Die Erfindung betrifft einen optischen Mehrwellenlängen-Sensor zur Messung von Abständen zu einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a multi-wavelength optical sensor for measuring distances to a surface according to the preamble of claim 1.
Ein derartiger optischer Mehrwellenlängen-Sensor ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2008 033 942 B3 bekannt. Der hierin gezeigte optische Mehrwellenlängen-Sensor umfasst hierbei drei Laser, deren Laserstrahlen jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Außerdem weist der Mehrwellenlängen-Sensor einen Sensorkopf auf mit einem optischen Element, das einen optischen Strahl leiten kann. Das optische Element umfasst einen optischen Klebstoff und eine Gradientenindexlinse, die an ihrem einen Ende eine teilreflektierende Strahlaustrittsfläche aufweist, so dass ein Teil eines durch das erste optische Element geleiteten Strahls als Referenzstrahl zurückreflektiert wird, während der Rest des Strahls aus dieser Lichtaustrittsfläche als Abtaststrahl austritt und auf die besagte Oberfläche fällt. Dieser Abtaststrahl wird von der Oberfläche reflektiert und tritt durch die Strahlaustrittsfläche hindurch wieder in das erste optische Element ein, wobei der Referenzstrahl mit dem Abtaststrahl interferiert und gemeinsam einen Messstrahl bildet. Des Weiteren umfasst der Sensorkopf ein elektrisch ansteuerbares Modulationselement in Form eines Piezoaktuators, durch das die optische Weglänge zwischen der Strahlaustrittsfläche und der Oberfläche variiert werden kann. Hierzu bewegt der Piezoaktuator das besagte erste optische Element in Richtung der Lichtstrahlen in Form eines Wobbelns. Des Weiteren umfasst der Mehrwellenlängensensor eine Auswerteeinheit, durch die im Messstrahl für jede der unterschiedlichen Wellenlängen die Intensität des Messstrahls festgestellt werden kann. Um die Laserstrahlen der drei Laser zum ersten optischen Element des Sensorkopfes zu leiten, sind Lichtleitfasern vorgesehen, wobei zweite optische Elemente in Form von Multiplexer oder optischen Kopplern dafür sorgen, dass die Lichtstrahlen der drei unterschiedlichen Laser in einer einzigen Lichtleitfaser zusammengefasst werden. Die Ankopplung der Lichtleitfaser am Sensorkopf erfolgt hierbei durch den optischen Klebstoff, der hierbei die Lichtleitfaser fixiert und dafür sorgt, dass das Licht in die Gradientenindexlinse des ersten optischen Elementes eintreten kann. Außerdem nimmt die Lichtleitfaser den besagten Messstrahl auch wieder auf und leitet ihn zurück. Ein drittes optisches Element in Form eines Zirkulators, das in der besagten Lichtleitfaser vorgesehen ist, sorgt nunmehr dafür, dass der vom ersten optischen Element zurückkommende Messstrahl aus der Lichtleitfaser ausgekoppelt wird und an die Auswerteeinheit weitergeleitet wird. Die Auswerteeinheit weist hierbei mehrere 3D-Multiplexer auf, die selektiv für jede Wellenlänge aus dem zurückkommenden Messstrahl eine der Wellenlängen aussondert und auf eine Photodiode leitet. Die Photodiode wiederrum wandelt die Intensität des Messstrahls der jeweiligen Wellenlänge in ein Messsignal um (Photostrom bzw. eine elektrische Spannung), das jeweils von einer elektrischen Auswerteeinheit ausgewertet wird und zur weiteren Verarbeitung an einen Messrechner weitergeleitet wird. Der besagte optische Mehrwellenlängen-Sensor weist die Besonderheit auf, dass hierdurch absolut der Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche des ersten optischen Elementes und der Oberfläche bestimmt werden kann, ohne ausgehend vom Abstand Null die Änderung der Phasenlage zwischen dem Referenzstrahl und dem Antastrahl bestimmen zu müssen, wie dies bei Interferometern mit nur einer Wellenlänge der Fall wäre. Das genaue Prinzip hierzu wird noch weiter unten im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung näher erläutert werden. Der besagte optische Mehrwellenlängen-Sensor eignet sich daher hervorragend zur absoluten Abstandsmessung. Gerade für den Fall, dass der optische Mehrwellenlängen-Sensor dazu verwendet wird, um nacheinander eine Vielzahl von sich änderten Abständen zu messen, besteht jedoch eine gewisse Fehleranfälligkeit des Sensors. Fehler können beispielsweise dadurch entstehen, wenn der Eindeutigkeitsbereich, innerhalb dessen absolute Abstände gemessen werden können, überschritten wird. Der Eindeutigkeitsbereich bestimmt sich hierbei aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der verwendeten Wellenlängen. Dies führt zu einem fehlerhaften Abstandswert. Darüber hinaus können auch weiterhin Fehler auftreten, wenn sich im Laufe des Betriebes die Wellenlänge der Laser verändert oder wenn sich der Brechungsindex des Mediums ändert, das sich zwischen der Strahlaustrittsfläche und der zu vermessenden Oberfläche befindet.Such a multi-wavelength optical sensor is for example from the document DE 10 2008 033 942 B3 known. The multi-wavelength optical sensor shown herein comprises three lasers whose laser beams each have different wavelengths. In addition, the multi-wavelength sensor has a sensor head with an optical element that can guide an optical beam. The optical element comprises an optical adhesive and a gradient index lens having at one end a partially reflecting beam exit surface, so that a part of a guided through the first optical element beam is reflected back as a reference beam, while the rest of the beam emerges from this light exit surface as a scanning beam and falls on said surface. This scanning beam is reflected by the surface and re-enters the first optical element through the beam exit surface, whereby the reference beam interferes with the scanning beam and together forms a measuring beam. Furthermore, the sensor head comprises an electrically controllable modulation element in the form of a piezoactuator, by means of which the optical path length between the beam exit surface and the surface can be varied. For this purpose, the piezoactuator moves said first optical element in the direction of the light beams in the form of a wobble. Furthermore, the multi-wavelength sensor comprises an evaluation unit, by means of which the intensity of the measuring beam can be determined in the measuring beam for each of the different wavelengths. In order to guide the laser beams of the three lasers to the first optical element of the sensor head, optical fibers are provided, wherein second optical elements in the form of multiplexers or optical couplers ensure that the light beams of the three different lasers are combined in a single optical fiber. The optical fiber is coupled to the sensor head by the optical adhesive, which in this case fixes the optical fiber and ensures that the light can enter the gradient index lens of the first optical element. In addition, the optical fiber also picks up the measuring beam and redirects it. A third optical element in the form of a circulator, which is provided in said optical fiber, now ensures that the measuring beam coming back from the first optical element is coupled out of the optical fiber and forwarded to the evaluation unit. In this case, the evaluation unit has a plurality of 3D multiplexers which selectively reject one of the wavelengths for each wavelength from the returning measuring beam and conduct it to a photodiode. The photodiode in turn converts the intensity of the measuring beam of the respective wavelength into a measuring signal (photocurrent or an electrical voltage), which is evaluated by an electrical evaluation unit and forwarded to a measuring computer for further processing. Said optical multi-wavelength sensor has the peculiarity that thereby absolutely the distance between the light exit surface of the first optical element and the surface can be determined without having to determine the change in the phase angle between the reference beam and the Antastrahl starting from the zero distance, such this would be the case with interferometers with only one wavelength. The exact principle for this will be explained in more detail below in connection with the description of the figures. The said multi-wavelength optical sensor is therefore ideal for absolute distance measurement. However, just in case the multi-wavelength optical sensor is used to successively measure a plurality of changed distances, there is a certain susceptibility of the sensor to failure. Errors can arise, for example, if the uniqueness range within which absolute distances can be measured is exceeded. The uniqueness range is determined here from the smallest common multiple of the wavelengths used. This leads to a faulty distance value. In addition, errors may continue to occur if, during operation, the wavelength of the lasers changes or as the refractive index of the medium that is between the beam exit surface and the surface to be measured changes.
Hiervon ausgehend liegt unserer Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen optischen Mehrwellenlängen-Sensor der eingangs genannten Art vorzustellen, mit dem Fehler bei der Abstandsmessung zuverlässig vermieden werden können.On this basis, our invention is therefore based on the object to present a multi-wavelength optical sensor of the type mentioned, can be reliably avoided with the error in the distance measurement.
Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.The object is achieved according to the features of claim 1.
Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung ist hierbei darin zu sehen, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, für eine Vielzahl von aufeinander folgenden Abständen zwischen dem Sensorkopf und der Oberfläche Abstandswerte [dakt(tq) und dakt(tq+1), wobei tq einen Zeitpunkt bezeichnet und tq+1 einen beliebigen darauffolgenden Zeitpunkt bezeichnet und wobei q = 1, 2, ...k] zu ermitteln, wobei die Auswerteeinheit ferner dazu eingerichtet ist für einen jeweils gegebenen Abstand des Sensorkopfes zur Oberfläche für jede einzelne Laserwellenlänge [λn, wobei n ∊ {1...Anzahl der Wellenlängen}] aus dem Messstrahl die Phasendifferenz [Φλn(tq) und Φλn(tq+1)] zwischen dem Referenzstrahl und dem Abtaststrahl zu ermitteln und aus den ermittelten Phasendifferenzen [Φλn(tq) und Φλn(tq+1)] zweier aufeinander folgender Abstände [dakttq) und dakt(tq+1)] des Sensorkopfes zur Oberfläche für jede Wellenlänge eine Änderung der Phasendifferenz [ΔΦλn = Φλn(tq+1) – Φλn(tq)] zu ermitteln und wobei außerdem die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist aus den ermittelten Änderungen der Phasendifferenzen [ΔΦλn] eine Konsistenzprüfung durchzuführen.The peculiarity of the solution according to the invention can be seen in the fact that the evaluation unit is set up for a plurality of successive distances between the sensor head and the surface distance values [d akt (t q ) and d act (t q + 1 ), where t q denotes a point in time and t q + 1 denotes any subsequent time and wherein q = 1, 2, ... k] to determine, wherein the evaluation unit is further adapted for each given distance of the sensor head to the surface for each single laser wavelength [λ n , where n ε {1 ... number of wavelengths}] to determine from the measuring beam the phase difference [Φ λn (t q ) and Φ λn (t q + 1 )] between the reference beam and the scanning beam, and from the determined phase differences [Φ λn (t q ) and Φ λn (t q + 1 )] of two successive distances [d act t q ) and d act (t q + 1 )] of the sensor head to the surface for each wavelength a change the phase difference [ΔΦ λn = Φ λn (t q + 1 ) - Φ λn (t q )] to determine and wherein also the evaluation unit is adapted to perform from the determined changes of the phase differences [ΔΦ λn ] a consistency check.
Hierdurch ergibt sich nunmehr der besondere Vorteil, dass durch die Konsistenzprüfung sichergestellt werden kann, dass die Messergebnisse für zwei aufeinander folgend gemessene Abstände [dakt(tq) und dakt(tq+1)] mit hoher Sicherheit richtig ist. Die Idee ist hierbei darin zu sehen, dass aus dem Messstrahl zum einen für die zwei aufeinander folgend gemessenen Abstandswerte [dakt(tq) und dakt(tq+1)] die absoluten Abstandswerte ausgewertet werden. Darüber hinaus wird gleichzeitig kontinuierlich das zu einem Laserstrahl mit der Wellenlänge [λn] zugehörige Messsignal überwacht und hieraus die Änderung der Phasendifferenz [ΔΦλn] zwischen Referenzstrahl und Abtaststrahl ermittelt. Hierdurch kann nunmehr überprüft werden, ob die Änderung der Phasendifferenz [ΔΦλn] tatsächlich der Änderung des Abstandswertes [Δdakt = dakt(tq+1) – dakt(tq)] entspricht.This results in the particular advantage that it can be ensured by the consistency check that the measurement results for two consecutively measured distances [d akt (t q ) and d act (t q + 1 )] with high certainty is correct. The idea here is that the absolute distance values are evaluated from the measuring beam on the one hand for the two consecutively measured distance values [d akt (t q ) and d akt (t q + 1 )]. In addition, the measurement signal associated with a laser beam having the wavelength [λ n ] is continuously monitored simultaneously, and the change in the phase difference [ΔΦ λn ] between the reference beam and the scanning beam is determined therefrom. In this way, it can now be checked whether the change of the phase difference [ΔΦ λn ] actually corresponds to the change of the distance value [Δd act = d act (t q + 1 ) -d act (t q )].
Die Konsistenzprüfung erfolgt hierbei erfindungsgemäß, indem die Auswerteeinheit zumindest für zwei unterschiedliche Wellenlängen λn und λm, mit n, m ∊ {1... Anzahl der Wellenlängen}, wobei n ≠ m und für die jeweils zu den Zeitpunkten tq+1 zugehörigen ermittelten Änderungen der Phasendifferenzen ΔΦλm, und ΔΦλn, prüft, ob gilt: wobei Cn und Cm Korrekturfaktoren sind.The consistency check is carried out according to the invention by the evaluation unit at least for two different wavelengths λ n and λ m , where n, m ε {1 ... number of wavelengths}, where n ≠ m and for each of the times t q + 1 associated changes in the phase differences ΔΦ λm , and ΔΦ λn , checks whether where C n and C m are correction factors.
In einer einfachsten Variante dieser Konsistenzprüfung kann Cn = Cm = 1 (Gleichung 2) gewählt werden. Für diesen Fall nämlich ergibt sich für die Änderung des Abstandes Δdakt zwischen zwei aufeinander folgenden Abstandswerten dakt(tq) und dakt(tq+1) zu den Zeitpunkten tq und tq+1 folgender Zusammenhang: In a simplest variant of this consistency check can C n = C m = 1 (Equation 2) to get voted. For this case, the following relationship results for the change of the distance Δd akt between two successive distance values d akt (t q ) and d akt (t q + 1 ) at the times t q and t q + 1 :
Der gezeigte Zusammenhang ist sofort verständlich, wenn man sich klar macht, dass Δdakt nach folgender Beziehung nichts anderes ist als die Anzahl an Wellenzügen, die die Wellenlänge λm vom Abstandswert dakt(tq) bis zum Abstandswert dakt(tq+1) durchläuft. Der Faktor 2 im Nenner des Bruches λm/2 rührt hierbei daher, dass der Abtaststrahl 14 den Abstand zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 zweimal durchläuft, nämlich einmal von der Strahlaustrittsfläche 24 zur Oberfläche 5 und einmal von der Oberfläche 5 zurück zur Strahlaustrittsfläche 24. Genauso ist der Wert Δdakt folgender Beziehung nichts anderes ist als die Anzahl an Wellenzügen der Wellenlänge λn vom Abstandwert dakt(tq) zum Abstandswert dakt(tq+1), wobei auch in dieser Gleichung der Faktor 2 im Nenner des Bruches λn/2 daher rührt, dass der Abtaststrahl 14 den Abstand zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 zweimal durchläuft. Die Wahl der Korrekturfaktoren Cn = Cm = 1 (Gleichung 6) setzt natürlich voraus, dass die vorausgesetzten Wellenlängen λm und λn exakt mit den tatsächlich vorliegenden Wellenlängen der beiden betreffenden Laser übereinstimmen und dass die optische Weglänge zwischen der Strahlaustrittsfläche und der Oberfläche für die beiden betrachteten Laserwellenlängen λm und λn etwa gleich ist.The relationship shown is immediately understandable if one realizes that Δd act according to the following relationship is nothing else than the number of wave trains, which passes through the wavelength λ m from the distance value d act (t q ) to the distance value d akt (t q + 1 ). The factor 2 in the denominator of the fraction λ m / 2 is due to the fact that the scanning beam 14 the distance between the beam exit surface 24 and the surface 5 passes twice, namely once from the beam exit surface 24 to the surface 5 and once from the surface 5 back to the beam exit surface 24 , Similarly, the value Δd akt is the following relationship is nothing else than the number of wave trains of the wavelength λ n from the distance d akt (t q ) to the distance value d akt (t q + 1 ), whereby also in this equation the factor 2 in the denominator of the fraction λ n / 2 therefore stirs, that the scanning beam 14 the distance between the beam exit surface 24 and the surface 5 goes through twice. The choice of correction factors C n = C m = 1 (Equation 6) Of course, this assumes that the assumed wavelengths λ m and λ n coincide exactly with the actual wavelengths of the two relevant lasers and that the optical path length between the beam exit surface and the surface is approximately the same for the two considered laser wavelengths λ m and λ n .
Fehler der eben bezeichneten Art, also beispielsweise Abweichungen der Wellenlängen λn und/oder λm von den erwarteten Werten oder Abweichungen der optischen Weglänge zwischen der Strahlaustrittsfläche und der zu vermessenden Oberfläche können berücksichtigt werden, wenn die Korrekturfaktoren Cn ≠ 1 und/oder Cm ≠ 1 gewählt werden. Besonders vorteilhaft kann die Auswerteeinheit dabei dazu eingerichtet sein, eine Wellenlänge λ1 und die zugehörige Änderung der Phasendifferenz ΔΦλ1 als Referenz zu wählen und dementsprechend den zugehörigen Korrekturfaktor C1 = 1 zu wählen, wobei die Auswerteeinheit ferner dazu eingerichtet ist, für wenigstens eine weitere Wellenlänge λm und die zugehörige Änderung der Phasendifferenz ΔΦλm zu einem Zeitpunkt tq+1 den zugehörigen Korrekturfaktor Cm über folgende Gleichung zu bestimmen: Errors of the type just described, for example deviations of the wavelengths λ n and / or λ m from the expected values or deviations of the optical path length between the beam exit surface and the surface to be measured, can be taken into account if the correction factors C n ≠ 1 and / or C m ≠ 1 can be selected. Particularly advantageously, the evaluation unit can be set up to select a wavelength λ 1 and the associated change of the phase difference ΔΦ λ1 as reference and accordingly to select the associated correction factor C 1 = 1, wherein the evaluation unit is further adapted for at least one further Wavelength λ m and the associated change in the phase difference ΔΦ λm at a time t q + 1 to determine the associated correction factor C m via the following equation:
Die Korrekturwerte Cm liegen hierbei bevorzugt im Bereich [0,5; 1,5], besonders bevorzugt im Bereich [0,9; 1,1] und ganz bevorzugt im Bereich [0,95; 1,05].The correction values Cm are preferably in the range [0.5; 1.5], more preferably in the range [0.9; 1,1] and most preferably in the range [0,95; 1.05].
Hinsichtlich der Ausstattung des Mehrwellenlängen-Sensors kann dieser natürlich vielfältig variieren. Beispielsweise kann der Sensor so ausgestaltet sein, wie dies in der Druckschrift DE 10 2008 033 942 B3 beschrieben ist. Genauso jedoch kann der Sensor auch als Freistrahlinterferometer ausgestaltet sein, bei dem auf Lichtleitfasern völlig verzichtet wird. In diesem Fall werden natürlich völlig andere zweite optische Elemente benötigt, durch die die Laserstrahlen der Laser zu einem gemeinsamen Strahl zusammengefasst werden und zum besagten ersten optischen Element des Sensorkopfes geführt werden und hierin eingekoppelt werden. An Stelle von Multiplexern würden hierzu beispielsweise halbdurchlässige Spiegel verwendet, wie dies weiter unten im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung erläutert wird. Auch das erste optische Element wird dabei deutlich anders aufgebaut. Beispielsweise kann hier auf den optischen Klebstoff vollkommen verzichtet werden und als optisches Element auch nur eine Gradientenindexlinse verwendet werden. Auch das dritte optische Element wäre hierbei vollkommen unterschiedlich ausgestaltet und könnte beispielsweise in Form eines teildurchlässigen Spiegels vorgesehen sein, der den zurückkommenden Messstrahl aus dem Strahlengang auskoppelt. Auch die Auswerteeinheit wäre hierbei insoweit anders, als beispielsweise über dichroitische Spiegel aus dem Messstrahlengang jeweils eine Laserwellenlänge ausgekoppelt und auf die Photodiode gerichtet wird.With regard to the equipment of the multi-wavelength sensor this can of course vary widely. For example, the sensor may be configured as in the document DE 10 2008 033 942 B3 is described. However, the sensor can also be designed as a free-jet interferometer in which optical fibers are completely dispensed with. In this case, of course, entirely different second optical elements are needed, by which the laser beams of the laser are combined into a common beam and guided to said first optical element of the sensor head and coupled therein. Instead of multiplexers, for example, semipermeable mirrors would be used for this, as will be explained below in connection with the description of the figures. The first optical element is also constructed significantly differently. For example, the optical adhesive can be completely dispensed with here, and only one gradient index lens can be used as the optical element. Also, the third optical element would be designed completely different and could be provided for example in the form of a partially transparent mirror, which decouples the returning measuring beam from the beam path. The evaluation unit would also be different insofar as, for example, a laser wavelength is coupled out of the measuring beam path in each case via dichroic mirrors and directed onto the photodiode.
Als elektrisch ansteuerbares Modulationselement kann genau wie in der Druckschrift DE 10 2008 033 942 B3 ein Aktuator (beispielsweise ein Tauchspulenantrieb), insbesondere ein Piezoaktuator verwendet werden, der das erste optische Element in Strahlrichtung bewegt. Alternativ kann als elektrisch ansteuerbares Modulationselement auch ein elektrooptisches Modulationselement verwendet werden, das auf der Strahlaustrittsfläche befestigt ist und das in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal seine optischen Eigenschaften und damit die optische Weglänge des Abtaststrahls verändert. Als elektrooptisches Modulationselement kann hierbei ein akustooptischer Modulator verwendet werden oder ein elektrooptischer Modulator oder ein optisches Element mit einem zugeordneten Piezoaktuator, der die Spannung des optischen Elementes verändert.As electrically controllable modulation element can exactly as in the document DE 10 2008 033 942 B3 an actuator (for example a plunger coil drive), in particular a piezoactuator can be used, which moves the first optical element in the beam direction. Alternatively, as an electrically controllable modulation element and an electro-optical modulation element can be used, which is mounted on the beam exit surface and changes its optical properties and thus the optical path length of the scanning in response to an electrical signal. As an electro-optical modulation element in this case an acousto-optic modulator can be used or an electro-optical modulator or an optical element with an associated piezoelectric actuator, which changes the voltage of the optical element.
Vorzugsweise ist der optische Mehrwellenlängen-Sensor so ausgestaltet, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist das elektrisch ansteuerbare Modulationselement derart anzusteuern, dass ausgehend vom Ausgangszustand der optischen Weglänge des elektrisch ansteuerbaren Modulationselementes die optische Weglänge vom elektrisch ansteuerbaren Modulationselement so verändert wird, dass für jede der unterschiedlichen Laser-Wellenlängen λn zumindest das nächste Interferenzmaximum ermittelt wird, wobei die Lage eines jeweiligen Interferenzmaximums relativ zum Ausgangszustand durch die Änderung der optischen Weglänge oder einem hierzu proportionalen Parameter ermittelt wird. Preferably, the optical multi-wavelength sensor is configured such that the evaluation unit is adapted to control the electrically controllable modulation element such that, starting from the initial state of the optical path length of the electrically controllable modulation element, the optical path length of the electrically controllable modulation element is changed so that for each of the different Laser wavelengths λ n at least the next interference maximum is determined, the position of a respective interference maximum relative to the initial state by the change in the optical path length or a parameter proportional thereto is determined.
Besonders vorteilhaft kann der optische Mehrwellenlängen-Sensor der eben beschriebenen Art in einem Messgerät eingesetzt werden, das eine Aktuatorik aufweist, über die der Abstand des Sensorkopfes relativ zu einer zu vermessenden Oberfläche verändert werden kann. Hierdurch kann der Mehrwellenlängen-Sensor als eindimensionaler Sensor für das Messgerät (beispielsweise ein Koordinatenmessgerät) verwendet werden.Particularly advantageously, the optical multi-wavelength sensor of the type just described can be used in a measuring device which has an actuator via which the distance of the sensor head relative to a surface to be measured can be changed. As a result, the multi-wavelength sensor can be used as a one-dimensional sensor for the measuring device (for example, a coordinate measuring machine).
Besonders vorteilhaft kann die Aktuatorik dazu eingerichtet sein, tatsächlich bewirkte Abstandsänderungen (Δdakt) zwischen der Oberfläche und dem Sensorkopf zu messen (beispielsweise über einen Inkrementalmaßstab) und an die Auswerteeinheit des optischen Wellenlängensensors zu übermitteln. Die Auswerteeinheit ist dabei nunmehr dazu eingerichtet aus einer zu einem Zeitpunkt tq-1 gemessenen Abstandänderung Δdakt = dakt(tq+1) – dakt(tq), aus einer der Wellenlängen λm und der jeweils zugehörigen ermittelten Änderung der Phasendifferenz ΔΦλm = Φλm(tq-1) – Φλm(tq) den Brechungsindex nL der Luft zwischen der Lichtaustrittsfläche und der Oberfläche zu bestimmen über folgende Gleichung: Particularly advantageously, the actuator can be set up to measure actually caused changes in the distance (Δd akt ) between the surface and the sensor head (for example, via an incremental scale) and to transmit to the evaluation unit of the optical wavelength sensor. The evaluation unit is now set up from a measured at a time t q-1 distance change Δd act = d act (t q + 1 ) - d act (t q ), one of the wavelengths λ m and the respective associated change in the Phase difference ΔΦ λm = Φ λm (t q-1 ) - Φ λm (t q ) to determine the refractive index n L of the air between the light exit surface and the surface via the following equation:
Die in Gleichung 8 verwendete Abstandsänderung Δdakt wird hierbei durch die Aktuatorik ermittelt, während die Änderung der Phasendifferenz ΔΦλm durch die Auswertung des Messstrahls in der Auswerteeinheit 30 des Mehrwellenlängen-Sensors ermittelt wird.The change in the spacing Δd act used in equation 8 is determined by the actuators, while the change of the phase difference ΔΦ λm is determined by the evaluation of the measuring beam in the evaluation unit 30 of the multi-wavelength sensor is determined.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Hierin zeigen:Further advantages and developments of the invention will become apparent from the following description of the figures. Herein show:
1: eine rein schematische Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Mehrwellenlängen-Sensors bei dem zur Übertragung der Laserstrahlen Lichtwellenleiter 10 verwendet werden 1 : A purely schematic schematic diagram of a multi-wavelength sensor according to the invention in which for transmitting the laser beams optical waveguide 10 be used
2: rein schematische Darstellung des Sensorkopfes 4 aus 1 im Schnitt nebst der abzutastenden Oberfläche 5 2 : purely schematic representation of the sensor head 4 out 1 in the section along with the surface to be scanned 5
3 und 4: rein schematische Darstellung von Messsignalen Mλ1, Mλ2 und Mλ3 zu den drei Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 3 and 4 purely schematic representation of measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 to the three wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3
5: rein schematische Darstellung eines gegenüber 2 geänderten Sensorkopfes 4 im Schnitt nebst der abzutastenden Oberfläche 5, wobei als elektrisch ansteuerbares Modulationselement ein elektrooptisches Modulationselement 18 verwendet wird. 5 : purely schematic representation of one opposite 2 changed sensor head 4 in the section along with the surface to be scanned 5 , wherein as an electrically controllable modulation element, an electro-optical modulation element 18 is used.
6: eine reine Prinzip-Darstellung einer grundsätzlich zweiten Ausführungsform eines optischen Mehrwellenlängen-Sensors bei dem keine Lichtleitfasern verwendet werden 6 : A pure principle representation of a fundamentally second embodiment of a multi-wavelength optical sensor in which no optical fibers are used
7: eine schematische Darstellung des Sensorkopfes 21 aus 6 im Schnitt nebst der abzutastenden Oberfläche 5 7 : a schematic representation of the sensor head 21 out 6 in the section along with the surface to be scanned 5
8: eine schematische Darstellung eines Messgerätes mit einem optischen Mehrwellenlängen-Sensor 8th : A schematic representation of a measuring device with a multi-wavelength optical sensor
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines optischen Mehrwellenlängen-Sensors gemäß der Erfindung. Der Mehrwellenlängen-Sensor umfasst hierbei drei unterschiedliche Laser 1a, 1b und 1c, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen λ1; λ2, λ3 aufweisen. Die Laser 1a, 1b und 1c sind hierbei über Lichtleitfasern mit Multiplexern 2a und 2b verbunden, wobei der Multiplexer 2a die Laserstrahlen der Laser 1a und 1b zusammen führt und der Multiplexer 2b zusätzlich noch den Laserstrahl des Lasers 1c dazu führt. Nachdem die drei Laserstrahlen in einem Strahl vereinigt sind, wird der resultierende Laserstrahl über eine Lichtleitfaser 10 zum Sensorkopf 4 geführt. In der Lichtleitfaser 10 befindet sich weiterhin ein Zirkulator 3, der die Aufgabe hat, den vom Sensorkopf 4 zurückgestrahlten Messstrahl auszukoppeln und an die noch weiter unten im Detail beschriebene Auswerteeinheit 30 zu senden. Bevor die Funktion der Auswerteeinheit 30 konkret beschrieben wird, soll zunächst jedoch der Sensorkopf 4 im Zusammenhang mit 2 erläutert werden. 1 shows a first embodiment of a multi-wavelength optical sensor according to the invention. The multi-wavelength sensor comprises three different lasers 1a . 1b and 1c each having different wavelengths λ 1 ; λ 2 , λ 3 have. The lasers 1a . 1b and 1c are here via optical fibers with multiplexers 2a and 2 B connected, the multiplexer 2a the laser beams of the lasers 1a and 1b together and the multiplexer 2 B additionally the laser beam of the laser 1c leads to. After the three laser beams are combined in one beam, the resulting laser beam is transmitted through an optical fiber 10 to the sensor head 4 guided. In the optical fiber 10 is still a circulator 3 who has the task, that of the sensor head 4 decouple returned beam and to the evaluation unit described in more detail below 30 to send. Before the function of the evaluation unit 30 is described concretely, but initially the sensor head 4 in connection with 2 be explained.
In 2 ist hierbei der Sensorkopf 4 aus 1 und die Oberfläche 5 eines irgendwie gearteten Körpers im Schnitt dargestellt. Auch bei dieser Darstellung handelt es sich um eine rein prinzipielle Darstellung. Wie hierbei zu sehen ist die Lichtleitfaser 10 an einem ersten optischen Element 11 befestigt und zwar über einen optischen Klebstoff 31 des ersten optischen Elementes 11. Die aus der Lichtleitfaser 10 austretenden Lichtstrahlen treten hierbei in eine Gradientenindexlinse 15 ein, die ebenfalls Bestandteil des ersten optischen Elementes 11 ist. Am rechten Ende der Gradientenindexlinse 15 befindet sich eine Strahlaustrittsfläche 24 die teilreflektierend ausgestaltet ist. Hierdurch wird ein Teil des durch das erste optische Element 11 geleiteten Strahls 12 als Referenzstrahl 13 zurückreflektiert, während der Rest des Strahls aus dieser Strahlaustrittsfläche 24 als Abtaststrahl 14 austritt. Der Abtaststrahl 14 wird von der Oberfläche 5 reflektiert und tritt durch die Strahlaustrittsfläche 24 hindurch wieder in das erste optische Element 11 ein. Hierbei interferiert der Referenzstrahl 13, der an der Strahlaustrittsfläche 24 reflektiert wurde mit dem Abtaststrahl 14, der an der Oberfläche 5 reflektiert wurde. Hierdurch wird ein Messstrahl gebildet, der über die Lichtleitfaser 10 wieder zurück transportiert wird und durch den in 1 gezeigten Zirkulator 3 ausgekoppelt und an die Auswerteeinheit 30 weitergeleitet wird. Der Sensorkopf 4 gemäß 2 weist des Weiteren ein elektrisch ansteuerbares Modulationselement 17 in Form eines Piezoaktuators auf, der über ein Führungselement 16 in Verbindung mit dem ersten optischen Element 11 steht und das erste optische Element 11 in der mit dem Pfeil b bezeichneten Richtung bewegen kann.In 2 Here is the sensor head 4 out 1 and the surface 5 of some kind of body shown in section. Also in this representation is a purely schematic representation. As can be seen here, the optical fiber 10 on a first optical element 11 attached via an optical adhesive 31 of the first optical element 11 , The out of the optical fiber 10 emergent light rays enter this case in a Gradientenindexlinse 15 a, which is also part of the first optical element 11 is. At the right end of the gradient index lens 15 there is a jet exit surface 24 which is designed partially reflecting. As a result, a part of the through the first optical element 11 directed beam 12 as a reference beam 13 reflected back, while the rest of the beam from this beam exit surface 24 as a scanning beam 14 exit. The scanning beam 14 gets off the surface 5 reflects and passes through the beam exit surface 24 through back into the first optical element 11 one. In this case, the reference beam interferes 13 at the beam exit surface 24 was reflected with the scanning beam 14 that at the surface 5 was reflected. As a result, a measuring beam is formed, which passes over the optical fiber 10 is transported back again and through the in 1 shown circulator 3 decoupled and to the evaluation unit 30 is forwarded. The sensor head 4 according to 2 further comprises an electrically controllable modulation element 17 in the form of a piezo actuator, via a guide element 16 in conjunction with the first optical element 11 stands and the first optical element 11 can move in the direction indicated by the arrow b direction.
Unter Rückgriff auf 1 wird nunmehr die Auswertung des Messstrahls (Interferenzstrahl zwischen Referenzstrahl 13 und Abtaststrahl 14) näher erläutert. Wie bereits ausgeführt, wird der vom Sensorkopf 4 in die Lichtleitfaser 10 zurück geführte Messstrahl, der für alle drei Laserwellenlängen λ1, λ2 und λ3 jeweils ein Interferenzsignal zwischen dem an der Strahlaustrittsfläche 24 reflektierten Referenzstrahl 13 und dem an der Oberfläche 5 zurück reflektieren Abtaststrahl 14 darstellt, durch den Zirkulator 3 aus der Lichleitfaser 10 ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Messstrahl wird durch eine weitere Lichtleitfaser auf drei hintereinander angeordnete Demultiplexer 6a, 6b und 6c geleitet, wobei der erste Demultiplexer 6a eine erste Laserwellenlänge λ1 auskoppelt, der zweite Demultiplexer 6b eine zweite Laserwellenlänge λ2 auskoppelt und der dritte Demultiplexer 6c die dritte Laserwellenlänge λ3 auskoppelt. Die vom Demultiplexer 6a ausgekoppelte Lichtwellenlänge λ1 wird auf eine Photodiode 7a geleitet, die die Intensität des betreffenden Messstrahls der Lichtwellenlänge λ1 in eine Spannung umwandelt. Genauso leitet der Demultiplexer 6b den Messstrahl der Lichtwellenlänge λ2 auf eine zweite Photodiode 7b und der Demultiplexer 6c den Messstrahl mit der Lichtwellenlänge λ3 auf eine Photodiode 7c. Die durch die Photodioden 7a, 7b und 7c in Spannungssignale umgewandelten Intensitäten (Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3) werden hierbei von Spannungsauswertern 8a, 8b und 8c entsprechend ausgewertet und zur weiteren Verarbeitung an einen Messrechner 9 weitergereicht.Resorting to 1 Now the evaluation of the measuring beam (interference beam between reference beam 13 and scanning beam 14 ) explained in more detail. As already stated, that of the sensor head 4 in the optical fiber 10 returned measurement beam, which for each of the three laser wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 each an interference signal between the at the beam exit surface 24 reflected reference beam 13 and on the surface 5 reflect back scanning beam 14 represents, by the circulator 3 from the optical fiber 10 decoupled. The decoupled measuring beam is transmitted through a further optical fiber on three successively arranged demultiplexer 6a . 6b and 6c passed, wherein the first demultiplexer 6a a first laser wavelength λ 1 decouples, the second demultiplexer 6b decouples a second laser wavelength λ 2 and the third demultiplexer 6c the third laser wavelength λ 3 decoupled. The demultiplexer 6a decoupled wavelength of light λ 1 is applied to a photodiode 7a passed, which converts the intensity of the respective measuring beam of the light wavelength λ 1 in a voltage. The same way the demultiplexer conducts 6b the measuring beam of the light wavelength λ 2 to a second photodiode 7b and the demultiplexer 6c the measuring beam with the wavelength of light λ 3 on a photodiode 7c , The through the photodiodes 7a . 7b and 7c intensities converted into voltage signals (measuring signals M λ1 , M λ2 and M λ3 ) are in this case of voltage evaluators 8a . 8b and 8c evaluated accordingly and for further processing to a measuring computer 9 passed on.
Damit zeigen die 1 und 2 einen optischen Mehrwellenlängen-Sensor zur Messung von Abständen zu einer Oberfläche umfassend
- a) zwei oder mehr Laser 1a; 1b; 1c, wobei die Laserstrahlen dieser Laser unterschiedliche Wellenlängen λ1; λ2; λ3 aufweisen
- b) einen Sensorkopf 4 mit
- – einem ersten optischen Element 11, das einen optischen Strahl leiten kann und eine teilreflektierende Strahlaustrittsfläche 24 aufweist, so dass ein Teil eines durch das erste optische Element geleiteten Strahls als Referenzstrahl 13 zurück reflektiert wird, während der Rest des Strahls aus dieser Strahlaustrittsfläche 24 als Abtaststrahl 14 austritt und auf die besagte Oberfläche 5 fällt, wobei dieser Abtaststrahl 14 von der Oberfläche 5 reflektiert wird und durch die Strahlaustrittsfläche 24 hindurch wieder in das erste optische Element 11 eintritt, wobei der Referenzstrahl 13 mit dem Abtaststrahl 14 interferiert und gemeinsam einen Messstrahl bildet
- – einem elektrisch ansteuerbaren Modulationselement 17, durch das die optische Weglänge zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 variiert werden kann
- c) eine Auswerteeinheit 30, durch die im Messstrahl für jede der unterschiedlichen Wellenlängenλ1; λ2, λ3 die Intensität des Messstrahls festgestellt werden kann
- d) wenigstens ein zweites optisches Element 2a, 2b, durch das die Laserstrahlen der Laser 1a, 1b, 1c zu einem gemeinsamen Strahl zusammen gefasst werden und zum besagten ersten optischen Element 11 des Sensorkopfes 4 geführt werden und in das erste optische Element 11 eingekoppelt werden
- e) wenigstens ein drittes optisches Element 3, durch das der Messstrahl vom ersten optischen Element zu der Auswerteeinheit 30 geführt wird.
This shows the 1 and 2 comprising a multi-wavelength optical sensor for measuring distances to a surface - a) two or more lasers 1a ; 1b ; 1c wherein the laser beams of these lasers have different wavelengths λ 1 ; λ 2 ; have λ 3
- b) a sensor head 4 With
- A first optical element 11 which can guide an optical beam and a partially reflecting beam exit surface 24 such that a part of a beam guided by the first optical element serves as a reference beam 13 is reflected back, while the rest of the beam from this beam exit surface 24 as a scanning beam 14 exit and onto the said surface 5 falls, this scanning beam 14 from the surface 5 is reflected and through the beam exit surface 24 through back into the first optical element 11 enters, with the reference beam 13 with the scanning beam 14 interferes and forms a measuring beam together
- - An electrically controllable modulation element 17 , through which the optical path length between the beam exit surface 24 and the surface 5 can be varied
- c) an evaluation unit 30 by which in the measuring beam for each of the different wavelengths λ 1 ; λ 2 , λ 3, the intensity of the measuring beam can be determined
- d) at least one second optical element 2a . 2 B through which the laser beams of the laser 1a . 1b . 1c to a common beam and to said first optical element 11 of the sensor head 4 be guided and in the first optical element 11 be coupled
- e) at least a third optical element 3 , by which the measuring beam from the first optical element to the evaluation unit 30 to be led.
Wie bereits eingangs ausgeführt, kann mit dem in den 1 und 2 dargestellten optischen Mehrwellenlängen-Sensor zu einem Zeitpunkt tq ein absoluter Abstandswert dakt(tq) zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der zu vermessenden Oberfläche 5 ermittelt werden. Die Variable tq bezeichnet hierbei einen Zeitpunkt, wobei der Index q = 1, 2, ...k bezeichnet. In diesem Zusammenhang ist wichtig zu verstehen, dass der Index q lediglich zum Ausdruck bringen soll, dass die Zeitpunkte tq unterschiedliche diskrete Zeitpunkte sein sollen. Wenn in dieser Patentanmeldung beispielsweise von einem Zeitpunkt tq und tq+1 die Rede ist, bedeutet dies nicht, dass die Zeitpunkte zwingend ein festes Zeitintervall auseinanderliegen müssen. Zum Ausdruck gebracht werden soll hierdurch lediglich, dass der Zeitpunkt tq vor dem Zeitpunkt tq+1 liegt. Außerdem soll an dieser Stelle erwähnt werden, dass die Zeitpunkte tq jeweils Zeitpunkte bezeichnen, zu denen ein Abstandswert dakt(tq) zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der zu vermessenden Oberfläche 5 ermittelt wird. Im Folgenden wird bei zeitabhängigen Größen, wie beispielsweise den bereits in der Beschreibungseinleitung eingeführten Größen ermittelter Abstandswert dakt(tq), und der Phasendifferenz Φλm(tq) dann ein zeitlicher Bezug hergestellt, wenn der zeitliche Bezug für den betreffenden Zusammenhang wesentlich ist. Ansonsten wird aus Gründen der Übersichtlichkeit der Bezug auf die Zeitpunkte weggelassen.As already mentioned, can with the in the 1 and 2 shown optical multi-wavelength sensor at a time t q is an absolute distance d act (t q ) between the beam exit surface 24 and the surface to be measured 5 be determined. The variable t q denotes a point in time, where the index q = 1, 2, ... k designates. In this context, it is important to understand that the index q is merely intended to express that the times t q should be different discrete points in time. If in this patent application, for example, a time t q and t q + 1 is mentioned, this does not mean that the times must necessarily be a fixed time interval apart. This merely expresses that the time t q lies before the time t q + 1 . In addition, it should be mentioned at this point that the times t q each denote points in time to which a distance value d akt (t q ) between the beam exit surface 24 and the surface to be measured 5 is determined. In the following, a time reference is established for time-dependent variables, such as the distance value d akt (t q ) determined in the introduction to the description, and the phase difference φ λm (t q ) if the temporal reference is essential for the relevant context , Otherwise, for reasons of clarity, the reference to the times is omitted.
Um näher zu erläutern, wie zu einem Zeitpunkt tq ein absoluter Abstandswert dakt(tq) zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der zu vermessenden Oberfläche 5 ermittelt wird, wird zunächst auf 3 Bezug genommen. 3 zeigt hierbei rein beispielhaft und stark vereinfacht für alle drei Wellenlängen λ1, λ2, λ3 das Messsignal Mλ1, Mλ2 und Mλ3, das durch die Messstrahlen auf den Photodioden 7a bis 7c (vgl. 1) entsteht. Die Messstrahlen wiederum werden, wie oben bereits erläutert, durch die Interferenz des an der Strahlaustrittsfläche 24 zurück reflektieren Referenzstrahls 13 mit dem von der Oberfläche 5 zurück reflektierten Abtaststrahl 14 in Abhängigkeit vom tatsächlichen Abstand d zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 erzeugt. Die Ordinaten der drei Diagramme zeigen die an den Photodioden 7a, 7b und 7c aus 1 erzeugten Spannungen UPIN7a, UPIN7b und UPIN7c und die Abszissen zeigen den jeweiligen tatsächlichen Abstand d, den die Strahlaustrittsfläche 24 des Sensorkopfes 4 gegenüber der Oberfläche 5 aufweist. Wie man für den Abstand d = 0 erkennen kann, weisen alle drei Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3 der unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2, λ3 ein Maximum auf. Dies liegt daran, dass der Phasenunterschied zwischen dem von der Strahlaustrittsfläche 24 zurück reflektierten Referenzstrahl 13 und dem von der Oberfläche 5 zurück reflektieren Abtaststrahl 14 gleich Null ist. Vergrößert man nun den tatsächlichen Abstand d zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 auf einen Wert dakt, so ergibt sich für die drei Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3 der unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2, λ3 die durch den vertikalen Strich an der Stelle dakt angedeutete Phasenlage. Dadurch, dass die Wellenlängen λ1, λ2, λ3 geschickt unterschiedlich gewählt werden, haben die drei Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3 für die Wellenlängen λ1, λ2, λ3 eine einzigartige Phasenlage zueinander, die innerhalb des für die Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 geltenden Eindeutigkeitsbereiches nur einmalig vorkommt.To explain in more detail, as at an instant t q, an absolute distance value d akt (t q ) between the beam exit surface 24 and the surface to be measured 5 is determined, is first on 3 Referenced. 3 shows here purely by way of example and greatly simplified for all three wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3, the measurement signal M λ1 , M λ2 and M λ3 , by the measuring beams on the photodiodes 7a to 7c (see. 1 ) arises. The measuring beams are in turn, as already explained above, by the interference of the at the beam exit surface 24 reflect back reference beam 13 with the from the surface 5 back reflected scanning beam 14 depending on the actual distance d between the beam exit surface 24 and the surface 5 generated. The ordinates of the three diagrams show those at the photodiodes 7a . 7b and 7c out 1 generated voltages U PIN7a , U PIN7b and U PIN7c and the abscissa show the respective actual distance d, the beam exit surface 24 of the sensor head 4 opposite the surface 5 having. As can be seen for the distance d = 0, all three measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 of the different wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 have a maximum. This is because the phase difference between that of the beam exit surface 24 reflected back reference beam 13 and from the surface 5 reflect back scanning beam 14 is equal to zero. If you now increase the actual distance d between the beam exit surface 24 and the surface 5 to a value d act , the result for the three measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 of the different wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 is the phase position indicated by the vertical line at the point d akt . Characterized in that the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 are cleverly chosen differently, the three measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 for the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 have a unique phase relationship to each other within the for the wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 valid uniqueness occurs only once.
Wie bereits oben ausgeführt, bestimmt sich der Eindeutigkeitsbereich aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der verwendeten Wellenlängen. An der unteren Grenze und der oberen Grenze eines solchen Eindeutigkeitsbereiches zwischen unterschiedlichen Wellenlängen fallen die Intensitätsmaxima der betrachteten Wellenlängen zusammen. In der stark vereinfachten Darstellung nach 3 bezeichnet beispielsweise E-Iλ1;λ2 die obere Grenze eines ersten Eindeutigkeitsbereiches zwischen den Wellenlängen λ1 und λ2. Dieser erste Eindeutigkeitsbereich zwischen den Wellenlängen λ1 und λ2 ergibt sich für Abstände d zwischen der unteren Grenze (also d = 0) und der oberen GrenzeE-Iλ1;λ2. E-IIλ1;λ2 bezeichnet die obere Grenze des zweiten Eindeutigkeitsbereiches zwischen den Wellenlängen λ1 und Dieser zweite Eindeutigkeitsbereich zwischen den Wellenlängen λ1 und λ2 ergibt sich für Abstände d zwischen der oberen Grenze E-Iλ1;λ2 des ersten Eindeutigkeitsbereiches und der oberen Grenze E-IIλ1;λ2 des zweiten Eindeutigkeitsbereiches. E-Iλ1;λ3 bezeichnet die obere Grenze des ersten Eindeutigkeitsbereiches zwischen den Wellenlängen λ1 und λ3. Dieser erste Eindeutigkeitsbereich zwischen den Wellenlängen λ1 und λ3 ergibt sich für Abstände zwischen der unteren Grenze (also d = 0) des ersten Eindeutigkeitsbereiches und der oberen Grenze E-Iλ1;λ3 des ersten Eindeutigkeitsbereiches. Wie man hieraus ersehen kann, ist der erste Eindeutigkeitsbereich zwischen allen drei Wellenlängen λ1, λ2 und λ3, der sich für Abstände zwischen der unteren Grenze (also d = 0) des ersten Eindeutigkeitsbereiches und der in 3 nicht mehr sichtbaren oberen Grenze E-Iλ1;λ2;λ3 erstreckt (hier fallen die Maxima aller drei Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 zusammen) deutlich größer, als der erste Eindeutigkeitsbereich zwischen den Wellenlängen λ1 und λ2 oder der erste Eindeutigkeitsbereich zwischen den Wellenlängen λ1 und λ3. Wie man gut erkennen kann, definiert die Lage nebeneinanderliegenden Maxima der unterschiedlichen Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3, an welcher Stelle innerhalb des Eindeutigkeitsbereiches der Wellenlängen λ1, und λ3 man sich genau befindet.As already stated above, the uniqueness range is determined from the least common multiple of the wavelengths used. At the lower limit and the upper limit of such a uniqueness range between different wavelengths, the intensity maxima of the observed wavelengths coincide. In the simplistic representation after 3 For example, EI λ1, λ2 denotes the upper limit of a first uniqueness range between the wavelengths λ 1 and λ 2 . This first uniqueness range between the wavelengths λ 1 and λ 2 results for distances d between the lower limit (ie d = 0) and the upper limit E-I λ1; λ2 . E-II λ1; λ2 denotes the upper limit of the second ambiguity region between the wavelengths λ 1 and said second unambiguous range between the wavelengths λ 1 and λ 2 obtained for distances d between the upper limit EI λ1; λ2 of the first unambiguous range and the upper limit E-II λ1; λ2 of the second uniqueness range. EI λ1; λ3 denotes the upper limit of the first uniqueness range between the wavelengths λ 1 and λ 3 . This first uniqueness range between the wavelengths λ 1 and λ 3 results for distances between the lower limit (ie d = 0) of the first uniqueness range and the upper limit E 1 λ 1 ; λ 3 of the first uniqueness range. As can be seen from this, the first uniqueness range between all three wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 , which is for distances between the lower limit (ie d = 0) of the first uniqueness range and the in 3 no longer visible upper limit EI λ1; λ2; λ3 extends (here the maxima of all three wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 together) significantly larger than the first uniqueness range between the wavelengths λ 1 and λ 2 or the first unambiguous range between the wavelengths λ 1 and λ 3 . As you can see well, defines the position adjacent maxima of the different measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 , at which point within the uniqueness range of the wavelengths λ 1 , and λ 3 one is exactly.
Um hierbei für jede Wellenlänge λ1, λ2, λ3 die jeweilige Phasenlage zu ermitteln, wird das erste optische Element 11 aus 2 über den in 2 gezeigten Piezoaktuator 17 hin und her bewegt, so dass sich der tatsächliche Abstand d zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 laufend ändert. Hierbei werden die benachbarten Maxima der Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3 überstrichen wobei die Lage des aktuellen Abstandes dakt relativ zum benachbarten Maximum ziemlich einfach bestimmt werden kann. Tatsächlich ist die Abstandsdifferenz Δdakt-1 zwischen dem aktuell zu ermittelnden Abstand dakt und dem Abstand dmax1, an dem das Messsignal Mλ1 das erste Maximum aufweist definiert durch: Δdakt-1 = dmax1 – dakt = [Umod(dmax1) – Umod(dakt)]·K, (Gleichung 9) wobei Umod(dmax1) die Spannung ist, die an den Piezoaktuator 17 aus 2 angelegt wurde, um ausgehend vom eigentlich zu bestimmenden Abstand dakt zum Maximum beim Abstand dmax1 zu gelangen, Umod(dakt) die Spannung ist, die an den Piezoaktuator 17 aus 2 angelegt wurde für die Stellung, in der der aktuelle Abstand dakt gemessen werden soll (dies ist die Spannung, in der der Piezoaktuator seine Referenzlage hat, so dass also in der Regel Umod(dakt) = 0 V gilt) und K ein Proportionalitätsfaktor ist, der den Zusammenhang zwischen der Spannung Umod am Piezoaktuator 17 und der hierdurch verursachten Wegänderung in Richtung des Pfeils b beschreibt.In order to determine the respective phase position for each wavelength λ 1 , λ 2 , λ 3 , the first optical element becomes 11 out 2 over the in 2 shown piezo actuator 17 moved back and forth, so that the actual distance d between the beam exit surface 24 and the surface 5 constantly changes. In this case, the adjacent maxima of the measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 are swept over, whereby the position of the actual distance d akt relative to the adjacent maximum can be determined quite easily. In fact, the distance difference Δd akt-1 between the currently to be determined distance d act and the distance d max1 , at which the measurement signal M λ1 has the first maximum defined by: Δd akt-1 = d max1 -d akt = [U mod (d max1 ) -U mod (d act )] * K, (Equation 9) where U mod (d max1 ) is the voltage applied to the piezoactuator 17 out 2 was created to proceed from the actually determined distance d akt to the maximum at the distance d max1 , U mod (d act ) is the voltage that is applied to the piezo actuator 17 out 2 was created for the position in which the current distance d akt is to be measured (this is the voltage in which the piezo actuator has its reference position, so that is usually U mod (d act ) = 0 V) and K a Proportionality factor is the relationship between the voltage U mod on Piezoaktuator 17 and describes the path change caused thereby in the direction of the arrow b.
An dieser Stelle soll kurz auf die Nomenklatur des Zeichens Δdakt-1 für die Abstandsdifferenz eingegangen werden, da eine ähnliche Nomenklatur noch an mehreren anderen Stellen verwendet wird. Der Index „akt – 1” in diesem Zeichen soll hierbei andeuten, dass die Abstandsdifferenz zwischen dem aktuell zu ermittelnden Abstandswert dakt (= „akt” im Index) und dem Abstandwert dmax1 (= „1” im Index) ermittelt wird, wobei das Zeichen „–” als „zwischen” zu interpretieren ist.At this point, the nomenclature of the sign Δd akt-1 for the distance difference should be briefly discussed, since a similar nomenclature is used at several other places. The index "act - 1" in this symbol is intended here to indicate that the distance difference between the currently to be determined distance value d act (= "act" in the index) and the distance d max1 (= "1" in the index) is determined the character "-" is to be interpreted as "between".
Vollkommen analog für das Messsignal Mλ2 ergibt sich die Abstandsdifferenz Δdakt-2 zwischen dem aktuell zu ermittelnden Abstand dakt und dem Abstand dmax2, an dem das Messsignal Mλ2 das erste Maximum aufweist durch: Δdakt-2 = dmax2 – dakt = [Umod(dmax2) – Umod(dakt)]·K (Gleichung 10) Completely analogous to the measurement signal M λ2 results in the distance difference Δd akt-2 between the currently to be determined distance d act and the distance d max2 , at which the measurement signal M λ2 has the first maximum by: Δd act-2 = d max2 -d act = [U mod (d max2 ) -U mod (d act )] * K (Equation 10)
Hierin ist wiederum Umod(dmax2) die Spannung, die an den Piezoaktuator 17 aus 2 angelegt wurde, um ausgehend von vom Abstand dakt zum Maximum beim Abstand d2 gelangen. Wie in Gleichung 9 ist außerdem Umod(dakt) die Spannung, die an den Piezoaktuator 17 aus 2 angelegt wurde für die Stellung, in der der aktuelle Abstand dakt gemessen werden soll (also die Spannung, in der der Piezoaktuator 17 seine Referenzlage hat, so dass also in der Regel Umod(dakt) = 0 V gilt) und K ein Proportionalitätsfaktor ist, der den Zusammenhang zwischen der Spannung Umod am Piezoaktuator 17 und der hierdurch verursachten Wegänderung in Richtung des Pfeils b beschreibt.Here again U mod (d max2 ) is the voltage applied to the piezoactuator 17 out 2 was created to proceed from the distance d akt to the maximum at the distance d 2 . As in Equation 9, U mod (d act ) is also the voltage applied to the piezoactuator 17 out 2 was created for the position in which the current distance d akt is to be measured (ie the voltage in which the piezo actuator 17 its reference position has, so that is usually U mod (d act ) = 0 V) and K is a proportionality factor, the relationship between the voltage U mod on the piezoelectric actuator 17 and describes the path change caused thereby in the direction of the arrow b.
Für das Messsignal Mλ3 ergibt sich die Abstandsdifferenz Δdakt-3 zwischen dem aktuell zu ermittelnden Abstand dakt und dem Abstand dmax3 an dem das Messsignal Mλ3 das erste Maximum aufweist wiederum durch: Δdakt-3 = dmax3 – dakt = [Umod(dmax3) – Umod(dakt)]·K. (Gleichung 11) For the measurement signal M λ3 , the distance difference Δd akt-3 between the currently to be determined distance d act and the distance d max3 at which the measurement signal M λ3 the first maximum in turn results in: Δd akt-3 = d max3 -d akt = [U mod (d max3 ) -U mod (d act )] * K. (Equation 11)
Hierin ist wiederum Umod(dmax3) die Spannung, die an den Piezoaktuator 17 aus 2 angelegt wurde, um ausgehend vom Abstand dakt zum Maximum beim Abstand dmax3 zu gelangen. Umod(dakt) und K haben die gleiche Bedeutung wie in Gleichung 9 und Gleichung 10.Here again U mod (d max3 ) is the voltage applied to the piezoactuator 17 out 2 was created to proceed from the distance d akt to the maximum at the distance d max3 . U mod (d act ) and K have the same meaning as in Equation 9 and Equation 10.
Da sich hierdurch nunmehr einerseits vom aktuellen Abstand dakt zu jedem der drei benachbarten Interferenz-Maxima der Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3 der jeweilige Abstand Δdakt-1, Δdakt-2 und Δdakt-3 berechnen lässt und nachdem andererseits sich aus der Lage der drei Interferenz-Maxima zueinander eindeutig die Lage innerhalb des Eindeutigkeitsbereiches bestimmen lässt, kann so auf einfache Weise die aktuelle Position dakt ermittelt werden.Since this makes it possible to calculate the respective distance Δd akt-1 , Δd akt-2 and Δd akt-3 on the one hand from the current distance d akt to each of the three adjacent interference maxima of the measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 If the position of the three interference maxima relative to one another clearly determines the position within the uniqueness range, then the current position d akt can be determined in a simple manner.
4 zeigt eine zu 3 sehr ähnliche Darstellung des eben beschriebenen Sachverhaltes. In den drei Diagrammen der 4 sind untereinander erneut rein schematisch die drei verschiedenen Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3, die sich für die drei Wellenlängen λ1, λ2, λ3 ergeben, aufgezeichnet. In den drei Diagrammen sind wiederum die an den Photodioden 7a, 7b und 7c erzeugten Spannungen UPIN7a, UPIN7b und UPIN7c gegenüber dem jeweiligen tatsächlichen Abstand d, den die Strahlaustrittsfläche 24 des Sensorkopfes 4 gegenüber der Oberfläche 5 aufweist, dargestellt. Gegenüber der Darstellung aus 3 sind die Ordinaten der drei Koordinatensysteme aber nicht für den Abstand d = 0 aufgezeichnet sondern für einen aktuellen Abstand dakt, den aktuell die Strahlaustrittsfläche 24 des Sensorkopfes 4 gegenüber der Oberfläche 5 in der Referenzposition des Piezoaktuators 17 aufweist, d. h. also, wenn im vorliegenden Fall die Spannung Umod am Piezoaktuator 17 gleich 0 Volt ist. Unterhalb der drei Diagramme wurde noch eine weitere Abszisse mit der Bezeichnung Umod aufgezeichnet, auf der die jeweils zu den zugehörigen Abständen d zugehörigen Spannungen am Piezoaktuator 17 aufgetragen sind, die sich ausgehend vom Abstand dakt ergeben. Wie oben bereits im Zusammenhang mit Gleichungen 9, 10 und 11 ausgeführt, bezeichnet Umod(dakt) die Spannung am Piezoaktuator 17 in der Referenzstellung, wobei der tatsächliche Abstand d der Strahlaustrittsfläche 24 des Sensorkopfes 4 gegenüber der Oberfläche 5 hierbei dem Abstandswert d entspricht. Genauso bezeichnen, wie oben im Zusammenhang mit Gleichungen 9 bis 11 ausgeführt, die Bezeichnungen Umod(dmax1), Umod(dmax2) und Umod(dmax3) die Spannungen am Piezoaktuator 17, bei denen der Abstand der Strahlaustrittsfläche 24 des Sensorkopfes 4 gegenüber der Oberfläche 5 hierbei dmax1, dmax2 und dmax3 entspricht, also die Abstände, in denen die Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3 jeweils ein Maximum aufweisen. Dies ist alleine deshalb möglich, da die Abstandsdifferenzen Δdakt-1, Δdakt-2 und Δdakt-3 proportional zu den jeweilig zugehörigen Spannungsdifferenzen ΔUmodakt-1, ΔUmodakt-2 und ΔUmodakt-3 sind, die sich wie folgt berechnen: ΔUmodakt-1 = Umod(dmax1) – Umod(dakt)
ΔUmodakt-2 = Umod(dmax2) – Umod(dakt)
ΔUmodakt-3 = Umod(dmax3) – Umod(dakt) (Gleichung 12) 4 shows one too 3 very similar presentation of the situation just described. In the three diagrams of 4 are again purely schematically the three different measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 , which result for the three wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , recorded. In the three diagrams are again those at the photodiodes 7a . 7b and 7c generated voltages U PIN7a , U PIN7b and U PIN7c opposite the respective actual distance d, the beam exit surface 24 of the sensor head 4 opposite the surface 5 has shown. Opposite the presentation 3 However, the ordinates of the three coordinate systems are not recorded for the distance d = 0 but for a current distance d akt , currently the beam exit surface 24 of the sensor head 4 opposite the surface 5 in the reference position of the piezo actuator 17 ie, if, in the present case, the voltage U mod on the piezo actuator 17 is equal to 0 volts. Below the three diagrams, a further abscissa with the designation U mod was recorded, on which the voltages at the piezoactuator corresponding to the respective distances d are plotted 17 are plotted, resulting from the distance d act . As already stated above in connection with equations 9, 10 and 11, U mod (d act ) denotes the voltage at the piezoactuator 17 in the reference position, wherein the actual distance d of the beam exit surface 24 of the sensor head 4 opposite the surface 5 this corresponds to the distance value d. Similarly, as stated above in connection with Equations 9-11, the terms U mod (d max1 ), U mod (d max2 ) and U mod (d max3 ) denote the voltages on the piezo actuator 17 in which the distance of the beam exit surface 24 of the sensor head 4 opposite the surface 5 in this case d max1 , d max2 and d max3 , ie the distances in which the measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 each have a maximum. This is possible solely because the distance differences Δd akt-1 , Δd akt-2 and Δd akt-3 are proportional to the respectively associated voltage differences ΔU modakt-1 , ΔU mod-2 and ΔU modakt-3 , which are calculated as follows : ΔU mod-1 = U mod (d max1 ) -U mod (d act ) ΔU mod-2 = U mod (d max2 ) -U mod (d act ) ΔU mod-3 = U mod (d max3 ) -U mod (d act ) (equation 12)
Im Folgenden wird nunmehr dargestellt, wie aus den Spannungswerten Umod(dmax1), Umod(dmax2) und Umod(dmax3) die konkrete Position dakt des Sensorkopfes 4 ermittelt werden kann.In the following, it will now be shown how, from the voltage values U mod (d max1 ), U mod (d max2 ) and U mod (d max3 ), the concrete position d act of the sensor head 4 can be determined.
Soweit sich die Wellenlängen λ1 und λ2 innerhalb ihres Eindeutigkeitsbereiches befinden gilt für eine Abstandsdifferenz Δd1-2 zwischen dem Abstand dmax1 beim Maximum des Messsignals Mλ1 und dem Abstand dmax2 beim Maximum von dem Messsignal Mλ2, folgender Zusammenhang: Insofar as the wavelengths λ 1 and λ 2 are within their uniqueness range , the following relationship applies for a distance difference Δd 1-2 between the distance d max1 at the maximum of the measurement signal M λ1 and the distance d max2 at the maximum from the measurement signal M λ2 .
Hierin bezeichnen N1 und N2 ganze Zahlen.Here, N 1 and N 2 denote integers.
Der Faktor 2 im Nenner des ersten Bruches rührt hierbei daher, dass der Abtaststrahl 14 den Abstand dmax1 beim Maximum des Messsignals Mλ1 zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 jeweils zweimal durchlaufen muss, nämlich einmal von der Strahlaustrittsfläche 24 zur Oberfläche 5 und außerdem von der Oberfläche 5 zur Strahlaustrittsfläche 24 zurück. Analog rührt der Faktor 2 im Nenner des zweiten Bruches daher, dass der Abtaststrahl 14 den Abstand dmax2 beim Maximum vom Messsignal Mλ2 zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 jeweils zweimal durchlaufen muss, nämlich einmal von der Strahlaustrittsfläche 24 zur Oberfläche 5 und außerdem von der Oberfläche 5 zur Strahlaustrittsfläche 24.The factor 2 in the denominator of the first fraction is due to the fact that the scanning 14 the distance d max1 at the maximum of the measurement signal M λ1 between the beam exit surface 24 and the surface 5 must pass through twice, namely once from the beam exit surface 24 to the surface 5 and also from the surface 5 to the beam exit surface 24 back. Analogously, the factor 2 in the denominator of the second fraction is due to the fact that the scanning beam 14 the distance d max2 at the maximum of the measurement signal M λ2 between the beam exit surface 24 and the surface 5 must pass through twice, namely once from the beam exit surface 24 to the surface 5 and also from the surface 5 to the beam exit surface 24 ,
Nachdem ferner für eine beliebige Abstandsdifferenz Δdr-s zwischen zwei Abständen dr und ds (also beispielsweise die Abstandsdifferenz Δdakt-1, vergleiche hierbei die oben gemachten Ausführungen zur Nomenklatur des Zeichens Δdakt-1) und für die entsprechende Spannungsdifferenz ΔUmodr-s (also im vorliegenden Beispiel ΔUmodakt-1) Proportionalität gilt, also Δdr-s~ΔUmodr-s kann folgender Zusammenhang festgestellt werden: Δdr-s = ΔUmodr-s·K, (Gleichung 14) wobei K eine Proportionalitätskonstante ist. Hiermit kann der eben dargestellte Zusammenhang nach Gleichung 13 auch wie folgt geschrieben werden: Furthermore, for an arbitrary distance difference Δd rs between two distances d r and d s (ie for example the distance difference Δd akt-1 , compare the explanations given above for the nomenclature of the sign Δd akt-1 ) and for the corresponding voltage difference ΔU modr-s (ie ΔU modakt-1 in this example), the following relationship applies: Δd rs ~ ΔU modr-s Δd rs = ΔU modr-s · K, (Equation 14) where K is a proportionality constant. Hereby, the relationship just described according to Equation 13 can also be written as follows:
ΔUmod1-2 bezeichnet hierbei die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen Umod(dmax1) und Umod(dmax2). ΔUmod1-2 errechnet sich damit durch ΔUmod1-2 = Umod(dmax1) – Umod(dmax2). ΔU mod1-2 denotes the voltage difference between the voltages U mod (d max1 ) and U mod (d max2 ). ΔU mod1-2 is thus calculated by ΔU mod1-2 = U mod (d max1 ) -U mod (d max2 ).
Unter Verwendung des Zusammenhangs, dass die Wegdifferenz eines Wellenzuges der Wellenlänge λ1 und eines Wellenzuges der Wellenlänge λ2 als Δλ1-2 bezeichnet wird, also gilt: Δλ1-2 = λ1 – λ2 (Gleichung 16) so kann für den Term N2·λ2 aus Gleichung 15 auch folgendes geschrieben werden: N2·λ2 = N1·λ1 – N1·Δλ1-2 (Gleichung 17) Using the relationship that the path difference of a wave train of wavelength λ 1 and a wave train of wavelength λ 2 is referred to as Δλ 1-2 , then: Δλ 1-2 = λ 1 - λ 2 (Equation 16) Thus, for the term N 2 · λ 2 from Equation 15, the following can also be written: N 2 · λ 2 = N 1 · λ 1 - N 1 · Δλ 1-2 (Equation 17)
Mit Gleichung 17 ergibt sich aus oben genannter Gleichung 15 damit also Folgendes: Löst man Gleichung 18 nach N1 auf, so ergibt sich Folgendes: Equation 17 results from the above-mentioned equation 15 so that is the following: Solving equation 18 for N 1 gives the following results:
Für den tatsächlichen Abstand dmax1, der ja aufgrund des Maximums des Messsignals Mλ1 ein Vielfaches der halben Wellenlänge λ1/2 betragen muss (weil der Abtaststrahl von der Strahlaustrittsfläche 24 zur Oberfläche 5 und wieder zurück zweimal den Abstand dmax1 durchläuft), ergibt sich damit also unter Verwendung von Gleichung 19: For the actual distance d max1, which must indeed be a multiple of half the wavelength λ 1/2, due to the maximum of the measurement signal M λ1 (because of the scanning beam from the beam exit surface 24 to the surface 5 and back again twice the distance d max1 passes through), thus results using equation 19:
Für den aktuell zu ermittelnden Abstand dakt, der von dem Abstand dmax1 um die Abstandsdifferenz Δdakt-1 beabstandet ist, ergibt sich unter Verwendung des Zusammenhanges nach Gleichung 14 für den konkreten Fall: Δdakt-1 = ΔUmodakt-1·K (Gleichung 21) For the current to be detected distance d akt, which is spaced from the distance d max1 to the distance difference .DELTA.d Akt-1, obtained by using the relationship according to Equation 14 for the specific case: Δd akt-1 = ΔU modakt-1 · K (Equation 21)
Mit Gleichung 20 und Gleichung 21 ergibt sich aus Gleichung 9 folgendes: With Equation 20 and Equation 21, Equation 9 yields:
Somit lässt sich nunmehr aus den beiden gemessenen Spannungsdifferenzen ΔUmodakt-1 und ΔUmod1-2 der gewünschte Abstand dakt ermitteln, der den Abstand der Strahlaustrittsfläche 24 des Sensorkopfes 4 zur Oberfläche 5 beschreibt. Dieser Abstand dakt ist mithin auch gleichbedeutend mit dem Abstand des Sensorkopfes 4 zur Oberfläche 5. Das eben beschriebene Verfahren funktioniert hierbei natürlich nur so lange, solange sich der beschriebene tatsächliche Abstand d im Eindeutigkeitsbereich der Wellenlängen λ1 und λ2 befindet. Sobald der Eindeutigkeitsbereich überschritten ist, kann das eben anhand von zwei Wellenlängen λ1 und λ2 beschriebene Verfahren durch eine dritte Wellenlänge λ3 deutlich erweitert werden. Verwendet man beispielsweise als dritte Wellenlänge λ3 eine Wellenlänge, die sich von der Wellenlänge λ1 nur geringfügig unterscheidet, so ergibt sich hierdurch ein wesentlich größerer Eindeutigkeitsbereich verglichen zu dem Eindeutigkeitsbereich, der durch die Wellenlängen λ1 und λ2 festgelegt ist. Hierdurch können eindeutige Messungen auch dann vorgenommen werden, wenn der Eindeutigkeitsbereich zwischen den Wellenlängen λ1 und λ2 bereits überschritten ist.Thus, the desired spacing d can be calculated now act from the two measured voltage differences .DELTA.U modakt-1 and .DELTA.U mod1-2 that the distance between the beam exit surface 24 of the sensor head 4 to the surface 5 describes. This distance d akt is therefore synonymous with the distance of the sensor head 4 to the surface 5 , Of course, the method just described works only so long as long as the actual distance d described is in the unambiguous range of the wavelengths λ 1 and λ 2 . As soon as the uniqueness range is exceeded, the method just described with reference to two wavelengths λ 1 and λ 2 can be significantly extended by a third wavelength λ 3 . Used For example, as a third wavelength λ 3, a wavelength that differs only slightly from the wavelength λ 1 , this results in a much larger uniqueness compared to the uniqueness range, which is defined by the wavelengths λ 1 and λ 2 . As a result, unambiguous measurements can also be made if the uniqueness range between the wavelengths λ 1 and λ 2 has already been exceeded.
Das oben am Beispiel von zwei Wellenlängen λ1, λ2 dargestellte Verfahren lässt sich sinngemäß auf weitere Wellenlängen übertragen. Dabei wird die Abstandsdifferenz der Maxima für jeweils zwei der verwendeten Wellenlängen betrachtet und daraus ergeben sich bei n Wellenlängen n – 1 Beziehungen der Abstandsdifferenzen. Diese Kombination aus n – 1 Werten charakterisiert den aktuell zu ermittelnden Abstand dakt eindeutig innerhalb des Eindeutigkeitsbereiches der verwendeten n Wellenlängen. Der Eindeutigkeitsbereich bestimmt sich aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der verwendeten n Wellenlängen.The method shown above with the example of two wavelengths λ 1 , λ 2 can be analogously transmitted to further wavelengths. In this case, the distance difference of the maxima is considered for every two of the wavelengths used, and this results in n wavelengths n-1 relationships of the distance differences. This combination of n-1 values characterizes the currently to be determined distance d act uniquely within the uniqueness range of the n wavelengths used. The uniqueness range is determined from the smallest common multiple of the n wavelengths used.
Bei drei Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 beispielsweise wird also nicht nur die Abstandsdifferenz Δd1-2 der Maxima für die Wellenlängen λ1, λ2 betrachtet, sondern auch die Abstandsdifferenz Δd1-3 der Maxima für die Wellenlängen λ1 und λ3 betrachtet. Diese Kombination der Abstandsdifferenz Δd1-2 und der Abstandsdifferenz Δd1-3 charakterisiert den aktuell zu ermittelnden Abstand dakt eindeutig innerhalb des Eindeutigkeitsbereiches der verwendeten Wellenlängen.At three wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3, for example, not only the distance difference Δd 1-2 of the maxima for the wavelengths λ 1 , λ 2 is considered, but also the distance difference Δd 1-3 of the maxima for the wavelengths λ 1 and λ 3 considered. This combination of the distance difference Δd 1-2 and the distance difference Δd 1-3 characterizes the currently to be determined distance d act uniquely within the uniqueness range of the wavelengths used.
Nach dem beschriebenen Verfahren können damit also die jeweils aktuellen Abstandswerte dakt(tq) für eine jeweilige Position des Sensorkopfes 4 ermittelt werden. Wie oben bereits schon ausführlich dargelegt, soll der Parameter tq hierbei zeigen, dass der Abstandswert dakt abhängig von der Zeit ist und damit variiert. Die Auswerteinheit 30 ist nunmehr in erfindungsgemäßer Weise dazu eingerichtet für eine Vielzahl von aufeinander folgenden Abständen dakt(tq) und dakt(tq+1) zwischen dem Sensorkopf 4 und der Oberfläche 5 Abstandswerte dakt(tq) zu ermitteln. Dabei ist die Auswerteeinheit 30 dazu eingerichtet für einen jeweils gegebenen Abstand dakt(tq) des Sensorkopfes 4 zur Oberfläche für jede einzelne Laserwellenlänge λ1, λ2 und λ3 aus dem Messstrahl, der durch die an den Photodioden 7a, 7b und 7c entstehenden Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3 repräsentiert ist, die Phasendifferenz Φλ1(tq), Φλ2(tq), Φλ3(tq) zwischen dem Referenzstrahl 13 und dem Abtaststrahl 14 zu ermitteln. Die Ermittlung dieser Phasendifferenz Φλn(tq) für eine Wellenlänge λn zum Zeitpunkt tq, also die Phasendifferenz Φλ1(tq) für die Wellenlänge λ1, die Phasendifferenz Φλ2(tq) für die Wellenlänge λ2 und die Phasendifferenz Φλ3(tq) für die Wellenlänge λ3, kann über folgende Gleichung einfach aus dem zugehörigen ermittelten Abstandswert dakt(tq) berechnet werden: According to the method described, the respective current distance values d akt (t q ) for a respective position of the sensor head can therefore be used 4 be determined. As already explained in detail above, the parameter tq should show here that the distance value d akt is dependent on the time and thus varies. The evaluation unit 30 is now in accordance with the invention set up for a plurality of successive distances d act (t q ) and d act (t q + 1 ) between the sensor head 4 and the surface 5 Distance values d akt (t q ) to determine. Here is the evaluation unit 30 arranged for a given distance d akt (t q ) of the sensor head 4 to the surface for each individual laser wavelength λ 1 , λ 2 and λ 3 from the measuring beam passing through the at the photodiodes 7a . 7b and 7c resulting measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 is represented, the phase difference Φ λ1 (t q ), Φ λ2 (t q ), Φλ 3 (t q ) between the reference beam 13 and the scanning beam 14 to investigate. The determination of this phase difference Φ λn (t q ) for a wavelength λ n at the time t q , ie the phase difference Φ λ1 (t q ) for the wavelength λ 1 , the phase difference Φλ 2 (t q ) for the wavelength λ 2 and the Phase difference Φ λ3 (t q ) for the wavelength λ 3 , can be calculated by the following equation simply from the associated determined distance value d akt (t q ):
Der Faktor 2 vor dem Faktor (2·π) im Zähler von Gleichung 23 rührt daher, dass der Abtaststrahl 14 den Weg zwischen der Strahlaustrittfläche 24 und der Oberfläche 5 zweimal durchläuft, nämlich einmal von der Strahlaustrittsfläche 24 zur Oberfläche 5 und nach der Reflexion auf der Oberfläche 5 wieder zurück zur Strahlaustrittsfläche 24.The factor 2 before the factor (2 · π) in the numerator of Equation 23 is due to the fact that the scanning beam 14 the path between the jet exit surface 24 and the surface 5 passes twice, namely once from the beam exit surface 24 to the surface 5 and after the reflection on the surface 5 back to the beam exit surface 24 ,
Die Auswerteeinheit 30 ist ferner dazu eingerichtet aus den ermittelten Phasendifferenzen Φλn(tq+1) und Φλn(tq) für die Wellenlänge λn zweier aufeinander folgender Abstände dakt(tq) und dakt(tq+1) zu zwei Zeitpunkten tq und tq+1 (also den Phasendifferenzen Φλ1(tq+1) und Φλ1(tq) für die Wellenlänge λ1; den Phasendifferenzen Φλ2(tq+1) und Φλ2(tq) der Wellenlänge λ2 und den Phasendifferenzen Φλ3(tq+1) und Φλ3(tq) der Wellenlänge λ3) eine Änderung der Phasendifferenz ΔΦλn = Φλ1(tq+1) – Φλ1(tq) für die jeweilige Wellenlänge λn (also ΔΦλ1 = Φλ1(tq+1) – Φλ1(tq) für die Wellenlänge λ1, ΔΦλ2 = Φλ2(tq+1) – Φλ2(tq) für die Wellenlänge und ΔΦλ3 = Φλ3(tq+1) – Φλ3(tq) für die Wellenlänge λ3) zu ermitteln. Die Auswerteeinheit 30 ist hierbei ferner dazu eingerichtet, aus den ermittelten Änderungen der Phasendifferenz eine Konsistenzprüfung durchzuführen. Die Auswerteeinheit 30 prüft zur Konsistenzprüfung für zumindest zwei unterschiedliche Wellenlängen λ1 und λ2 und für die jeweils zugehörigen ermittelten Änderungen der Phasendifferenz ΔΦλm und ΔΦλn, ob gilt: wobei Cn, Cm ∊ Korrekturfaktore sind. In einer besonders einfachen Variante wird hierbei Cn = Cm = 1 gewählt. Damit ergibt sich aus der eben genannten Gleichung 24: The evaluation unit 30 is further arranged to the determined phase differences Φ λn (t q + 1 ) and Φ λn (t q ) for the wavelength λ n of two successive distances d act (t q ) and d act (t q + 1 ) at two times t q and t q + 1 (ie the phase differences Φ λ1 (t q + 1 ) and Φ λ1 (t q ) for the wavelength λ 1 , the phase differences Φ λ2 (t q + 1 ) and Φ λ2 (t q ) Wavelength λ 2 and the phase differences Φ λ3 (t q + 1 ) and Φ λ3 (t q ) of the wavelength λ 3 ) a change in the phase difference ΔΦ λn = Φ λ1 (t q + 1 ) - Φ λ1 (t q ) for the respective wavelength λ n (ie ΔΦ λ1 = Φ λ1 (t q + 1 ) - Φ λ1 (t q ) for the wavelength λ 1 , ΔΦ λ2 = Φ λ2 (t q + 1 ) - Φ λ2 (t q ) for the Wavelength and ΔΦ λ3 = Φ λ3 (t q + 1 ) - Φ λ3 (t q ) for the wavelength λ 3 ) to determine. The evaluation unit 30 In this case, it is also set up to perform a consistency check from the ascertained changes in the phase difference. The evaluation unit 30 checks for consistency check for at least two different wavelengths λ 1 and λ 2 and for the respectively associated determined changes of the phase difference ΔΦ λm and ΔΦ λn , if: where C n , C m ε Correction factors are. In a particularly simple variant, C n = C m = 1 is selected here. This results from the just mentioned equation 24:
Dieser Konsistenzprüfung liegt hierbei folgende Überlegung zugrunde. Für eine Änderung des aktuellen Abstandes Δdakt = dakt(tq+1) – dakt(tq) muss hinsichtlich der Wellenlänge λ1 gelten: This consistency check is based on the following consideration. For a change of the current distance d = .DELTA.d akt akt (t q + 1) - d akt (t q) must hold with respect to the wavelength λ 1:
Hierin ist ΔΦλ1 die Änderung der Phasendifferenz für das Messsignal Mλ1. Der Faktor 2 im Nenner des Bruches λ1/2 rührt hierbei wiederum daher, dass der Abtaststrahl 14 den Abstand zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 zweimal durchläuft, nämlich einmal von der Strahlaustrittsfläche 24 zur Oberfläche 5 und einmal von der Oberfläche 5 zurück zur Strahlaustrittsfläche 24. Genau dieselbe Bedingung muss natürlich für die Wellenlänge λ2 gelten, so dass hierfür anzusetzen ist: (Gleichung 27) Here, ΔΦ λ1 is the change of the phase difference for the measurement signal M λ1 . The factor 2 in the denominator of the fraction λ 1/2 stirred here again, therefore, that the scanning beam 14 the distance between the beam exit surface 24 and the surface 5 passes twice, namely once from the beam exit surface 24 to the surface 5 and once from the surface 5 back to the beam exit surface 24 , Of course, exactly the same condition has to apply to the wavelength λ 2 , so that it must be assumed that: (Equation 27)
Hierin ist ΔΦλ2 die Änderung der Phasendifferenz für das Messsignal Mλ2. Aus den beiden letztgenannten Gleichungen 26 und 27 ergibt sich mithin: Here, ΔΦ λ2 is the change of the phase difference for the measurement signal M λ2 . From the two last-mentioned equations 26 and 27, the following results:
Aus Gleichung 28 wiederum ergibt sich der Zusammenhang: λ1·ΔΦλ1 = λ2·ΔΦλ2 (Gleichung 29) Equation 28 again gives the relation: λ 1 · λ 2 · ΔΦ .lambda.1 ΔΦ = λ2 (equation 29)
Formt man Gleichung 29 um, so ergibt sich: Transforming Equation 29 results in:
Dies entspricht exakt dem oben genannten Vorgehen. Die eben beschriebene Konsistenzprüfung setzt hierbei voraus, dass die Wellenlängen λ1 und λ2 relativ exakt bekannt und zeitlich zumindest im Zeitraum tq bis tq+1 konstant sind.This corresponds exactly to the above procedure. The just described consistency check presupposes in this case that the wavelengths λ 1 and λ 2 are relatively precisely known and constant in time, at least in the time period t q to t q + 1 .
Das Verfahren kann etwas weiter flexibilisiert werden, wenn en ≠ 1 und/oder cm ≠ 1 gewählt wird. Hierbei kann die Auswerteeinheit 30 dazu eingerichtet sein, eine Wellenlänge λ1 und die zugehörige Änderung der Phasendifferenz ΔΦλ1 als Referenz zu wählen. Dementsprechend wird der zugehörige Korrekturfaktor C1 = 1 gewählt. Ausgehend hiervon sollte die Auswerteeinheit 30 ferner dazu eingerichtet sein für wenigstens eine weitere Wellenlänge λm und die zugehörige Änderung der Phasendifferenz ΔΦλm den zugehörigen Korrekturfaktor Cm über folgende Gleichung zu bestimmen: The process can be made slightly more flexible if e n ≠ 1 and / or c m ≠ 1 is selected. Here, the evaluation unit 30 be configured to select a wavelength λ 1 and the associated change in the phase difference ΔΦ λ1 as a reference. Accordingly, the associated correction factor C 1 = 1 is selected. Based on this, the evaluation should 30 furthermore, be set up for at least one further wavelength λ m and the associated change of the phase difference ΔΦ λm to determine the associated correction factor C m via the following equation:
Diese Gleichung 31 ergibt sich hierbei aus der oben genannten Gleichung 24, in dem in der Gleichung 24 Cn = 1 gesetzt wird und diese Gleichung nach Cm aufgelöst wird.This equation 31 results here from the above-mentioned equation 24, in which C n = 1 is set in equation 24 and this equation is solved for C m .
Ist der Wert Cm einmal bestimmt, so ergibt sich aus der oben genannten Gleichung zur Konsistenzprüfung folgender Zusammenhang: Once the value Cm has been determined, the following equation results from the above-mentioned equation for the consistency check:
Diese Formel zur Konsistenzprüfung lässt sich besonders vorteilhaft dann einsetzten, wenn die Wellenlängen nicht exakt bekannt sind oder beispielsweise in Folge thermischer Drift sich im Laufe eines Messablaufes verändern bzw. sich der Brechungsindex des Mediums auf der Messstrecke während der Messdauer ändert. Die Korrekturwerte Cm sollten hierbei bevorzugt im Bereich [0,5; 1,5], besonders bevorzugt im Bereich [0,9; 1,1] und ganz besonders bevorzugt im Bereich [0,95; 1,05] liegen.This consistency test formula can be used particularly advantageously when the wavelengths are not known exactly or, for example, as a consequence of thermal drift, change during the course of a measurement process or the refractive index of the medium changes on the measurement path during the measurement period. The correction values Cm should preferably be in the range [0.5; 1.5], more preferably in the range [0.9; 1,1] and most preferably in the range [0,95; 1.05].
Zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung der aktuellen Position d ist die Auswerteeinheit 30 dabei dazu eingerichtet das elektrisch ansteuerbare Modulationselement 17 derart anzusteuern, dass ausgehend vom Ausgangszustand der optischen Weglänge des elektrisch ansteuerbaren Modulationselementes 17 die optische Weglänge vom elektrisch ansteuerbaren Modulationselement so verändert wird, dass für jede der unterschiedlichen Laserwellenlängen λ1, λ2 und λ3 zumindest das nächste Interferenzmaximum ermittelt wird, wobei die Lage eines jeweiligen Interferenzmaximums relativ zum Ausgangszustand durch die Änderung der optischen Weglänge oder einem hierzu proportionalen Parameter ermittelt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 wird hierbei, wie oben bereits erwähnt, als elektrisch ansteuerbares Modulationselement 17 ein Piezoaktuator verwendet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 5, das völlig analog zu 2 einen Sensorkopf 4 des Mehrwellenlängeninterferometers aus 1 zeigt, wird als elektrisch ansteuerbares Modulationselement ein elektrooptisches Modulationselement 18 verwendet, das auf der Lichtaustrittsfläche 24 befestigt ist und das in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal seine optischen Eigenschaften und damit die optische Weglänge des Abtaststrahls 14 verändert. Als elektrooptisches Modulationselement 18 kommen hierbei unterschiedliche Elemente in Betracht. Es kann sich beispielsweise um einen akustooptischen Modulator handeln oder einen elektrooptischen Modulator oder um ein optisches Element, mit einem zugeordneten Piezoaktuator, der die Spannung des optischen Elementes verändert. Durch die Veränderung der optischen Weglänge des Abtaststrahls mittels des elektrooptischen Modulationselementes 28 wird derselbe Effekt erzeugt, als wenn der Abstand d zwischen der Lichtaustrittsfläche 24 und der zu vermessenden Oberfläche 5 verändert wird, wie dies im Zusammenhang mit dem Abtastkopf gemäß 2 beschrieben ist.For carrying out the method described above for determining the current position d, the evaluation unit 30 in this case set up the electrically controllable modulation element 17 to control such that, starting from the initial state of the optical path length of the electrically controllable modulation element 17 the optical path length of the electrically controllable modulation element is changed so that at least the next interference maximum is determined for each of the different laser wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 , wherein the position of a respective interference maximum relative to the initial state by the change in the optical path length or a thereto proportional parameter is determined. In the embodiment according to the 1 and 2 is here, as already mentioned above, as an electrically controllable modulation element 17 a piezo actuator is used. In the embodiment according to 5 that is completely analogous to 2 a sensor head 4 of the multi-wavelength interferometer 1 shows, as an electrically controllable modulation element is an electro-optical modulation element 18 used that on the light exit surface 24 is fixed and in response to an electrical signal, its optical properties and thus the optical path length of the scanning beam 14 changed. As electro-optical modulation element 18 come here different elements into consideration. It may be, for example, an acousto-optical modulator or an electro-optical modulator or an optical element, with an associated piezo actuator, which changes the voltage of the optical element. By changing the optical path length of the scanning beam by means of the electro-optical modulation element 28 the same effect is produced as if the distance d between the light exit surface 24 and the surface to be measured 5 is changed, as in the context of the scanning head according to 2 is described.
Der oben im Zusammenhang mit 1 bis 4 beschriebene Mehrwellenlängen-Sensor, der alternativ auch einen Sensorkopf 4 gemäß 5 aufweisen kann, zeigt hierbei die bevorzugte Variante eines optischen Mehrwellenlängen-Sensors, weil die hierin verwendeten Lichtleitfasern 10 sicherstellen, dass der Sensorkopf 4 hier in unterschiedlichste Positionen positioniert werden kann und insbesondere auch Erschütterungen praktisch keine Probleme in dem Mehrwellenlängen-Sensor erzeugen.The above related to 1 to 4 described multi-wavelength sensor, the alternative also a sensor head 4 according to 5 in this case shows the preferred variant of a multi-wavelength optical sensor, because the optical fibers used herein 10 make sure the sensor head 4 can be positioned here in a variety of positions and in particular vibrations produce virtually no problems in the multi-wavelength sensor.
Alternativ hierzu kann jedoch auch der Mehrwellenlängen-Sensor als Freistrahl-Interferometer aufgebaut sein, wie dies rein beispielhaft 6 zeigt. Gleiche Bauteile wie der Mehrwellenlängen-Sensor gemäß 1 sind hierbei auch mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet. Dieser Mehrwellenlängen-Sensor weist genau wie der Mehrwellenlängen-Sensor gemäß 1 drei Laser 1a, 1b und 1c mit unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 auf, wobei zur Vereinigung der drei Strahlen der drei Laser 1a, 1b und 1c zwei halbdurchlässige Spiegel 19a und 19b verwendet werden und auf einen Sensorkopf 21 geleitet werden, der ähnlich dem Sensorkopf 4 gemäß 2 oder 5 aufgebaut sein kann. Der vom Sensorkopf 21 zurückreflektierte Messstrahl wird hierbei durch den halbdurchlässigen Spiegel 20 ausgekoppelt, wobei die beiden dichroitischen Spiegel 22a und 22b hierbei die Wellenlängen λ1 und λ2 aus dem Messstrahl auskoppeln und auf die Photodioden 7a und 7b reflektieren. Der verbleibende Messstrahl, der nunmehr nur noch die Wellenlänge λ3 enthält wird über einen Spiegel 23 auf die dritte Photodiode 7c gelenkt. Die Auswerteeinheit 30 funktioniert hierbei mit Ausnahme der Tatsache, dass anstelle der in 1 gezeigten Demultiplexer 6a–6c die Dichroitischen Spiegel 22a und 22b und der Spiegel 23 verwendet werden, ganz genauso, wie es oben im Zusammenhang mit dem Mehrwellenlängen-Sensor nach 1 erläutert wurde.Alternatively, however, the multi-wavelength sensor may be constructed as a free-jet interferometer, as purely exemplary 6 shows. Same components as the multi-wavelength sensor according to 1 are hereby designated by the same reference numerals. This multi-wavelength sensor, like the multi-wavelength sensor, behaves according to 1 three lasers 1a . 1b and 1c with different wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 , wherein for combining the three beams of the three lasers 1a . 1b and 1c two half-transparent mirrors 19a and 19b be used and on a sensor head 21 be conducted, similar to the sensor head 4 according to 2 or 5 can be constructed. The from the sensor head 21 reflected beam is here by the semi-transparent mirror 20 decoupled, with the two dichroic mirrors 22a and 22b Here, the wavelengths λ 1 and λ 2 decouple from the measuring beam and the photodiodes 7a and 7b reflect. The remaining measuring beam, which now only contains the wavelength λ 3 is a mirror 23 on the third photodiode 7c directed. The evaluation unit 30 works with this Exception of the fact that instead of in 1 shown demultiplexer 6a - 6c the dichroic mirrors 22a and 22b and the mirror 23 just as it does above with the multi-wavelength sensor after 1 was explained.
7 zeigt nunmehr eine Ausführung eines Sensorkopfes 21 für den in 6 beschriebenen Mehrwellenlängen-Sensor. Die Darstellung ist auch hier nur rein schematisch. Der Sensorkopf 21 arbeitet hierbei ähnlich dem Sensorkopf 4 aus 5, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten wie in 5 bezeichnen. Wie aus 7 zu sehen ist, umfasst das erste optische Element des Sensorkopfes 21 nur eine mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnete Gradientenindexlinse. Im Unterschied zum Sensorkopf 4 nach 5 wird der Laserstrahl 12 hier nicht über eine Lichtleitfaser zum Sensorkopf gebracht, sondern als Freistrahl, wie dies auch oben schon im Zusammenhang mit 6 erläutert wurde. Der Laserstrahl 12 ist bereits aufgeweitet, wobei dieser Laserstrahl 12 von der Gradientenindexlinse 25 gebündelt wird. Genau wie im Falle des Sensorkopfes 4 nach 5 spaltet die Strahlaustrittsfläche 24 den Laserstrahl 12 in einen Referenzstrahl 13 und einen Abtaststrahl 14 auf, wobei als elektrisch ansteuerbares Modulationselement, genau wie im Falle von 5 ein elektrooptisches Modulationselement 18 verwendet wird. Genau wie im Falle von 5 interferiert der von der Oberfläche 5 zurückreflektierte Abtaststrahl 14 mit dem von der Strahlaustrittsfläche 24 reflektierten Referenzstrahl 13, wobei hierdurch der Messstrahl gebildet wird, der dann in der Auswerteeinheit 30 im Mehrwellenlängen-Sensor nach 6 ausgewertet wird. Natürlich kann anstelle des elektrooptischen Modulationselementes 18 als elektrisch ansteuerbares Modulationselement genauso ein Aktuator verwendet werden, wie der in 2 gezeigte Piezoaktuator 17. 7 now shows an embodiment of a sensor head 21 for the in 6 described multi-wavelength sensor. The representation is also purely schematic here. The sensor head 21 works similar to the sensor head 4 out 5 , wherein like reference numerals refer to like components 5 describe. How out 7 can be seen, includes the first optical element of the sensor head 21 only one with the reference numeral 25 designated gradient index lens. In contrast to the sensor head 4 to 5 becomes the laser beam 12 not brought here via an optical fiber to the sensor head, but as a free jet, as already above in connection with 6 was explained. The laser beam 12 is already expanding, with this laser beam 12 from the gradient index lens 25 is bundled. Just like in the case of the sensor head 4 to 5 splits the beam exit surface 24 the laser beam 12 in a reference beam 13 and a scanning beam 14 auf, where as electrically controllable modulation element, just as in the case of 5 an electro-optical modulation element 18 is used. Just like in the case of 5 it interferes with the surface 5 backscanned scanning beam 14 with that of the beam exit surface 24 reflected reference beam 13 , whereby thereby the measuring beam is formed, which then in the evaluation unit 30 in the multi-wavelength sensor 6 is evaluated. Of course, instead of the electro-optical modulation element 18 as an electrically controllable modulation element as an actuator can be used as the in 2 shown piezo actuator 17 ,
Damit zeigen die 6 und 7 einen optischen Mehrwellenlängen-Sensor zur Messung von Abständen zu einer Oberfläche umfassend
- a) zwei oder mehr Laser 1a; 1b; 1c, wobei die Laserstrahlen dieser Laser unterschiedliche Wellenlängen λ1; λ2; λ3 aufweisen
- b) einen Sensorkopf 21 mit
- – einem ersten optischen Element 25, das einen optischen Strahl leiten kann und eine teilreflektierende Strahlaustrittsfläche 24 aufweist, so dass ein Teil eines durch das erste optische Element geleiteten Strahls als Referenzstrahl 13 zurückreflektiert wird, während der Rest des Strahls aus dieser Strahlaustrittsfläche 24 als Abtaststrahl 14 austritt und auf die besagte Oberfläche 5 fällt, wobei dieser Abtaststrahl 14 von der Oberfläche 5 reflektiert wird und durch die Strahlaustrittsfläche 24 hindurch wieder in das erste optische Element 25 eintritt, wobei der Referenzstrahl 13 mit dem Abtaststrahl 14 interferiert und gemeinsam einen Messstrahl bildet
- – einem elektrisch ansteuerbaren Modulationselement 18, durch das die optische Weglänge zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 variiert werden kann
- c) eine Auswerteeinheit 30, durch die im Messstrahl für jede der unterschiedlichen Wellenlängen λ1; λ2; λ3 die Intensität des Messstrahls (Messsignale Mλ1, Mλ2 und Mλ3) festgestellt werden kann
- d) wenigstens ein zweites optisches Element 19a, 19b, durch das die Laserstrahlen der Laser 1a, 1b, 1c zu einem gemeinsamen Strahl zusammen gefasst werden und zum besagten ersten optischen Element 11 des Sensorkopfes 4 geführt werden und in das erste optische Element 11 eingekoppelt werden
- e) wenigstens ein drittes optisches Element 20, durch das der Messstrahl vom ersten optischen Element zu der Auswerteeinheit 30 geführt wird.
This shows the 6 and 7 comprising a multi-wavelength optical sensor for measuring distances to a surface - a) two or more lasers 1a ; 1b ; 1c wherein the laser beams of these lasers have different wavelengths λ 1 ; λ 2 ; have λ 3
- b) a sensor head 21 With
- A first optical element 25 which can guide an optical beam and a partially reflecting beam exit surface 24 such that a part of a beam guided by the first optical element serves as a reference beam 13 is reflected back, while the rest of the beam from this beam exit surface 24 as a scanning beam 14 exit and onto the said surface 5 falls, this scanning beam 14 from the surface 5 is reflected and through the beam exit surface 24 through back into the first optical element 25 enters, with the reference beam 13 with the scanning beam 14 interferes and forms a measuring beam together
- - An electrically controllable modulation element 18 , through which the optical path length between the beam exit surface 24 and the surface 5 can be varied
- c) an evaluation unit 30 by which in the measuring beam for each of the different wavelengths λ 1 ; λ 2 ; λ 3, the intensity of the measurement beam (measurement signals M λ1 , M λ2 and M λ3 ) can be determined
- d) at least one second optical element 19a . 19b through which the laser beams of the laser 1a . 1b . 1c to a common beam and to said first optical element 11 of the sensor head 4 be guided and in the first optical element 11 be coupled
- e) at least a third optical element 20 , by which the measuring beam from the first optical element to the evaluation unit 30 to be led.
In besonders vorteilhafter Weise kann der optische Mehrwellenlängen-Sensor in einem Messgerät vorgesehen sein, das eine Aktuatorik umfasst, über die der Abstand des Sensorkopfes 4 oder 28 relativ zu einer zu vermessenden Oberfläche 5 verändert werden kann. Hierdurch kann der Mehrwellenlängen-Sensor als eindimensionaler Sensor für das Messgerät (beispielsweise ein Koordinatenmessgerät) verwendet werden.In a particularly advantageous manner, the optical multi-wavelength sensor can be provided in a measuring device which comprises an actuator via which the distance of the sensor head 4 or 28 relative to a surface to be measured 5 can be changed. As a result, the multi-wavelength sensor can be used as a one-dimensional sensor for the measuring device (for example, a coordinate measuring machine).
Vorzugsweise ist die Aktuatorik hierbei dazu eingerichtet, die tatsächlich bewirkte Abstandsänderung zwischen der Oberfläche 5 und dem Sensorkopf 4 oder 28 zu messen und an die Auswerteeinheit 30 des optischen Wellenlängen-Sensors zu übermitteln.Preferably, the actuator is hereby set up, the actually caused change in distance between the surface 5 and the sensor head 4 or 28 to measure and to the evaluation unit 30 of the optical wavelength sensor to transmit.
Ein solches Messgerät mit einer Aktuatorik in Form einer Robotermechanik 36 ist äußerst abstrahiert in 8 dargestellt. Wie aus 8 zu sehen ist, weist dieses hier rein beispielhaft eine Robotermechanik 36 mit mehreren Drehgelenken auf, über die der Sensorkopf 4 aus 1 in den drei Koordinatenrichtungen x, y, z verfahren werden kann und um diese Koordinatenrichtungen auch rotiert werden kann. Durch die Drehencoder in den Drehgelenken des Roboterarms 36 kann die jeweilige Position und Lage des Sensorkopfes 4 gemessen werden. Außerdem weist das Messgerät einen Werkstücktisch 33 auf, auf dem ein Werkstück 34 mit einer abzutastenden Oberfläche 5 steht. Des Weiteren ist rein schematisch eine Einheit 32 gezeigt, in der neben der Auswerteeinheit 30 aus 1 zusätzlich auch die Laser 1a–1c, die Multiplexer 2a, 2b und der Zirkulator 3 aus 1 angeordnet sind. Der in der Einheit 32 enthaltene Zirkulator 3 ist über die Lichtleitfaser 10 mit dem Sensorkopf 4 verbunden. Außerdem ist die in der Robotermechanik 36 enthaltene Steuerung über eine Datenleitung 35 mit dem Auswerterechner 9 der in der Einheit 32 enthaltenen Auswerteeinheit 30 verbunden. Nachdem die Steuerung entweder aus den CAD-Informationen eines zu vermessenden Werkstückes 34 oder alternativ auch aus Messwerten eines tatsächlich gemessenen Werkstückes 34 die Lage des Sensorkopfes 4 relativ zur Werkstückoberfläche 5 kennt, kann die Steuerung die Robotermechanik 36 so ansteuern, dass der Sensorkopf 4 gezielt in seiner Messrichtung verstellt wird. Hierdurch ist es möglich anhand der Messwerte der Encoder des Roboterarms 36 die Änderung der Lage des Sensorkopfes 4 relativ zur Werkstückoberfläche 5 des Werkstückes 34 zu ermitteln. Die hierbei ermittelte Abstandsänderung Δdakt des Sensorkopfes 4 in Richtung der Messachse wird von der Steuerung an den Auswerterechner 9 der Auswerteeinheit 30 über die Datenleitung 35 übergeben.Such a measuring device with an actuator in the form of a robot mechanism 36 is extremely abstracted in 8th shown. How out 8th can be seen, this is purely a example of a robot mechanics 36 with several swivel joints, over which the sensor head 4 out 1 can be moved in the three coordinate directions x, y, z and can also be rotated about these coordinate directions. Through the rotary encoders in the swivel joints of the robotic arm 36 can change the position and location of the sensor head 4 be measured. In addition, the meter has a workpiece table 33 on, on which a workpiece 34 with a surface to be scanned 5 stands. Furthermore, purely schematically is a unit 32 shown in the next to the evaluation unit 30 out 1 in addition also the lasers 1a - 1c , the multiplexer 2a . 2 B and the circulator 3 out 1 are arranged. The one in the unit 32 included circulator 3 is over the optical fiber 10 with the sensor head 4 connected. Besides, that is in the robot mechanics 36 contained control via a data line 35 with the evaluation computer 9 the one in the unit 32 contained evaluation unit 30 connected. After the control either from the CAD information of a workpiece to be measured 34 or alternatively also from measured values of an actually measured workpiece 34 the location of the sensor head 4 relative to the workpiece surface 5 knows, the controller can the robot mechanics 36 so drive that the sensor head 4 is selectively adjusted in its measuring direction. This makes it possible based on the measured values of the encoder of the robot arm 36 the change of the position of the sensor head 4 relative to the workpiece surface 5 of the workpiece 34 to investigate. The distance change .DELTA.d act of the sensor head determined in this case 4 in the direction of the measuring axis is from the controller to the evaluation computer 9 the evaluation unit 30 over the data line 35 to hand over.
Die Auswerteeinheit 30 (die sich in der Einheit 32 befindet) ist nunmehr dazu eingerichtet, aus einer gemessenen Abstandsänderung Adakt, aus einer der Wellenlängen λm und der jeweils zugehörigen ermittelten Änderung der Phasendifferenz ΔΦλm den Brechungsindex nL der Luft zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 zu bestimmen über folgende Gleichung: The evaluation unit 30 (which is in the unit 32 is now set up, from a measured change in distance Ad akt , from one of the wavelengths λ m and the respectively associated determined change in the phase difference ΔΦ λm the refractive index n L of the air between the beam exit surface 24 and the surface 5 to be determined by the following equation:
Dieser Berechnung liegt hierbei die Überlegung zugrunde, dass sich der Brechungsindex nL durch den Quotienten aus optischem Weg geteilt durch geometrischen Weg ergibt. Der optische Weg ist hierbei durch gegeben. Der geometrische Weg hingegen ist nichts anderes als das doppelte der physikalischen Abstandsänderung, also 2·Adakt. Der Faktor 2 rührt hierbei daher, dass der Abtaststrahl 14 die Abstandsänderung zwischen der Strahlaustrittsfläche 24 und der Oberfläche 5 zweimal durchläuft, nämlich einmal von der Strahlaustrittsfläche 24 zur Oberfläche 5 und einmal von der Oberfläche 5 zurück zur Strahlaustrittsfläche 24.This calculation is based on the consideration that the refractive index n L results from the quotient of the optical path divided by the geometric path. The optical path is through here given. The geometric path, on the other hand, is nothing more than twice the change in physical distance, ie 2 · Ad act . The factor 2 is due to the fact that the scanning beam 14 the change in distance between the beam exit surface 24 and the surface 5 passes twice, namely once from the beam exit surface 24 to the surface 5 and once from the surface 5 back to the beam exit surface 24 ,
Es soll an dieser Stelle nochmals hervorgehoben werden, dass die in Gleichung 33 verwendete Abstandsänderung Δdakt durch die Aktuatorik (Roboterarm 36 nebst Steuerung) ermittelt wurde, während die Änderung der Phasendifferenz ΔΦλm durch die Auswertung des Messstrahls in der Auswerteeinheit 30 des Mehrwellenlängen-Sensors ermittelt wurde.It should be emphasized at this point again that the distance change Δd act used in Equation 33 by the actuators (robot arm 36 while control) was determined, while the change of the phase difference ΔΦ λm by the evaluation of the measuring beam in the evaluation unit 30 of the multi-wavelength sensor was determined.
Natürlich ist das hier gezeigte Messgerät nur eines von vielen möglichen Varianten. Beispielsweise kann anstelle der Robotermechanik 36 auch jede andere Mechanik verwendet werden, über die der Sensorkopf 4 relativ zur Oberfläche 5 bewegt werden kann, z. B. eine Portalmechanik, eine Horizontalarmmechanik, eine Brückenmechanik etc.. Insbesondere können natürlich auch Mechaniken verwendet werden, die nur 2-dimensionale oder 1-dimensionale Bewegungen des Sensorkopfes 4 zulassen.Of course, the measuring device shown here is only one of many possible variants. For example, instead of the robot mechanics 36 Also any other mechanics can be used over which the sensor head 4 relative to the surface 5 can be moved, for. As a portal mechanism, a horizontal arm mechanics, a bridge mechanism, etc. In particular, of course, mechanics can be used, the only 2-dimensional or 1-dimensional movements of the sensor head 4 allow.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
-
1a–1c1a-1c
-
Laserlaser
-
2a, 2b2a, 2b
-
Multiplexermultiplexer
-
33
-
Zirkulatorcirculator
-
44
-
Sensorkopfsensor head
-
55
-
Oberflächesurface
-
6a–6c6a-6c
-
Demultiplexerdemultiplexer
-
7a–7c7a-7c
-
Photodiodenphotodiodes
-
8a–8c8a-8c
-
SpannungsauswerterSpannungsauswerter
-
99
-
Auswerterechnerevaluation computer
-
1010
-
GlasfaserkabelFiber Optic cable
-
1111
-
erstes optisches Elementfirst optical element
-
1212
-
eintretender Lichtstrahlincoming light beam
-
1313
-
Referenzstrahlreference beam
-
1414
-
Messstrahlmeasuring beam
-
1515
-
Gradientenindexlinsegradient index
-
1616
-
Führungselementguide element
-
1717
-
Piezoaktuatorpiezo actuator
-
1818
-
elektrooptisches ModulationselementElectro-optical modulation element
-
19a–19b19a-19b
-
halbdurchlässiger Spiegelsemi-transparent mirror
-
2020
-
halbdurchlässiger Spiegelsemi-transparent mirror
-
2121
-
Sensorkopfsensor head
-
22a, 22b22a, 22b
-
dichroitischer Spiegeldichroic mirror
-
2323
-
Spiegelmirror
-
2424
-
StrahlaustrittsflächeBeam exit surface
-
2525
-
Gradientenindexlinsegradient index
-
2626
-
-
2727
-
-
2828
-
-
2929
-
-
3030
-
Auswerteeinheitevaluation
-
3131
-
optischer Klebstoffoptical adhesive
-
3232
-
Einheitunit
-
3333
-
WerkstücktischWorktable
-
3434
-
Werkstückworkpiece
-
3535
-
Datenleitungdata line
-
3636
-
Robotermechanikrobot mechanics
