DE102011082112A1

DE102011082112A1 - Optische Positionsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102011082112A1
Application number: DE102011082112A
Authority: DE
Inventors: Florian Flossmann; Wolfgang Holzapfel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2012-05-16
Also published as: DE102010041330A1; JP6075938B2; CN102419440A; CN102419440B; JP2012068239A; US20120099118A1; US8619266B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmessvorrichtung mit einer Lichtquelle, einem im Raum beweglichen Messreflektor, einer Detektionseinheit sowie einer Lichtstrahl-Ablenkeinheit, über die mindestens ein von der Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel in Richtung des Messreflektors ausrichtbar ist. Die Lichtstrahl-Ablenkeinheit umfasst eine Kardan-Anordnung mit zwei Kardanrahmen, von denen ein erster Kardanrahmen um eine erste Drehachse motorisch verstellbar ist und ein zweiter Kardanrahmen im ersten Kardanrahmen um eine zur ersten Drehachse senkrecht orientierte zweite Drehachse motorisch verstellbar ist. Die beiden Drehachsen schneiden sich in einem ortsfesten Referenzpunkt, an dem ein Referenzreflektor angeordnet ist. An den Kardanrahmen sind mehrere Spiegel starr angeordnet, so dass über die Mehrzahl von Spiegeln das Strahlenbündel bei der Ausrichtung auf den Messreflektor um den ortsfesten Referenzpunkt schwenkbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmessvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Positionsmessvorrichtungen dienen dazu, die relative Position eines ortsfesten Punktes zu einem bewegten Punkt im Raum hochpräzise zu bestimmen, üblicherweise über Abstands- und/oder Winkelmessungen. Dem bewegten Punkt im Raum ist hierbei ein Messreflektor zugeordnet, auf den ein Strahlenbündel der optischen Positionsmessvorrichtung ausgerichtet und im Messungsverlauf nachgeführt wird. Über die derart gewonnenen Abstands- und/oder Winkelinformationen kann die Position des Messreflektors und damit die Position des bewegten Punkts im Raum bestimmt werden.
Eine gattungsgemäße optische Positionsmessvorrichtung ist aus der EP 0 919 830 B1 bekannt. Diese Vorrichtung weist eine Lichtquelle, einen ortsfesten Referenzreflektor, einen im Raum beweglichen Messreflektor, eine Detektionseinheit sowie eine Lichtstrahl-Ablenkeinheit auf. Über die Lichtstrahl-Ablenkeinheit ist ein von der Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel in Richtung des Messreflektors ausrichtbar. Hierzu umfasst die Lichtstrahl-Ablenkeinheit eine Schlitteneinheit, die um den kugelförmig ausgebildeten Referenzreflektor in einer Kardan-Anordnung verschwenkbar gelagert ist. Der Mittelpunkt des kugelförmigen Referenzreflektors stellt hierbei einen ortsfesten Referenzpunkt dar. Mit der Schlitteneinheit werden weiterhin auch die Lichtquelle, die Detektionseinheit sowie weitere Komponenten verschwenkt, die zur interferometrischen Abstandsmessung zwischen dem Referenzreflektor und dem Messreflektor benötigt werden. Als nachteilig an dieser bekannten Lösung erweist sich, dass mit der Schlitteneinheit auch zur interferometrischen Abstandsmessung erforderliche, massebehaftete Komponenten wie die Lichtquelle, die Detektionseinheit etc. um den ortsfesten Referenzpunkt mitverschwenkt werden müssen. Dies erhöht die Anforderungen an die Lagerung der Schlitteneinheit erheblich.
Wird in einer derartigen Vorrichtung alternativ vorgesehen, die Lichtquelle und/oder die Detektionseinheit außerhalb der Schlitteneinheit anzuordnen und die Lichtbündel jeweils über optische Fasern zu übertragen, so ergeben sich weitere Probleme. Diese werden dadurch verursacht, dass derartige optische Fasern lediglich einen bestimmten Biegeradius zulassen. Als Folge der lediglich relativ großen zulässigen Biegeradien resultiert eine erhebliche Vergrößerung des Bauraums einer solchen Vorrichtung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Positionsmessvorrichtung zu schaffen, die eine möglichst einfach und kompakt aufgebaute Lichtstrahl-Ablenkeinheit aufweist, über die ein Strahlenbündel auf einen Messreflektor ausgerichtet wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Positionsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen optischen Positionsmessvorrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße optische Positionsmessvorrichtung weist eine Lichtquelle, einen im Raum beweglichen Messreflektor, eine Detektionseinheit sowie eine Lichtstrahl-Ablenkeinheit auf, über die mindestens ein von der Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel in Richtung des Messreflektors ausrichtbar ist. Die Lichtstrahl-Ablenkeinheit umfasst eine Kardan-Anordnung mit zwei Kardanrahmen, von denen ein erster Kardanrahmen um eine erste Drehachse motorisch verstellbar ist und ein zweiter Kardanrahmen im ersten Kardanrahmen um eine zur ersten Drehachse senkrecht orientierte zweite Drehachse motorisch verstellbar ist. Die beiden Drehachsen schneiden sich in einem ortsfesten Referenzpunkt, an dem ein Referenzreflektor angeordnet ist. An den Kardanrahmen sind mehrere Spiegel starr angeordnet, so dass über die Mehrzahl von Spiegeln das Strahlenbündel bei der Ausrichtung auf den Messreflektor um den ortsfesten Referenzpunkt schwenkbar ist.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass

– das Strahlenbündel entlang der ersten Drehachse des ersten Kardanrahmens einfällt,
– durch den ersten Spiegel im Strahlengang eine Ablenkung des Strahlenbündels weg von der ersten Drehachse erfolgt,
– durch den letzten Spiegel im Strahlengang, der mit der ersten Drehachse verbunden ist, eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels in Richtung der zweiten Drehachse des zweiten Kardanrahmens erfolgt und
– durch den letzten Spiegel im Strahlengang, der mit der zweiten Drehachse verbunden ist, eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels in Richtung des ortsfesten Referenzpunktes erfolgt.

Mit Vorteil ist die Lichtquelle ruhend angeordnet und ein von der Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel über die Lichtstrahl-Ablenkeinheit dem Messreflektor zuführbar.
Ebenso ist vorteilhaft, wenn die Detektionseinheit ruhend angeordnet ist und die vom Referenzreflektor und vom Messreflektor zurückreflektierten Strahlenbündel der Detektionseinheit zuführbar sind.
Es ist möglich, dass der Referenzreflektor als kugelsymmetrischer Retroreflektor oder als Tripelprisma oder als Tripelspiegel ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der erste Kardanrahmen mit einem ersten Antrieb gekoppelt und der zweite Kardanrahmen mit einem zweiten Antrieb gekoppelt.
Dabei kann vorgesehen werden, dass die Antriebe jeweils als Piezo-Direktantriebe ausgebildet sind.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass

– ein erster Spiegel in einem Lichteintrittsbereich der Lichtstrahl-Ablenkeinheit am ersten Kardanrahmen auf der ersten Drehachse angeordnet ist,
– ein zweiter Spiegel im Lagerbereich des zweiten Kardanrahmens zentrisch zur zweiten Drehachse am ersten Kardanrahmen angeordnet ist,
– ein dritter Spiegel zentrisch zur zweiten Drehachse am zweiten Kardanrahmen angeordnet ist und
– ein vierter Spiegel am zweiten Kardanrahmen außerhalb der zweiten Drehachse angeordnet ist.

Es ist ferner möglich, dass

– dem ersten Kardanrahmen mindestens zwei Spiegel zugeordnet sind, wobei der erste dieser Spiegel im Strahlengang auf der ersten Drehachse angeordnet ist und der letzte dieser Spiegel im Strahlengang außerhalb der ersten Drehachse auf der zweiten Drehachse angeordnet ist und
– dem zweiten Kardanrahmen mindestens zwei Spiegel zugeordnet sind, wobei der erste dieser Spiegel im Strahlengang auf der zweiten Drehachse angeordnet ist und der letzte dieser Spiegel im Strahlengang außerhalb der zweiten Drehachse angeordnet ist.

Hierbei kann der im Strahlengang letzte Spiegel auf dem ersten Kardanrahmen an einem Ort auf der zweiten Drehachse des zweiten Kardanrahmens angeordnet und so orientiert sein, dass darüber eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels entlang der zweiten Drehachse erfolgt.
Desweiteren kann hierbei vorgesehen werden, dass

– sämtliche Spiegel im Strahlengang mit Ausnahme des letzten Spiegels am zweiten Kardanrahmen derart orientiert angeordnet sind, dass darüber jeweils eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels in Richtung des jeweils nachfolgenden Spiegels im Strahlengang erfolgt und
– der letzte Spiegel am zweiten Kardanrahmen derart orientiert angeordnet ist, dass darüber eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels in Richtung des ortsfesten Referenzpunkts erfolgt.

Mit Vorteil ermöglicht

– der erste Antrieb (43) eine Drehung des ersten Kardanrahmens (41) um die erste Drehachse (A1) um mindestens 360° und
– der zweite Antrieb (44) eine Drehung des zweiten Kardanrahmens (42) um die zweite Drehachse (A2) um mindestens 90°.

Schließlich kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung

– die Detektionseinheit ein Sensorelement umfassen, welches die laterale Abweichung des vom Messreflektor zurückreflektierten Strahlenbündels vom ortsfesten Referenzpunkt erfasst und in ein Abweichungs-Signal umsetzt und
– eine Steuer- und Auswerteeinheit derart ausgebildet sein, dass über das Abweichungs-Signal Ansteuersignale für die ersten und zweiten Antriebe erzeugbar sind, um durch Verstellen des ersten und/oder zweiten Kardanrahmens um die erste und/oder zweite Drehachse die laterale Abweichung zu minimieren.

Als besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen optischen Positionsmessvorrichtung ist anzuführen, dass die Masse der bewegten Komponenten der Lichtstrahl-Ablenkeinheit deutlich verringert werden kann. Mit den beweglichen Kardanrahmen der vorgesehenen Kardan-Anordnung müssen lediglich klein-bauende und leichte Spiegel verschwenkt werden. Hierbei können einfache, ebene Spiegel zum Einsatz kommen, die preisgünstig zu beziehen sind. Aufgrund der geringeren bewegten Massen lassen sich somit auch die Anforderungen an die Lager der beweglichen Komponenten der Lichtstrahl-Ablenkeinheit deutlich senken. Es resultieren verringerte Herstellkosten für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Desweiteren entfällt die Notwendigkeit der Verwendung von optischen Fasern zur Übertragung von Lichtbündeln zur bzw. von der Lichtstrahl-Ablenkeinheit. Die damit verbundenen Einschränkungen hinsichtlich der Baugröße lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermeiden, d. h. diese kann kompakt bauend ausgeführt werden.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren.
Es zeigt hierbei
1 eine schematisierte Gesamtdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Positionsmessvorrichtung;
2a, 2b je eine räumliche Ansicht von Teilen der Lichtstrahl-Ablenkeinheit der erfindungsgemäßen optischen Positionsmessvorrichtung aus 1 für unterschiedliche Positionen des Messreflektors;
3 eine Darstellung der Lichtstrahl-Ablenkeinheit aus den 2a, 2b und des damit abrasterbaren Raumbereichs;
4 eine Ansicht einer Ebene, die vom abgelenkten Strahlenbündel beaufschlagbar ist.
In 1 ist in stark schematisierter Form ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Positionsmessvorrichtung dargestellt. Gezeigt sind in der Figur hierbei lediglich einige Funktionsblöcke der Gesamtvorrichtung, detailliert wird anhand der restlichen Figuren nachfolgend insbesondere die Lichtstrahl-Ablenkeinheit beschrieben.
Die erfindungsgemäße optische Positionsmessvorrichtung umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle 10, eine Strahltrennungseinheit 20, einen ortsfesten Referenzreflektor 30, eine Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40, einen im Raum beweglichen Messreflektor 50, eine Detektionseinheit 60 sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit 70.
Das von einer Lichtquelle 10, beispielsweise ausgebildet als Laser, emittierte Strahlenbündel S passiert zunächst unverändert die Strahltrennungseinheit 20. Diese kann beispielsweise als Polarisationsstrahlteiler mit zugeordneter Lambda/4-Verzögerungsplatte ausgebildet sein.
Anschließend trifft das Strahlenbündel S in der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 auf einen dort zentral angeordneten Referenzreflektor 30. Vom Referenzreflektor 30 wird ein Teil des einfallenden Strahlenbündels S, nämlich als Strahlenbündel S_R, entgegengesetzt zur Einfallsrichtung wieder zur Strahltrennungseinheit 20 zurückreflektiert. Über das zurückreflektierte Strahlenbündel S_R wird somit der Referenzarm für die vorgesehene interferometrische Abstandsmessung ausgebildet. Der Referenzreflektor 30 ist wie in 1 angedeutet in einer bevorzugten Ausführungsform als kugelsymmetrischer Referenzreflektor mit retroreflektierenden Eigenschaften ausgeführt. Hierbei wird zumindest ein Teil des auf ihn einfallenden Strahlenbündels S auf eine reflektierende Kugelinnenfläche fokussiert und von dort in die Richtung des einfallenden Strahlenbündels S als Referenzstrahlenbündel S_R zurückreflektiert. Das Zentrum des kugelförmigen Referenzreflektors 30 fällt hierbei mit einem ortsfesten Referenzpunkt R zusammen. Der nicht vom Referenzreflektor 30 reflektierte Teil des einfallenden Strahlenbündels S propagiert als Strahlenbündel S_M weiter in Richtung des Messsreflektors 50 und bildet somit den Messarm für die interferometrische Abstandsmessung aus.
In einer möglichen Variante besteht der kugelförmige Referenzreflektor 30 der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einer halbseitig mit einem reflektierenden Material beschichteten transparenten Kugel, wobei das Kugelmaterial den Brechungsindex n = 2 aufweist. Diesbezüglich sei auf die Veröffentlichung „Whole-viewing-angle cat's eye retroreflector as a target of Zaser trackers", Toshiyuki Takatsuji et al., 1999, Meas. Sci. Technol. 10 N87 verwiesen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann der Referenzreflektor 30 auch als Tripelspiegel oder als Tripelprisma ausgebildet werden.
Darüberhinaus kommen für den Referenzreflektor 30 natürlich noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten in Betracht. Im Hinblick auf die optische Funktion des Referenzreflektors 30 ist lediglich erforderlich, dass darüber ein Teil des einfallenden Strahlenbündels S wieder in Richtung der Strahltrennungseinheit 20 zurückreflektiert wird.
Das jeweilige Zentrum des Referenzreflektors 30 sei wie bereits oben erwähnt nachfolgend auch als ortsfester Referenzpunkt R bezeichnet.
Das den Messarm ausbildende Strahlenbündel S_M wird über die Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 in Richtung des im Raum beweglichen Messreflektors 50 abgelenkt bzw. ausgerichtet. Die hierzu vorgesehene konkrete Ausbildung der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 wird im Verlauf der weiteren Beschreibung noch im Detail erläutert. Die Ausrichtung des Strahlenbündels S_M auf den Messreflektor 50 erfolgt über die Lichtstrahl-Ablenkeinheit derart, dass das Strahlenbündel S_M dabei stets um den ortsfesten Referenzpunkt R geschwenkt wird.
Vom Messreflektor 50 wird das darauf einfallende Strahlenbündel S_M entgegengesetzt zur Einfallsrichtung zurückreflektiert und gelangt über die Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 wieder auf die Strahltrennungseinheit 20. Der Messreflektor 50 ist dabei demjenigen Punkt im Raum zugeordnet, dessen Position über die erfindungsgemäße optische Positionsmesseinrichtung zu erfassen ist. Als Messreflektor 50 kommen die gleichen Varianten retroreflektierender optischer Elemente in Betracht wie im Fall des Referenzreflektors 30, also z. B. kugelförmige Messreflektoren, Tripelspiegel oder Tripelprismen etc..
Zusammen mit dem ebenfalls auf die Strahltrennungseinheit 20 zurückreflektierten Strahlenbündel S_R aus dem Referenzarm propagiert schließlich das Strahlenbündel S_M des Messarms in Richtung der Detektionseinheit 60. Dort resultiert im Fall einer relativ-messenden Interferometervariante bei Änderungen des Abstands zwischen dem ortsfesten Referenzreflektor 30 bzw. dem Referenzpunkt R und dem im Raum beweglichen Messreflektor 50 ein Interferenzsignal, das ein Maß für die erfolgte Abstandsänderung darstellt. Die Detektionseinheit 60 umfasst zur Detektion vorzugsweise mehrere elektrooptische Detektorelemente, über die mehrere phasenverschobene Interferenzsignale erfassbar sind.
Die über die Detektionseinheit 60 erzeugten Interferenzsignale werden von einer nachgeordneten Steuer- und Auswerteeinheit 70 weiterverarbeitet. Diese kann etwa als geeigneter Rechner ausgebildet sein, über den die Verrechnung der Interferenzsignale und die Bestimmung des Abstands und/oder die Bestimmung von Abstandsänderungen zwischen dem Referenzreflektor 30 bzw. dem Referenzpunkt R und dem Messreflektor 50 erfolgt.
Grundsätzlich können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterschiedliche interferometrische Messprinzipien zum Einsatz kommen. Beispielsweise sind sowohl relativ-messende Prinzipien geeignet, die lediglich Abstandsänderungen erfassen oder aber absolut-messende Prinzipien, die die unmittelbare Bestimmung des Abstands zwischen dem Referenzreflektor 30 bzw. dem Referenzpunkt R und dem Messreflektor 50 ermöglichen. Aus der Messung mehrerer Abstände, Abstandsänderungen und/oder Winkel kann mit Hilfe der Steuer- und Auswerteeinheit 70 die dreidimensionale Position des Messreflektors bzw. des interessierenden Raumpunktes bestimmt werden.
Neben der Abstands- und ggf. Positionsbestimmung übernimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 70 desweiteren die Regelung von – nicht in 1 dargestellten – Antrieben der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40, um derart das Strahlenbündel S_M im Messarm dem im Raum beweglichen Messreflektor 50 nachzuführen. Hierzu umfasst die Detektionseinheit 60 mindestens ein – nicht dargestelltes – Sensorelement, welches die ggf. vorliegende laterale Abweichung des vom Messreflektor 50 zurückreflektierten Strahlenbündels S_M vom ortsfesten Referenzpunkt R erfasst und in ein Abweichungs-Signal umsetzt. Die Steuer- und Auswerteeinheit 70 ist derart ausgebildet, dass über das Abweichungssignal Ansteuersignale für die Antriebe der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 erzeugbar sind, um derart die erfasste laterale Abweichung zu minimieren und so das Strahlenbündel S_M im Messarm dem Messreflektor 50 im Raum nachzuführen.
Anhand der weiteren Figuren wird nunmehr nachfolgend eine vorteilhafte Variante der Lichtstrahl-Ablenkeinheit der erfindungsgemäßen optischen Positionsmessvorrichtung beschrieben. Die 2a und 2b zeigen je eine räumliche Ansicht von Teilen einer derartigen Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40, wie sie in der erfindungsgemäßen optischen Positionsmessvorrichtung aus 1 eingesetzt werden kann. Die beiden 2a und 2b unterscheiden sich hierbei in der Ausrichtung des davon ausgelenkten Strahlenbündels S_M im Messarm, welches in Richtung des – in diesen Figuren nicht dargestellten – Messreflektors propagiert.
Die Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst eine Kardan-Anordnung mit einem ersten Kardanrahmen 41 und einem zweiten Kardanrahmen 42. Der erste Kardanrahmen 41 ist über den Antrieb 43 um eine erste Drehachse A1 motorisch verstellbar, respektive verschwenkbar. Der zweite Kardanrahmen 42 ist über den Antrieb 44 im ersten Kardanrahmen 41 um eine zweite Drehachse A2 motorisch verstellbar. Vorzugsweise sind die beiden, mit den Kardanrahmen 41, 42 gekoppelten Antriebe 43, 44 als Piezo-Direktantriebe ausgebildet. Die Drehachsen A1, A2 der beiden Kardanrahmen 41, 42 sind senkrecht zueinander orientiert und schneiden sich wie ersichtlich im ortsfesten Referenzpunkt R, an dem wie oben erläutert der Referenzreflektor angeordnet ist. Letzterer ist in den 2a, 2b schematisiert als kleine Kugel im Strahlengang dargestellt.
An den beiden Kardanrahmen 41, 42 sind im vorliegenden Beispiel insgesamt vier Spiegel 45.1–45.4, ausgebildet als einfache Planspiegel, starr angeordnet. Zur genauen Platzierung derselbigen sei auf die nachfolgende Beschreibung verwiesen. Das in 2a von links entlang der ersten Drehachse A1 einfallende Strahlenbündel S_M wird über die verschiedenen Spiegel 45.1–45.4 der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 dergestalt umgelenkt, so dass dieses Strahlenbündel S_M bei der Ausrichtung auf den Messreflektor stets um den ortsfesten Referenzpunkt R geschwenkt wird. Unabhängig von der Position des Messreflektors im Raum überstreicht somit das darauf ausgerichtete Strahlenbündel S_M aufgrund der gewählten Ausbildung der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 immer den ortsfesten Referenzpunkt R. Dies soll anhand der beiden 2a und 2b veranschaulicht werden, in denen das Strahlenbündel S_M jeweils auf unterschiedliche Positionen im Raum ausgerichtet ist. In beiden Fällen wird das Strahlenbündel S_M bei der Ausrichtung auf unterschiedliche Raumpositionen des Messreflektors wie ersichtlich um den ortfesten Referenzpunkt R geschwenkt.
Über das definierte Verstellen bzw. Verschwenken der beiden Kardanrahmen 41, 42 um die beiden Drehachsen A1, A2 kann das Strahlenbündel S_M demzufolge auf den im Raum beweglichen Messreflektor ausgerichtet und diesem nachgeführt werden. Auf diese Art und Weise ist eine hochgenaue interferometrische Abstandsmessung zwischen beliebigen Punkten im Raum und dem ortsfesten Referenzpunkt R möglich.
Aufgrund der Ausbildung der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 ist es nunmehr möglich, dass die – in den 2a, 2b nicht dargestellte – Lichtquelle als auch die Detektionseinheit ruhend bzw. stationär angeordnet werden kann. Nach der erfolgten Aufspaltung in die Strahlenbündel S_R, S_M am Referenzreflektor 30 und der nachfolgenden Retroreflexion der Strahlenbündel S_M, S_R am Referenzreflektor und am Messreflektor werden diese schließlich über die Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 der Detektionseinheit zugeführt. Sowohl die Zuführung der Strahlenbündel S_M, S_R zur Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 als auch die Zuführung der reflektierten Strahlenbündel S_M, S_R zur stationären Detektionseinheit erfolgt wie aus den 2a, 2b ersichtlich entlang der ersten Drehachse A1 des ersten Kardanrahmens 41. Aufgrund der ruhenden Anordnung der Lichtquelle und der Detektionseinheit lässt sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Masse der beweglichen Komponenten in der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 deutlich verringern.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist innerhalb der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 lediglich der weitere Strahlengang desjenigen Strahlenbündels S_M dargestellt, über das der Messarm ausgebildet wird und welches auf den Messreflektor auszurichten ist. Zumindest das Strahlenbündel S_M erfährt demnach die nachfolgend erläuterten Ablenkwirkungen innerhalb der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40.
Die Strahlenbündel S_M, S_R fallen – wie aus den 2a, 2b ersichtlich – im dargestellten Ausführungsbeispiel entlang der ersten Drehachse A1 des ersten Kardanrahmens 41 in die Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 ein. Im Lichteintrittsbereich der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 ist ein erster Spiegel 45.1 am ersten Kardanrahmen 41 auf der ersten Drehachse A1 starr angeordnet. Über den ersten Spiegel 45.1 im Strahlengang erfolgt eine Ablenkung der darauf einfallenden Strahlenbündel S_M, S_R weg von der ersten Drehachse A1 in Richtung eines zweiten Spiegels 45.2 außerhalb der ersten Drehachse A1.
Der zweite Spiegel 45.2 ist im Lagerbereich des zweiten Kardanrahmens 42 zentrisch zur zweiten Drehachse A2 am ersten Kardanrahmen 41 starr angeordnet. Der Spiegel 45.2 verdreht sich somit nicht um die zweite Drehachse A2, wenn der zweite Kardanrahmen 42 verschwenkt wird. Über den zweiten Spiegel 45.2 erfolgt eine Ablenkung der darauf einfallenden Strahlenbündel S_M, S_R in Richtung der zweiten Drehachse A2 bzw. in Richtung des dritten Spiegels 45.3. Grundsätzlich ist der im Strahlengang letzte Spiegel 45.2 am ersten Kardanrahmen 41 an einem Ort auf der zweiten Drehachse A2 des zweiten Kardanrahmens 42 angeordnet und so orientiert, dass darüber eine Ablenkung der darauf einfallenden Strahlenbündel S_M, S_R entlang der zweiten Drehachse A2 erfolgt.
Der dritte Spiegel 45.3 ist am zweiten Kardanrahmen 42 zentrisch zur zweiten Drehachse A2 angeordnet. Im Fall der Rotation des zweiten Kardanrahmens 42 um die zweite Drehachse A2 rotiert der dritte Spiegel 45.3 demzufolge mit um die zweite Drehachse A2. Über den dritten Spiegel werden die darauf einfallenden Strahlenbündel S_M, S_R schließlich in Richtung eines vierten Spiegels 45.4 abgelenkt.
Der vierte Spiegel 45.4 ist außerhalb der zweiten Drehachse A2 starr am zweiten Kardanrahmen 42 angeordnet. Über den vierten Spiegel 45.2 erfolgt schließlich eine Ablenkung der darauf einfallenden Strahlenbündel S_M, S_R in Richtung des ortsfesten Referenzpunktes R.
Bei der Anordnung der verschiedenen Spiegel 45.1–45.4 an den beiden Kardanrahmen 41, 42 ist zu beachten, dass sämtliche Spiegel 45.1–45.3 im Strahlengang mit Ausnahme des letzten Spiegels 45.4 am zweiten Kardanrahmen 42 derart orientiert angeordnet sind, dass darüber jeweils eine Ablenkung der darauf einfallenden Strahlenbündel S_M, S_R in Richtung des jeweils nachfolgenden Spiegels im Strahlengang erfolgt. Der letzte Spiegel 45.4 am zweiten Kardanrahmen 42 ist hingegen derart orientiert angeordnet, dass darüber eine Ablenkung der darauf einfallenden Strahlenbündel S_M, S_R in Richtung des ortsfesten Referenzpunkts R erfolgt.
Über diese Anordnung der verschiedenen Spiegel 45.1–45.4 an den beiden motorisch verstellbaren Kardanrahmen 41, 42 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel sichergestellt, dass bei der Ausrichtung des Strahlenbündels S_M auf den Messreflektor dieses Strahlenbündel S_M stets um den ortsfesten Referenzpunkt R geschwenkt wird. In jeder vom Strahlenbündel S_M erreichbaren Raumposition des Messreflektors überstreicht das Strahlenbündel S_M des Messarms somit den Referenzpunkt R. Die Ausrichtung und Nachführung des Strahlenbündels S_M in Bezug auf den Messreflektor erfolgt in der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 hierbei durch die definierte Verstellung der beiden Kardanrahmen 41, 42 mit Hilfe der beiden Antriebe 43, 44. Hierzu werden die Antriebe 43, 44 mit entsprechenden Ansteuersignalen von der Steuer- und Auswerteeinheit beaufschlagt.
Anhand der 3 und 4 sei nachfolgend erläutert, wie über die definierte Verstellung der beiden Kardanrahmen 41, 42 das Strahlenbündel S_M auf den im Raum beweglichen Messreflektor ausgerichtet werden kann. Hierbei zeigt 3 eine räumliche Darstellung der vorab beschriebenen Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 sowie eine Ebene, die vom Strahlenbündel S_M über die entsprechende Verdrehung der beiden Kardanrahmen 41, 42 abgerastert bzw. abgetastet werden kann. In 4 ist eine zweidimensionale Ansicht dieser Ebene mit mehreren Abtastbahnen bzw. Abtastmustern gezeigt, die mit Hilfe der Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 gemäß den 2a, 2b realisierbar sind. Die Bezugszeichen in 3 wurden identisch zu denjenigen aus den 2a, 2b gewählt.
Wie aus 3 hervorgeht, ermöglicht die Lichtstrahl-Ablenkeinheit 40 die Ausrichtung des Strahlenbündels S_M in der eingezeichneten Schnittebene in einem kreisförmigen Abtastbereich 100. An jeder Position in diesem Abtastbereich 100 kann der Messreflektor angeordnet werden und durch die entsprechende Verstellung der beiden Kardanrahmen 41, 42 um die beiden Drehachsen A1, A2 das Strahlenbündel S_M auf die jeweilige Position gerichtet werden.
Gemäß 4 wird über den Verstellwinkel Δα_A2 des zweiten Kardanrahmens 42 um die zweite Drehachse A2 der Abstand des Auftreffpunkts des in dieser Ebene auftreffenden Strahlenbündels SM vom Kreiszentrum Z eingestellt.
Die azimutale Winkellage dieses Auftreffpunkts in der Ebene bezüglich einer Bezugsrichtung wird über den Verstellwinkel Δα_A1, des ersten Kardanrahmens 41 um die erste Drehachse A1 eingestellt.
Durch definiertes Verstellen der beiden Kardanrahmen 41, 42 um die erste und zweite Drehachse A1, A2 lässt sich somit jeder Punkt des kreisförmigen Abtastbereich 100 über das Strahlenbündel S_M in dieser Schnittebene erreichen. Zur vollständigen Abdeckung dieses Abtastbereichs ist in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass der erste Antrieb 43 eine Drehung des ersten Kardanrahmens 41 um die erste Drehachse A1 um mindestens 360° ermöglicht und der zweite Antrieb 44 eine Drehung des zweiten Kardanrahmens 42 um die zweite Drehachse A2 um mindestens 90°. Grundsätzlich können jedoch auch andere Verschwenkbereiche der Kardanrahmen 41, 42 vorgesehen sein; der dann abzurasternde Abtastbereich verkleinert sich dann ggf..
Neben dem konkret beschriebenen Ausführungsbeispiel gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch alternative Ausführungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße optische Positionsmessvorrichtung.
So kann das erläuterte Beispiel einer Lichtstrahl-Ablenkeinheit etwa in Bezug auf die Zahl der verwendeten Spiegel abgewandelt werden. Beispielsweise ist es möglich, dass zur Umlenkung des Strahlenbündels pro Kardanrahmen auch mehr als lediglich zwei Spiegel vorgesehen werden. insbesondere kann hierbei vorgesehen werden, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel 45.1, 45.2 am ersten Kardanrahmen 41 noch weitere Spiegel platziert werden; ebenso ist es möglich, dass im Strahlengang zwischen dem dritten und dem vierten Spiegel 45.3, 45.4 am zweiten Kardanrahmen noch zusätzliche Spiegel angeordnet sind.
Desweiteren ist es möglich, die zur Strahlablenkung bevorzugt verwendeten Spiegel durch alternative optische Bauelemente zu ersetzen, die zur Strahlablenkung geeignet sind. Denkbar wären etwa entsprechend ausgebildete Prismen, Reflexions- oder Transmissionsgitter, Keilplatten oder Kombinationen derartiger Bauelemente.
Ferner kann vorgesehen werden, auf ein oder mehreren Spiegeln Blenden anzuordnen, die den Querschnitt des darauf einfallenden Strahlenbündels geeignet begrenzen usw..
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0919830 B1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Whole-viewing-angle cat's eye retroreflector as a target of Zaser trackers”, Toshiyuki Takatsuji et al., 1999, Meas. Sci. Technol. 10 N87 [0033]

Claims

Optische Positionsmessvorrichtung mit einer Lichtquelle, einem im Raum beweglichen Messreflektor, einer Detektionseinheit sowie einer Lichtstrahl-Ablenkeinheit, über die mindestens ein von der Lichtquelle emittiertes Strahlenbündel in Richtung des Messreflektors ausrichtbar ist, wobei die Lichtstrahl-Ablenkeinheit eine Kardan-Anordnung mit zwei Kardanrahmen umfasst, von denen ein erster Kardanrahmen um eine erste Drehachse motorisch verstellbar ist und ein zweiter Kardanrahmen im ersten Kardanrahmen um eine zur ersten Drehachse senkrecht orientierte zweite Drehachse motorisch verstellbar ist und wobei sich die beiden Drehachsen in einem ortsfesten Referenzpunkt schneiden, an dem ein Referenzreflektor angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kardanrahmen (41, 42) mehrere Spiegel (45.1–45.4) starr angeordnet sind, so dass über die Mehrzahl von Spiegeln (45.1–45.4) das Strahlenbündel (S_M) bei der Ausrichtung auf den Messreflektor (50) um den ortsfesten Referenzpunkt (R) schwenkbar ist.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Strahlenbündel (S_M) entlang der ersten Drehachse (A1) des ersten Kardanrahmens (41) einfällt, – durch den ersten Spiegel (45.1) im Strahlengang eine Ablenkung des Strahlenbündels (S_M) weg von der ersten Drehachse (A1) erfolgt, – durch den letzten Spiegel (45.2) im Strahlengang, der mit der ersten Drehachse (A1) verbunden ist, eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels (S_M) in Richtung der zweiten Drehachse (A2) des zweiten Kardanrahmens (42) erfolgt und – durch den letzten Spiegel (45.4) im Strahlengang, der mit der zweiten Drehachse (A2) verbunden ist, eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels (S_M) in Richtung des ortsfesten Referenzpunktes (R) erfolgt.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (10) ruhend angeordnet ist und ein von der Lichtquelle (10) emittiertes Strahlenbündel (S_M) über die Lichtstrahl-Ablenkeinheit (40) dem Messreflektor (50) zuführbar ist.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (60) ruhend angeordnet ist und die vom Referenzreflektor (30) und vom Messreflektor (50) zurückreflektierten Strahlenbündel (S_R, S_M) der Detektionseinheit (60) zuführbar sind.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzreflektor (30) als kugelsymmetrischer Retroreflektor oder als Tripelprisma oder als Tripelspiegel ausgebildet ist.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kardanrahmen (41) mit einem ersten Antrieb (43) gekoppelt ist und der zweite Kardanrahmen (42) mit einem zweiten Antrieb (44) gekoppelt ist.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe (43, 44) jeweils als Piezo-Direktantriebe ausgebildet sind.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ein erster Spiegel (45.1) in einem Lichteintrittsbereich der Lichtstrahl-Ablenkeinheit (40) am ersten Kardanrahmen (41) auf der ersten Drehachse (A1) angeordnet ist, – ein zweiter Spiegel (45.2) im Lagerbereich des zweiten Kardanrahmens (42) zentrisch zur zweiten Drehachse (A2) am ersten Kardanrahmen (41) angeordnet ist, – ein dritter Spiegel (45.3) zentrisch zur zweiten Drehachse (A2) am zweiten Kardanrahmen (42) angeordnet ist und – ein vierter Spiegel (45.4) am zweiten Kardanrahmen (42) außerhalb der zweiten Drehachse (A2) angeordnet ist.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – dem ersten Kardanrahmen (41) mindestens zwei Spiegel (45.1, 45.2) zugeordnet sind, wobei der erste dieser Spiegel (45.1) im Strahlengang auf der ersten Drehachse (A1) angeordnet ist und der letzte dieser Spiegel (45.2) im Strahlengang außerhalb der ersten Drehachse (A1) auf der zweiten Drehachse (A2) angeordnet ist und – dem zweiten Kardanrahmen (42) mindestens zwei Spiegel (45.3, 45.4) zugeordnet sind, wobei der erste dieser Spiegel (45.3) im Strahlengang auf der zweiten Drehachse (A2) angeordnet ist und der letzte dieser Spiegel (45.4) im Strahlengang außerhalb der zweiten Drehachse (A2) angeordnet ist.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Strahlengang letzte Spiegel (45.2) auf dem ersten Kardanrahmen (41) an einem Ort auf der zweiten Drehachse (A2) des zweiten Kardanrahmens (42) angeordnet und so orientiert ist, dass darüber eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels (S_M) entlang der zweiten Drehachse (A2) erfolgt.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – sämtliche Spiegel (45.1–45.3) im Strahlengang mit Ausnahme des letzten Spiegels (45.4) am zweiten Kardanrahmen (42) derart orientiert angeordnet sind, dass darüber jeweils eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels (S_M) in Richtung des jeweils nachfolgenden Spiegels im Strahlengang erfolgt und – der letzte Spiegel (45.4) am zweiten Kardanrahmen (42) derart orientiert angeordnet ist, dass darüber eine Ablenkung des darauf einfallenden Strahlenbündels (S_M) in Richtung des ortsfesten Referenzpunkts (R) erfolgt.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Antrieb (43) eine Drehung des ersten Kardanrahmens (41) um die erste Drehachse (A1) um mindestens 360° ermöglicht und – der zweite Antrieb (44) eine Drehung des zweiten Kardanrahmens (42) um die zweite Drehachse (A2) um mindestens 90° ermöglicht.
Optische Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Detektionseinheit (60) ein Sensorelement umfasst, welches die laterale Abweichung des vom Messreflektor (50) zurückreflektierten Strahlenbündels (S_M) vom ortsfesten Referenzpunkt (R) erfasst und in ein Abweichungs-Signal umsetzt und – eine Steuer- und Auswerteeinheit (70) derart ausgebildet ist, dass über das Abweichungs-Signal Ansteuersignale für die ersten und zweiten Antriebe (43, 44) erzeugbar sind, um durch Verstellen des ersten und/oder zweiten Kardanrahmens (41, 42) um die erste und/oder zweite Drehachse (A1, A2) die laterale Abweichung zu minimieren.