteilungen werden deswegen im vorliegenden Zusammenhang auch solche Intensitätsverteilungen verstanden, die nicht streng periodisch sind, bei deren Überlagerung aber trotzdem ein Moiré-Muster entsteht, das dann jedoch eine räumlich variierende Schwebungsfrequenz hat.
-
Die winkelfest an dem Objekt festgelegte Planfläche kann an dem Objekt selbst ausgebildet sein. So verfügen Maschinenteile häufig über hochgenau bearbeitete metallische Planflächen, die das vom Autokollimator erzeugte Licht ausreichend reflektieren. Meist wird die Planfläche jedoch Teil eines zusätzlichen Reflektors sein, der winkelfest am Objekt befestigt ist.
-
Die Anordnung des Objekts in einem kollimierten Strahlengang des Autokollimators impliziert, dass die erste Intensitätsverteilung von dem Autokollimator ins Unendliche abgebildet wird. Das von dem Objekt reflektierte Licht wird dann von dem Autokollimator in die Bildebene fokussiert.
-
Im Prinzip ist es möglich, die Bildebene des Autokollimators, in der das Moiré-Muster entsteht, direkt mit Hilfe einer Mattscheibe oder eines Okulars zu betrachten. Im Allgemeinen wird es jedoch zweckmäßig sein, wenn in Schritt c) das Moiré-Muster unter Verwendung eines ortsauflösenden Lichtsensors erfasst wird. Die Auswertung des Moiré-Musters kann dann vollständig automatisiert von einer Auswerteeinrichtung übernommen werden, an welche die vom Lichtsensor aufgenommenen Bilddaten übermittelt werden.
-
Zur Erzeugung der ersten Intensitätsverteilung in der Objektebene kann ein Transmissions- oder Reflexionsstrichgitter in der Objektebene angeordnet sein, das zumindest entlang einer Richtung einen zumindest im wesentlichen periodisch variierenden Transmissions- bzw. Reflexionsgrad hat. Um Lichtverluste durch Absorption an dem Transmissions- oder Reflexionsstrichgitter zu vermeiden, kann die erste Intensitätsverteilung jedoch auch durch Interferenz erzeugt werden. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass beispielsweise zwei kohärente Lichtstrahlen, die sich in einem Winkel durchsetzen, eine periodisch variierende Intensitätsverteilung im Überschneidungsbereich erzeugen.
-
Erfindungsgemäß wird in der Bildebene ein Bild der ersten Intensitätsverteilung erzeugt, indem ein an dem Objekt winkelfest angeordneter Retroreflektor in den kollimierten Strahlengang eingeführt wird, der wenigstens einen Teil des auftreffenden Lichts unabhängig von der Winkellage des Objekts winkelerhaltend reflektiert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, in der Bildebene zusätzlich zum Lichtsensor ein Transmissionsstrichgitter anzuordnen.
-
Bei der Verwendung eines Retroreflektors kann die Planfläche als Teil des Retroreflektors ausgebildet sein. Ist der Retroreflektor beispielsweise als Prisma ausgebildet, so kann eine Lichteintrittsfläche des Prismas teilverspiegelt sein, so dass ein Teil des auftreffenden Lichts an dieser Fläche wie an einem Planspiegel reflektiert und der übrige Teil des Lichts nach Reflexion an den Schrägflächen des Prismas winkelerhaltend zurückgeworfen wird.
-
Der Retroreflektor ist dabei erfindungsgemäß so ausgebildet, dass er lediglich in einer Ebene Licht winkelerhaltend reflektiert und in einer dazu senkrechten Ebene als Planspiegel wirkt, wie dies beispielsweise bei einem 90°-Prisma der Fall ist.
-
Bei einer Ausbildung des Reflexionsprisma als 90°-Prisma ist es möglich, durch Auswertung des Planflächenreflexes und des Retroreflexes die Winkel bezüglich dreier orthogonaler Rotationsachsen, z. B. den Nick-, den Gier- und den Rollwinkel, zu bestimmen. Im Falle einer Rollbewegung um den Winkel α rotiert das vom Retroreflex erzeugte Bild um einen Winkel 2α, so dass auch kleinste Winkeländerungen sehr genau gemessen werden können.
-
Erfindungsgemäß umfasst die erste Intensitätsverteilung, die in der Objektebene des Autokollimators erzeugt wird, mindestens zwei streifenförmige und zumindest im wesentlichen periodische Intensitätsverteilungen, die sich so voneinander unterscheiden, dass bei ihrer Überlagerung ein Moiré-Muster entsteht und die zu beiden Seiten der optischen Achse des Autokollimators angeordnet sind. Da die vom Planflächenreflex und vom Retroreflex erzeugten Bilder zueinander spiegelverkehrt sind, entsteht dann in der Bildebene des Autokollimators eine Überlagerung der beiden streifenförmigen Intensitätsverteilungen mit unterschiedlichen Perioden, die zu der gewünschten Ausbildung des Moiré-Musters führt.
-
Erfindungsgemäß weist die erste Intensitätsverteilung, die in der Objektebene des Autokollimators erzeugt wird, zusätzlich mindestens eine Einzelstruktur oder eine nichtperiodische Anordnung mehrerer Einzelstrukturen, insbesondere ein Strichkreuz oder einen Kreis, auf. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur das Moiré-Muster, sondern zusätzlich Einzellinien oder sonstige Strukturen zur Winkelmessung zu verwenden. Dadurch lassen sich beispielsweise Mehrdeutigkeiten, die bei der Auswertung von Moiré-Mustern entstehen können, auflösen.
-
Bei einer beispielhaften Messanordnung ist das Objekt linearbeweglich auf einer Längsführung angeordnet. Der Rollwinkel ist dann bezüglich einer Achse definiert, die parallel zur Längsführung verläuft.
-
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die eingangs genannte Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 4 gelöst.
-
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile gelten hier entsprechend.
-
Die Abbildungsoptik kann dazu eingerichtet sein, die erste Intensitätsverteilung ins Unendliche abzubilden und von dem Objekt reflektiertes Licht in die Bildebene zu fokussieren.
-
Die erste Einrichtung kann ein in der Objektebene angeordnetes Transmissions- oder Reflexionsstrichgitter aufweisen, das zumindest entlang einer Richtung einen zumindest im wesentlichen periodisch variierenden Transmissions- bzw. Reflexionsgrad hat.
-
Zur Erzeugung der zweiten Intensitätsverteilung kann eine zweite Einrichtung vorgesehen sein, die ein in der Bildebene angeordnetes Transmissions- oder Reflexionsstrichgitter aufweist, das zumindest entlang einer Richtung einen zumindest im wesentlichen periodisch variierenden Transmissions- bzw. Reflexionsgrad hat.
-
Zur Erzeugung der zweiten Intensitätsverteilung ist eine zweite Einrichtung vorgesehen, die einen an dem Objekt winkelfest angeordneten Retroreflektor umfasst, der derart im kollimierten Strahlengang des Autokollimators angeordnet ist, dass er wenigstens einen Teil des auftreffenden Lichts unabhängig von der Winkellage des Objekts winkelerhaltend reflektiert.
-
Die Planfläche kann dabei Teil des Retroreflektors sein.
-
Ferner ist der Retroreflektor derart ausgebildet, dass er nur in einer Ebene auftreffendes Licht winkelerhaltend reflektiert und in einer dazu senkrechten Ebene als Planspiegel wirkt.
-
Der Retroreflektor kann als Reflexionsprisma und insbesondere als Tripelprisma oder 90°-Prisma ausgebildet sein.
-
Vor allem bei Verwendung eines 90°-Prismas ist es möglich, die Winkel bezüglich dreier orthogonaler Rotationsachsen zu bestimmen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
-
1 in einer perspektivischen Darstellung einen beispielhaften Messaufbau, in dem eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Winkelmessung verwendet wird;
-
2 einen Meridionalschnitt durch eine Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist;
-
3 eine Draufsicht auf eine in einer Objektebene des Autokollimators angeordnete erste Strichplatte;
-
4 eine Draufsicht auf eine in einer Bildebene des Autokollimators angeordnete zweite Strichplatte;
-
5 einen der 2 entsprechenden Meridionalschnitt, jedoch nach Rotation des zu vermessenden Objekts um eine Nickachse;
-
6 eine Überlagerung des Bildes der ersten Strichplatte mit der zweiten Strichplatte in der Bildebene des Autokollimators nach der in der 5 gezeigten Rotation;
-
7 eine der 6 entsprechende Darstellung, jedoch für den Fall einer Rotation des Objekts um eine Gierachse;
-
8 einen Meridionalschnitt durch eine Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem als Reflektor ein Tripelprisma verwendet wird und das ebenfalls nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist;
-
9 eine perspektivische Darstellung des Tripelprismas;
-
10 die in der 8 gezeigte Messvorrichtung nach Rotation des Objekts um die Nickachse;
-
11 einen Meridionalschnitt durch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem als Reflektor ein 90°-Prisma verwendet wird;
-
12 eine perspektivische Darstellung des 90°-Prismas;
-
13 eine Vorderansicht des in der 12 gezeigten 90°-Prismas;
-
14 eine Seitenansicht des in der 12 gezeigten 90°-Prismas;
-
15 eine Vorderansicht des 90°-Prismas nach dessen Rotation um die Nickachse;
-
16 eine Seitenansicht des 90°-Prismas nach dessen Rotation um die Nickachse;
-
17 eine Vorderansicht des 90°-Prismas nach dessen Rotation um die Gierachse;
-
18 eine Seitenansicht des 90°-Prismas nach dessen Rotation um die Gierachse;
-
19 eine perspektivische Darstellung des 90°-Prismas wie in der 12;
-
20 eine perspektivische Darstellung des 90°-Prismas nach dessen Rotation um die Rollachse;
-
21 eine Draufsicht auf das 90°-Prisma;
-
22 eine Draufsicht auf das 90°-Prisma nach dessen Rotation um 90° um die Rollachse;
-
23 eine Draufsicht auf eine in der Objektebene angeordnete Strichplatte;
-
24 das vom Planflächenreflex erzeugte Bild der Strichplatte bei einer Rotation des 90°-Prismas um die Nickachse;
-
25 das vom Retroreflex erzeugte Bild der Strichplatte nach einer solchen Rotation;
-
26 die Überlagerung der beiden in den 24 und 25 gezeigten Bilder;
-
27 das vom Planflächenreflex erzeugte Bild der Strichplatte bei einer Rotation des 90°-Prismas um die Gierachse;
-
28 das vom Retroreflex erzeugte Bild der Strichplatte nach einer solchen Rotation;
-
29 die Überlagerung der beiden in den 27 und 28 gezeigten Bilder;
-
30 das vom Planflächenreflex erzeugte Bild der Strichplatte bei einer Rotation des 90°-Prismas um die Rollachse;
-
31 das vom Retroreflex erzeugte Bild der Strichplatte nach einer solchen Rotation;
-
32 die Überlagerung der beiden in den 30 und 31 gezeigten Bilder;
-
33 ein Flussdiagramm zur Erläuterung wichtiger Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
-
1. Einführung
-
Die 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung beispielhaft einen Messaufbau, in der eine insgesamt mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Messvorrichtung Verwendung findet. Die Messvorrichtung 10 umfasst einen Autokollimator 12 und eine damit verbundene Auswerteeinrichtung 14, bei der es sich beispielsweise um einen geeignet programmierten Personalcomputer handeln kann. Bei dem dargestellten Messaufbau ist der Autokollimator an einem Ende einer geraden Führungsschiene 16 befestigt, auf der ein als Quader angedeutetes Objekt 18 entlang einer mit einem Doppelpfeil angedeuteten Längsrichtung 20 linear mit Hilfe eines nicht dargestellten Antriebs verfahrbar ist. Bei dem Objekt 18 kann es sich beispielsweise um ein Maschinenteil einer Präzisions-Werkzeugmaschine oder um eine Halterung für eine optische Komponente handeln, die zusammen mit der Führungsschiene 16 eine optische Bank bildet.
-
Auch bei sehr präzise ausgeführten Linearführungen bewegt sich das Objekt 18 während des Verfahrvorgangs jedoch nicht nur translatorisch, sondern nutzt auch die rotatorischen Freiheitsgrade. Jede beliebige Rotation lässt sich dabei als eine Überlagerung von Rotationen um drei zueinander orthogonale Rotationsachsen beschreiben. Rotationen um eine zur Längsrichtung 20 parallele Rollachse 22 werden dabei im Folgenden als Rollbewegungen, Rotationen um eine hierzu senkrechte und vertikal verlaufende Gierachse 24 als Gierbewegungen und Rotationen um eine zu beiden Achsen 22, 24 senkrechte Nickachse 26 als Nickbewegungen bezeichnet. Im Folgenden wird angenommen, dass die Rollachse 22, die Gierachse 24 und die Nickachse 26 parallel zur Z-, X- bzw. Y-Richtung eines Bezugssystems verlaufen, das durch die Lage des Autokollimators 12 vorgegeben ist.
-
Um etwaige Nick-, Gier- oder Rollbewegungen des Objekts 18 zu erfassen, muss jeweils der Winkel bestimmt werden, unter dem das Objekt 18 relativ zu der betreffenden Achse angeordnet ist. Zu diesem Zweck richtet der Autokollimator 12 ein Messlichtbündel 28 auf einen Reflektor 30, der winkelfest am Objekt 18 befestigt ist und ebenfalls Teil der Messvorrichtung 10 ist. Durch Erfassen der Richtung des Messlichts, das vom Reflektor 30 reflektiert wird, lassen sich die Winkel bezüglich der Gierachse 24 und der Nickachse 26 und bei geeigneter Auslegung des Reflektors 30 auch bezüglich der Rollachse 22 bestimmen.
-
Im Folgenden werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele für die Messvorrichtung 10 erläutert. Das erste und zweite Ausführungsbeispiel sind dabei nicht erfindungsgemäß.
-
2. Erstes Ausführungsbeispiel
-
Die 2 zeigt in einem schematischen Meridionalschnitt den Strahlengang des Autokollimators 12, in dem das Objekt 18 mit dem daran befestigten Reflektor 30 angeordnet ist. Der Autokollimator 12 enthält eine Lichtquelle 32, die mit Hilfe einer Kondensorlinse 34 ein Transmissionsstrichgitter gleichmäßig ausleuchtet, das als Strichplatte 36 ausgebildet ist. Wie die Draufsicht auf die Strichplatte 36 in der 3 zeigt, enthält die Strichplatte 36 einen sich entlang der X-Richtung erstreckenden ersten Streifen 38a, der durch eine Anordnung von parallelen und sich entlang der Y-Richtung erstreckenden Striche 40a gebildet wird. Die Striche 40a sind dabei entlang der X-Richtung periodisch mit einer Periode P1 angeordnet. Senkrecht zum ersten Streifen 38a erstreckt sich ein zweiter Streifen 42a, der sich von dem ersten Streifen 38a lediglich um eine Drehung um 90° unterscheidet.
-
Wie in der 2 erkennbar ist, erstreckt sich die erste Strichplatte 36 in einer Objektebene 44 des Autokollimators 12. Der Autokollimator 12 bildet die sich in der Objektebene 44 befindende und von der Lichtquelle 32 ausgeleuchtete erste Strichplatte 36 ins Unendliche ab. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Autokollimator 12 zu diesem Zweck lediglich eine einzige Kollimatorlinse 46, so dass deren Brennebene die Objektebene 44 bildet. Zwischen der ersten Strichplatte 36 und der Kollimatorlinse 46 ist eine Strahlteilerplatte 48 unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse der Kollimatorlinse 46 angeordnet, wodurch die von der ersten Strichplatte 36 ausgehenden Lichtbündel um 90° abgelenkt werden.
-
Infolge der Abbildung der ersten Strichplatte 36 ins Unendliche treten Lichtbündel, die von einzelnen Feldpunkten der Objektebene 44 ausgehen, aus einem Austrittsfenster 50 des Autokollimators 50 als parallele Strahlenbündel aus. Je weiter der betreffende Feldpunkt dabei von der optischen Achse OA des Autokollimators 12 entfernt liegt, desto größer ist der Winkel, den das jeweilige parallele Strahlenbündel zur optischen Achse OA einschließt. Winkeln im kollimierten Strahlengang sind somit umkehrbar eindeutig Orten in der Objektebene 44 und jeder hierzu optisch konjugierten Feldebene zugeordnet.
-
Das Messlichtbündel 28 wird an einer reflektierenden Planfläche 31 des am Objekt 18 befestigten Reflektors 30 reflektiert und gelangt über das Austrittsfenster 50 und die Kollimatorlinse 46 zurück in den Autokollimator 12. Ein Teil des an der Planfläche 31 reflektierten Messlichts durchtritt die Strahlteilerplatte 48 und trifft auf eine zweite Strichplatte 52. Diese ist, zusammen mit einem ortsauflösenden Lichtsensor 54, in einer Bildebene 56 angeordnet, die zu der Objektebene 44 optisch konjugiert ist. Bei dem Lichtsensor 54 kann es sich beispielsweise um einen CCD-Sensor, einen CMOS-Sensor oder um eine positionsempfindliche Diode (PSD, position sensitive diode) handeln. Die zweite Strichplatte 52 kann auch etwas vor der Bildebene 56 und somit leicht defokussiert angeordnet sein.
-
Die zweite Strichplatte 52, die in der 4 in Draufsicht gezeigt ist, ist im Prinzip genauso wie die erste Strichplatte 36 ausgebildet. Hiervon unterscheidet sie sich lediglich durch eine etwas andere Periode 22, mit der Striche 40b innerhalb von Streifen 38b, 42b angeordnet sind.
-
In der 2 sind mit durchgezogenen Linien Lichtstrahlen AL dargestellt, die von einem axialen Punkt in der Objektebene 44 ausgehen. Erstreckt sich die reflektierende Planfläche 31 des Reflektors 30 wie in der 2 gezeigt senkrecht zur optischen Achse OA des Autokollimators 12, so treffen diese Lichtstrahlen AL senkrecht auf die Planfläche 31 des Reflektors 30 und werden in sich zurückreflektiert, was durch Doppelpfeile in den Strahlen AL angedeutet ist. Die reflektierten Lichtstrahlen 58 vereinigen sich nach Fokussierung durch die Kollimatorlinse 46 und Durchtritt durch die Strahlteilerplatte 48 deswegen wieder in einem axialen Feldpunkt in der Bildebene 56 des Autokollimators 12.
-
Lichtstrahlen OAL, die von einem außeraxialen Feldpunkt in der Objektebene 44 ausgehen, treten zwar ebenfalls parallel aus der Kollimatorlinse 46 aus, jedoch unter einem Winkel zur optischen Achse OA, der umso größer ist, je weiter der betreffende Feldpunkt in der Objektebene 44 von der optischen Achse OA entfernt ist. Nach Reflexion an der Planfläche 31 des Reflektors 30 treffen die reflektierten Lichtstrahlen PR unter einem anderen Winkel auf die Kollimatorlinse 46 auf und vereinigen sich deswegen in der Bildebene 56 in einem außeraxialen Bildpunkt 64, dessen Lage von dem ortsauflösenden Lichtsensor 54 erfasst wird.
-
Die erste Strichplatte 36 wird somit über eine Reflexion an der winkelfest an dem Objekt 18 festgelegten Planfläche 31 des Reflektors 30 auf die Bildebene 56 abgebildet. Dort überlagert sich das Bild der ersten Strichplatte 36 mit einer Intensitätsverteilung, die von der zweiten Strichplatte 52 in der Bildebene 56 erzeugt wird. Durch die Überlagerung der beiden periodischen Intensitätsverteilungen mit unterschiedlicher Periode P1 bzw. P2 in der Bildebene 56 entsteht dort ein Moiré-Muster, das sich bei kleinsten relativen Verlagerungen der beiden periodischen Intensitätsverteilungen deutlich ändert. Wie aus den nachfolgenden Erläuterungen deutlich wird, lässt sich aus dem Moiré-Muster der Versatz des Bildes der ersten Strichplatte 36 relativ zu der feststehenden zweiten Strichplatte 52 ermitteln. Die Lage dieses Bildes ist ein absolutes Maß für den Winkel, unter dem die gegenüber dem Objekt 18 winkelfest festgelegte Planfläche 31 relativ zur Gierachse 24 und/oder zur Nickachse 26 angeordnet ist. Falls der Absolutwert des Winkels nicht von Interesse ist, so kann selbstverständlich auch nur die Winkeländerung aus dem Versatz des Bildes der Strichplatte 34 relativ zu der zweiten Strichplatte 52 bestimmt werden.
-
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 5 und 6 erläutert, wie sich das Moiré-Muster in der Bildebene 56 verändert, wenn das Objekt 18 um die zur Y-Richtung parallele Nickachse 26 rotiert.
-
Die 5 zeigt in einer an die 2 angelehnten Darstellung die Messvorrichtung 10, nachdem das Objekt 18 mit dem daran befestigten Reflektor 30 um die Nickachse 26 rotiert wurde. Die optischen Achse OA des Autokollimators 12 verläuft nun nicht mehr senkrecht zur Planfläche 31 des Reflektors 30, so dass auch die Lichtstrahlen AL des axialen Feldpunkts nicht mehr in sich reflektiert werden. Vielmehr treten die von der Planfläche 31 reflektierten Lichtstrahlen PR nun unter einem Winkel zur optischen Achse OA in die Kollimatorlinse 46 ein. Sie vereinigen sich deswegen in einem außeraxialen Feldpunkt in der Bildebene 56. Die Nickbewegung des Objekts 18 führt somit dazu, dass das Bild der ersten Strichplatte 36 in der Bildebene 56 sich entlang der X-Richtung verschiebt.
-
In der 6, welche die gesamte Intensitätsverteilung auf dem Lichtsensor 54 zeigt, lässt sich diese Verschiebung gut an den Bildern 40a' der Striche 40a erkennen, welche die sich entlang der Y-Richtung erstreckenden zweiten Streifen 42a der Strichplatte 36 bilden. Um die Verschiebung des Bildes der ersten Strichplatte 36 in der Bildebene 56 quantitativ genauer erfassen zu können, ist jedoch das Moiré-Muster besser geeignet, das durch Überlagerung des Bildes 38a' des entlang der X-Richtung verlaufenden ersten Streifens 38a der Strichplatte 36 mit dem ersten Streifen 38b der zweiten Strichplatte 52 erzeugt wird. Kleinste Änderungen der Bildlage schlagen sich dabei in einer deutlichen Veränderung des Moiré-Musters nieder. Im Wege an sich bekannter Auswertealgorithmen lässt sich aus dem Moiré-Muster mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen, um welchen Betrag das Bild der ersten Strichplatte 36 relativ zu der zweiten Strichplatte 52 in X-Richtung verschoben ist. Diese Auswertung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Auswerteeinrichtung 14 durchgeführt. Dadurch kann, ggf. nach einer vorher durchgeführten Kalibration, in Kenntnis der durch die Kollimatorlinse 46 erzeugten Abbildung direkt von dem Versatz des Bildes der ersten Strichplatte 36 relativ zur feststehenden zweiten Strichplatte 52 auf den Nickwinkel des Objekts 18 geschlossen werden.
-
Bei einer Rotation des Objekts 18 um die zur X-Richtung parallele Gierachse 24 wandert das Bild der ersten Strichplatte 36 in der Bildebene 56 entlang der Y-Richtung. Bei Verwendung eines zweidimensionalen Lichtsensors 54 kann somit sowohl der Winkel des Objekts 18 zur Nickachse 26 als auch zur Gierachse 24 berührungslos mit sehr hoher Genauigkeit gemessen werden.
-
2. Zweites Ausführungsbeispiel
-
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 8 bis 10 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung beschrieben, die insgesamt mit 210 bezeichnet ist und ebenfalls in der in der 1 gezeigten Messanordnung Verwendung finden kann.
-
Die 8 zeigt in einer an die 2 angelehnten Darstellung die Messvorrichtung 210. Der Autokollimator 212 der Messvorrichtung 210 unterscheidet sich von dem Autokollimator 12 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vor allem dadurch, dass als Reflektor ein Tripelprisma 230 verwendet wird. Wie in der perspektivischen Darstellung der 9 erkennbar ist, hat das Tripelprisma 230 eine Planfläche 231 sowie drei Flächen 233a, 233b, 233c, die zueinander jeweils einen Winkel von 90° einschließen. Die Flächen 233a, 233b und 233c sind somit wie die Flächen angeordnet, welche die Ecke eines Würfels definieren. Das Tripelprisma wird als Reflexionsprisma verwendet, bei dem Licht, das schräg auf die Flächen 233a, 233b, 233c auftrifft, im Wege der Totalreflexion reflektiert wird.
-
Die Planfläche 231 des Tripelprismas 230 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel teilverspiegelt, so dass sie einen bestimmten Anteil des auftreffenden Lichts, z. B. 50%, reflektiert. Für diesen Anteil des auftreffenden Lichts wirkt das Tripelprisma 230 wie die Planfläche 231 im ersten Ausführungsbeispiel. Der verbleibende Anteil des auf das Tripelprisma auftreffenden Lichts wird jeweils an zwei der drei geneigt zueinander angeordneten reflektierenden Flächen 233a, 233b, 233c reflektiert und tritt parallel zum einfallenden Licht aus dem Tripelprisma 230 aus. Das Tripelprisma 230 stellt somit für alle Richtungen innerhalb eines vorgegebenen Einfallswinkelbereichs einen Retroreflektor dar.
-
Im Folgenden wird das an der Planfläche 231 reflektierte Licht kurz als Planflächenreflex PR und das an den reflektierenden Flächen 33a, 33b, 33c reflektierte Licht als Retroreflex RR bezeichnet.
-
Während der Planflächenreflex PR bei einer Rotation des Tripelprismas 230 um die Gierachse 24 oder die Nickachse 26 seine Richtung verändert, bleibt die Richtung des Retroreflexes RR bei solchen Rotationen stets unverändert. Der Retroreflex RR erzeugt somit in der Bildebene 56 des Autokollimators 212 ein Bild der ersten Strichplatte 36, das unabhängig von der Winkelorientierung des Tripelprismas 230 ortsfest bleibt. In der 8 ist ein durch den Retroreflex RR erzeugter Bildpunkt dieses ortsfesten Bildes der ersten Strichplatte 36 mit 62 bezeichnet. Wie auch im Vergleich mit der 9 erkennbar ist, die das Objekt 18 nach einer Rotation um die zur Y-Richtung parallele Nickachse 26 zeigt, ändert sich die Lage des vom Retroreflex RR erzeugten Bildes nicht.
-
Der Autokollimator 212 gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel benötigt deswegen keine zweite Strichplatte 52 in der Bildebene 56, da die für die Erzeugung eines Moiré-Musters nötige ortsfeste periodische Intensitätsverteilung durch ein ortsfestes Bild der ersten Strichplatte 36 erzeugt wird. Das bewegliche Bild der ersten Strichplatte 36, welches die Information über die Winkelorientierung des Objekts 18 enthält, wird auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel vom Planflächenreflex PR erzeugt, der an der Planfläche 231 des Tripelprismas 230 entsteht.
-
In der 8 ist ein Bildpunkt des durch den Planflächenreflex PR erzeugten Bildes der ersten Strichplatte 36 mit 64 bezeichnet. Wie ein Vergleich mit der 10 zeigt, verlagert sich bei einer Nickbewegung des Objekts 18 dieser Bildpunkt 64 entlang der X-Richtung, während der vom Retroreflex RR erzeugte Bildpunkt 62 ortsfest bleibt. Die Lage des vom Planflächenreflex PR erzeugten Bildes relativ zu dem feststehenden Bild, das vom Retroreflex RR erzeugt wird, wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel durch die von der Auswerteeinrichtung 14 vorgenommene Auswertung des Moiré-Musters ermittelt, das durch die Überlagerung der beiden Bilder entsteht. Insoweit kann auf die Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit den 6 und 7 verwiesen werden.
-
4. Drittes Ausführungsbeispiel
-
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 11 bis 32 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung beschrieben, die insgesamt mit 310 bezeichnet ist.
-
Bei den Messvorrichtungen 10 und 210 gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen lassen sich nur Winkel bezüglich der Gierachse 24 und der Nickachse 26 messen. Denn rotiert das Objekt 18 um die zur Z-Richtung parallele Rollachse 22, während die Planfläche 31 des Reflektors 30 oder die Planfläche 210 des Tripelprismas 230 senkrecht zur optischen Achse OA des Autokollimators 12 bzw. 212 ausgerichtet bleibt, so verändert sich die Intensitätsverteilung auf dem Lichtsensor 54 nicht.
-
Mit der Messvorrichtung 310 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel hingegen lassen sich auch Winkel bezüglich der Rollachse 22 messen. Erreicht wird dies dadurch, dass anstelle des Tripelprismas 230 ein 90°-Prisma 330 verwendet wird. Wie im Folgenden näher erläutert wird, ändert sich dadurch die Intensitätsverteilung auf dem Lichtsensor 54 bei einer Rotation um die Rollachse 22.
-
Das 90°-Prisma 330 hat, wie am besten in der perspektivischen Darstellung der 12 erkennbar ist, eine teilreflektierende Planfläche 331 sowie zwei reflektierende Flächen 333a, 333b, an denen schräg einfallendes Licht totalreflektiert wird. Wie am besten in der 13 erkennbar ist, die eine Vorderansicht des 90°-Prismas 330 zeigt, schließen die beiden reflektierenden Flächen 333a, 333b einen Winkel von 90° und zur Planfläche 331 jeweils einen Winkel von 45° ein.
-
Wird das 90°-Prisma 330 wie in der 11 gezeigt am Objekt 18 befestigt, so wirkt es hinsichtlich der Richtung des Retroreflexes RR in der XZ-Ebene wie das Tripelprisma 230, das beim zweiten Ausführungsbeispiel als Reflektor verwendet wird. Nur in dieser Ebene reflektiert es somit auftreffendes Licht winkelerhaltend. Erkennbar ist dies am besten in der Vorderansicht der 13. Aus der Seitenansicht der 14 ergibt sich, dass in der hierzu orthogonalen YZ-Ebene das 90°-Prisma 330 hingegen wie ein Planspiegel wirkt.
-
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 15 und 22 erläutert, wie sich der Planflächenreflex PR und der Retroreflex RR verändert, wenn das 90°-Prisma 330 um die Nickachse 26, die Gierachse 24 oder die Rollachse 22 rotiert.
-
Die Vorderansicht bzw. Seitenansicht der 15 und 16 zeigen die Verhältnisse in der XZ-Ebene bzw. der YZ-Ebene bei einer Rotation des 90°-Prismas 330 um die zur Y-Richtung parallele Nickachse 26. Wie sich aus der 15, in der die ursprüngliche Orientierung des 90°-Prismas gestrichelt angedeutet ist, ergibt, wirkt sich eine solche Rotation nicht auf die Richtung des Retroreflexes RR aus. Die Richtung des Planflächenreflexes PR hingegen verändert sich in der durch einen kleinen Pfeil angedeuteten Weise so, dass das vom Planflächenreflex PR erzeugte Bild der Strichplatte 334 sich auf dem Lichtsensor 54 entlang der X-Richtung verlagert. Wie die Seitenansicht der 16 zeigt, wirkt sich eine solche Rotation in der YZ-Ebene weder auf den Planflächenreflex PR noch auf den Retroreflex RR aus.
-
Die 17 und 18 illustrieren die Verhältnisse bei einer Rotation des 90°-Prismas 330 um die zur X-Richtung parallele Gierachse 24. Wie die Vorderansicht der 17 zeigt, hat eine solche Rotation in der XZ-Ebene weder einen Einfluss auf die Richtung des Planflächenreflexes PR noch auf die Richtung des Retroreflexes RR. In der Seitenansicht der 18 ist jedoch erkennbar, dass in der YZ-Ebene sich sowohl die Richtung des Planflächenreflexes PR als auch die Richtung des Retroreflexes RR ändert. Diese Änderungen bewirken, dass die vom Planflächenreflex PR und vom Retroreflex RR erzeugten Bilder der Strichplatte 336 auf dem Lichtsensor 54 entlang der Y-Richtung wandert.
-
Die 19 bis 22 schließlich zeigen den Fall, dass das 90°-Prisma um die zur Z-Richtung parallele Rollachse 22 rotiert. Die 19 ist dabei identisch mit der 12, während die 20 das 90°-Prisma 330 in einer Lage nach einer kleinen Rotation um die Rollachse 22 zeigt. Bereits in dieser perspektivischen Darstellung ist erkennbar, dass der Planflächenreflex bei einer solchen Rotation nicht beeinflusst wird, wenn die Planfläche 331 senkrecht zur Rollachse 22 ausgerichtet ist. Deswegen bleibt auch das vom Planflächenreflex PR erzeugte Bild der Strichplatte 336 auf dem Lichtsensor 54 bei einer solchen Rotation unverändert.
-
Der Retroreflex hingegen vollzieht bei einer Drehung des 90°-Prismas 330 um den Winkel α eine Drehung um 2α um die Rollachse 22. Dies ist am besten in den 21 und 22 erkennbar, die das 90°-Prisma 330 in einer Draufsicht entlang der Z-Richtung in zwei um 90° verschiedenen Winkelorientierungen bezüglich der Rollachse 22 zeigen. Die dargestellte Drehung des 90°-Prismas 330 um 90° führt zu einer Ablenkung des Retroreflexes RR um 180°. Was die Drehung des Bildes um den doppelten Rollwinkel α betrifft, verhält sich das 90°-Prisma 330 insoweit ähnlich wie ein Dove-Prisma.
-
Folglich rotiert auch das vom Retroreflex RR erzeugte Bild der Strichplatte 336 auf dem Lichtsensor 54 um einen Winkel 2a, wenn das Objekt 18 mit dem daran befestigten 90°-Prisma 330 um den Winkel α um die Rollachse 22 rotiert.
-
Die nachfolgende Tabelle 1 fasst die Veränderungen der vom Planflächenreflex und vom Retroreflex erzeugten Bilder der Strichplatte
334 bei einer Nick-, Gier- und Rollbewegung des Objekts
18 zusammen:
| Bild erzeugt durch | Nickbewegung | Gierbewegung | Rollbewegung |
| – Planflächenreflex | Verlagerung X-Richtung | Verlagerung Y-Richtung | - |
| – Retroreflex | - | Verlagerung Y-Richtung | Drehung um 2α |
Tabelle 1
-
Die unterschiedlichen Verlagerungen und Drehungen der Bilder der Strichplatte 334, die vom Planflächenreflex PR und vom Retroreflex RR auf dem Lichtsensor 54 erzeugt werden, lassen sich relativ einfach voneinander unterscheiden und können bei geeigneter Auslegung der Strichplatte 336 dazu verwendet werden, die Winkel mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen, unter denen das Objekt 18 relativ zu der Rollachse 22, der Gierachse 24 und der Nickachse 26 angeordnet ist.
-
Die 23 zeigt in Draufsicht ein Beispiel für eine Strichplatte 336, die für die Messvorrichtung 310 besonders geeignet ist. Die Strichplatte 336 enthält einen ersten Streifen 338, dessen Striche 340 mit einer ersten Periode P1 voneinander beabstandet sind. Der erste Streifen 338 erstreckt sich dabei entlang der Y-Richtung und ist relativ weit von der durch die Mitte der Strichplatte 336 verlaufenden optischen Achse entfernt angeordnet. Ein zweiter Streifen 342 verläuft parallel hierzu und gleich weit von der Mitte der Strichplatte 336 entfernt. Der zweite Streifen 342 enthält Striche 340, die mit einer Periode P2 angeordnet sind, die von der Periode P1 verschieden ist. Außerdem enthält die Strichplatte 336 ein Strichkreuz 345 aus zwei Strichen, die sich in einem Winkel von ungleich 90° schneiden.
-
Die 24 zeigt das Bild 336P der Strichplatte 336 auf dem Lichtsensor 54, das durch den Planflächenreflex PR am 90° Prisma 330 erzeugt wird. Durch die Reflexion an der Planfläche 331 ist das Bild 336P der Strichplatte 336 spiegelsymmetrisch bezüglich der YZ-Ebene. Unterstellt wurde in der 24, dass das Objekt 18 mit dem 90°-Prisma 330 um die zur Y-Richtung parallele Nickachse 26 rotiert. Dadurch verlagert sich das vom Planflächenreflex PR erzeugte Bild 336P der Strichplatte 336 entlang der X-Richtung, wie dies oben mit Bezug auf die 15 und 16 erläutert wurde. In der 24 ist die Verlagerung um den Betrag dx durch einen Pfeil angedeutet.
-
Die 25 zeigt das Bild 336R der Strichplatte 336 auf dem Lichtsensor 54, das vom Retroreflex RR erzeugt wird. Bei einer Rotation des 90°-Prismas 330 um die Nickachse 26 verändert sich die Richtung des Retroreflexes RR nicht, weswegen das davon erzeugte Bild 336R ortsfest bleibt.
-
Die 26 zeigt die Überlagerung der in den 24 und 25 gezeigten Bilder 336P und 336R auf dem Lichtsensor 54. Da nur das vom Planflächenreflex PR erzeugte Bild 336P spiegelverkehrt ist, überlagern sich zu beiden Seiten der optischen Achse jeweils ein Bild 338P des ersten Streifens 338 und ein Bild 342R des zweiten Streifens 342, deren Striche mit unterschiedlichen Perioden P1 bzw. P2 angeordnet sind. Die durch die Überlagerung der Bilder 338R, 338P entstehenden Moiré-Muster zeigen hier keine Verlagerung eines der Bilder entlang der Y-Richtung an.
-
Die 27 bis 29 zeigen das durch den Planflächenreflex PR erzeugte Bild 336P, das durch den Retroreflex RR erzeugte Bild 336R und die Überlagerung dieser beiden Bilder 336P, 336R für den Fall einer Rotation des 90°-Prismas um die zur X-Richtung parallele Gierachse 24. In der 27 ist erkennbar, dass in diesem Fall das vom Planflächenreflex PR erzeugte Bild 336P sich um einen Betrag dy entlang der Y-Richtung verlagert, wie dies durch einen Pfeil angedeutet ist. Das gleiche gilt auch für das Bild 336R, das durch den Retroreflex RR auf dem Lichtsensor 54 erzeugt wird.
-
Bei der in 29 gezeigten Überlagerung der beiden Bilder 336P, 336R zeigen die Moiré-Muster, die durch die Überlagerung der Streifen 338, 342 entstehen, wiederum keinen relativen Versatz zwischen den beiden Bildern 336P, 336P entlang der Y-Richtung an, da beider Bilder 336P, 336P um den gleichen Betrag dy entlang der Y-Richtung verlagert werden.
-
Aus der Diskussion der 26 und 29, welche die Überlagerung der vom Planflächenreflex PR und vom Retroreflex RR erzeugten Bilder 336P, 336P zeigen, wurde deutlich, dass die Moiré-Muster bei diesem Ausführungsbeispiel nicht ausgewertet werden, um Informationen um die Verlagerungen dx oder dy zu ermitteln und damit auf die Nick- und Gierwinkel zu schließen. Die Bestimmung dieser Verlagerungen erfolgt vielmehr dadurch, dass die Positionen der Bilder 345P und 345R des Strichkreuzes 345 erfasst werden, die vom Planflächenreflex PR bzw. vom Retroreflex RR erzeugt werden. Der Nickwinkel lässt sich in der 26 aus dem Abstand der Bilder 345P, 345R des Strichkreuzes 345 ableiten. Der Gierwinkel hingegen ergibt sich aus der Y-Position der Bilder 345P, 345R des Strichkreuzes 345.
-
Die 30 bis 32 schließlich zeigen die vom Planflächenreflex PR bzw. vom Retroreflex RR erzeugten Bilder 336P, 336R der Strichplatte 334 auf dem Lichtsensor 54 sowie (32) die Überlagerung beider Bilder 336P, 336R für den Fall, dass das Objekt 18 zusammen mit dem 90°-Prisma 330 um die zur Z-Richtung parallele Rollachse 22 rotiert.
-
Wie oben mit Bezug auf die 19 bis 22 erläutert wurde, bleibt bei einer solchen Rotation das vom Planflächenreflex PR erzeugte und in der 30 gezeigte Bild 336P ortsfest. Das vom Retroreflex RR erzeugte Bild 336R hingegen rotiert bei einer Rotation um den Rollwinkel α um den Betrag 2α um die optische Achse. Bei sehr kleinen Winkeln α und in größerem Abstand von der optischen Achse lässt sich die Rotation des Bildes 336R durch eine gegensinnige Linearbewegung der Bilder 338R, 342R der Streifen 338, 342 entlang der Y-Richtung annähern, wie dies in der 31 durch Pfeile angedeutet ist. Den Betrag dieser sehr kleinen gegensinnigen Verlagerung entlang der Y-Richtung kann die Auswerteeinrichtung 14 mit hoher Genauigkeit durch Auswertung der dabei entstehenden Moiré-Muster ermitteln und daraus den Rollwinkel ableiten.
-
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Bilder 345P, 345R des Strichkreuzes 345 sich zwar im Prinzip ebenfalls bei einer Rotation um die Rollachse 22 um die optische Achse drehen, jedoch ist wegen des geringeren Abstands des Strichkreuzes 345 von der optischen Achse die Verlagerung geringer. Die Lage der Bilder 345P, 345R des Strichkreuzes 345 können aber ebenfalls vom Lichtsensor 54 erfasst werden, da sie bereits eine grobe Bestimmung des Rollwinkels ermöglichen. Diese relativ ungenauen Messwerte können dazu verwendet werden, Mehrdeutigkeiten auszuschließen, die bei einer alleinigen Auswertung des Moiré-Musters auftreten können.
-
Ein 90°-Prisma 330 kann, wenn die Planfläche 331 z. B. entspiegelt oder seitlich weggekippt ist, auch in der Messvorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden. Die Drehung des vom Retroreflex erzeugten Bildes lässt sich dann ebenfalls zur Bestimmung des Rollwinkels heranziehen. Eine Nickbewegung des Objekts 18, bei der das vom Retroreflex RR erzeugte Bild ortsfest bleibt, lässt sich in diesem Fall allerdings nicht vermessen.
-
5. Zusammenfassung wichtiger Verfahrensschritte
-
Im Folgenden wird auf die 33 Bezug genommen, die ein Flussdiagramm zeigt, in dem wichtige, aber nicht alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgeführt sind.
-
In einem ersten Schritt S1 wird ein Objekt, dessen Winkel in einem Bezugssystem gemessen werden soll, in einem kollimierten Strahlengang eines Autokollimators, dessen Orientierung in dem Bezugssystem bekannt ist, angeordnet.
-
In einem zweiten Schritt S2 wird eine erste zumindest im wesentlichen periodische Intensitätsverteilung in einer Objektebene des Autokollimators erzeugt.
-
In einem dritten Schritt S3 wird die erste Intensitätsverteilung in eine Bildebene des Autokollimators abgebildet, wobei die Abbildung über eine Reflexion an einer winkelfest an dem Objekt festgelegten Planfläche erfolgt.
-
In einem vierten Schritt S4 wird das Bild der ersten Intensitätsverteilung mit einer zweiten zumindest im wesentlichen periodischen Intensitätsverteilung überlagert.
-
In einem fünften Schritt S5 wird ein Moiré-Muster, das durch die Überlagerung im Schritt S4 entsteht, erfasst.
-
In einem sechsten Schritt wird der Winkel unter Verwendung des in Schritt S4 erfassten Moiré-Musters bestimmt.
