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Die
Erfindung bezieht sich auf ein zweifrequenz-heterodynes Laser-Weg-Meßgerät.
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Laser-Weg-Meßgeräte werden
eingesetzt für
hochgenaue Messungen von Strecken, Positionen, Kippwinkeln, Geradheiten,
Ebenheiten, Rechtwinkligkeiten, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen
und Schwingungen. Haupteinsatzgebiete liegen in der Qualitätskontrolle,
z.B. beim Überprüfen und Kalibrieren
von Werkzeug- und Koordinatenmeßmaschinen,
als Meßsysteme
zur Steuerung von Koordinatentischen, zur Prozeßüberwachung in der Industrie
und bei vielen speziellen Meßaufgaben
in Wissenschaft und Technik.
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Messen
bedeutet in diesem Zusammenhang das Vergleichen eines unbekannten
Parameters eines Objektes mit einem Referenznormal. Als Referenznormal
dient beim Laser-Weg-Meßgerät die stabilisierte
Wellenlänge
eines He-Ne-Lasers. Das Grundmeßverfahren
ist die Längenmessung,
weitere Meßverfahren
sind davon abgeleitet.
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In
der Laser-Interferometrie unterscheidet man zwei grundlegende Verfahren
für die
Meßsignalbildung
und deren Auswertung: das amplitudenmodulierte (homodyne) und das
frequenzmodulierte (heterodyne) Verfahren. Bei dem homodynen Verfahren
wird eine Laser Mode verwendet, bei dem heterodynen Verfahren eine
oder zwei Laser Mode bei sonst gleichem Interferometeraufbau. Die
heterodynen Verfahren sind genauer, weniger störanfällig und erlauben höhere Meßgeschwindigkeiten.
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Bei
dem zweifrequenz-heterodynen Verfahren, auf das sich auch die vorliegende
Erfindung bezieht, wird die Trägerfrequenz
aus der Schwebungsfrequenz zweier Laser-Mode gewonnen. Dagegen muß beim heterodynen
Einfrequenzverfahren die Trägerfrequenz
durch künstlich
herbeigeführte
Oszillation des Laserstrahles gewonnen werden, was einen verhältnismäßig hohen
elektronischen Aufwand bei der Meßsignalbildung und -auswertung
erfordert.
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Bestandteile
der Laser-Weg-Meßgeräte sind ein
Lasermeßkopf
zur Erzeugung des Laserstrahls mit stabilisierten Wellenlängen, Interferometeroptik-Module
für die
verschiedenen Meßaufgaben
und eine opto-elektronische Auswerteeinheit in Verbindung mit einem
PC bzw. einer Recheneinheit. Bei Messungen z.B. an einer Werkzeugmaschine
muß der
Lasermeßkopf
zu der Achsrichtung, in der gemessen werden soll, in Position gebracht
werden. Des weiteren muß ein
Retroreflektor angebracht und das Interferometer ausgerichtet werden.
Das erfordert für
jede Meßachse
verhältnismäßig viel
Zeitaufwand.
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde ein Laser-Wegmeßgerät, das nach
dem zweifrequenz-heterodynen Verfahren arbeitet, so weiterzubilden,
daß damit
eine effektivere Arbeitsweise möglich
ist.
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Das
erfindungsgemäße zweifrequenz-heterodyne
Laser-Wegmeßgerät umfaßt im wesentlichen eine
Elektronikeinheit zur Erzeugung eines Laserstrahls mit stabilisierten
Wellenlängen
und eine Interferometereinheit zur Gewinnung eines Interferenzsignals
mit Hilfe dieses Laserstrahls, wobei zur Übertragung des Laserlichts
und/oder von Lichtsignalen von der Elektronikeinheit zur Interferometereinheit oder
umgekehrt mindestens ein flexibler Lichtwellenleiter vorhanden ist.
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Die
Elektronikeinheit umfaßt
neben einem Lasermeßkopf,
der aus einem He-Ne-Laserrohr,
einer Regelelektronik, einem Intensitätsstrahlenteiler, einer ersten
Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik für einen Meßstrahl, einem Polfilter und
einer zweiten Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik für einen internen Referenzstrahl
besteht, auch noch eine opto-elektronische Auswerteeinheit mit zwei
Detektoren zur Erfassung optischer Meßsignale und zu deren Wandlung
in elektronische Signale sowie eine Recheneinheit zur Signalverarbeitung.
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Die
Interferometereinheit weist eine Kollimatoroptik, eine Interferometeroptik,
einen Intensitätsstrahlenteiler,
einen Polfilter, eine Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik für die Meßsignalübertragung
und einen verschiebbaren Retroreflektor auf. In einer besonderen
Ausgestaltung ist die Interferometereinheit zusätzlich mit einem Strahl-Lage-Detektor ausgestattet
ist, der zur Strahllagejustierung und zur Bestimmung von Lageabweichungen,
insbesondere des seitlichen Versatzes des Retroreflektors dient
und so zum Justieren und zur Fluchtungsmessung genutzt werden kann.
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Vorteilhaft
sind zur Übertragung
des Laserlichts von der Elektronikeinheit zur Interferometereinheit
und von Lichtsignalen von der Interferometereinheit zur Elektronikeinheit
zu einem Kabel zusammengefaßte
Lichtwellenleiter vorhanden. In einer bevorzugten Ausgestaltung
weist dieses Kabel einen polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter
für die Übertragung
des Laserlichts, einen Lichtwellenleiter als Signalleitung für die Übertragung
des Interferenzsignals sowie eine Signalleitung zur Übertragung
elektronischer Signale für
den Strahl-Lage-Detektor auf.
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Dabei
kann der polarisationserhaltende Lichtwellenleiter als Single-Mode-Faser
ausgebildet und zur Einkopplung zweier orthogonaler Lasermoden vorgesehen
sein, so daß die Übertragung
dieser Moden ohne gegenseitiges Übergreifen
erfolgt.
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Die
Lichtaustritts- und/oder die Lichteintrittsflächen an den Enden der Lichtwellenleiter
sind zwecks Vermeidung von Rückkopplungseffekten
unter einem Winkel α ≠ 90° gegenüber der
Achse des jeweiligen Lichtwellenleiters geneigt, und die Koppelachsen
der Lichtwellenleiter sind schräg
zueinander orientiert. Weiterhin vorteilhaft sind an den Koppelstellen
Steckverbindungen zur Fixierung der einzelnen Lichtwellenleiter
vorgesehen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen zweifrequenz-heterodynen Laser-Wegmeßgerätes sind
der Lasermeßkopf,
die Auswerteeinheit und die Recheneinheit als Elektronikeinheit
zusammengefaßt
und in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen zweifrequenz-heterodynen
Laser-Wegmeßgerätes besteht
darin, daß der
polarisationserhaltende Lichtwellenleiter, der zur Übertragung
des Laserlichtes von der Elektronikeinheit zur Interferometereinheit
vorgesehen ist, mit den Signalleitungen, die von der Interferometereinheit
zur Elektronikeinheit führen,
zu einem Kabel zusammengefaßt
ist, denn dadurch ist die Elektronikeinheit einschließlich Lasermeßkopf, opto-elektronischer
Auswerteeinheit und Recheneinheit flexibel zum Meßort, lediglich
begrenzt durch die Kabellänge,
handhabbar und muß nicht
mehr in den direkten Strahlengang einjustiert werden. Mit anderen
Worten: es entfällt
das zeitaufwendige Ausrichten des Lasermeßkopfes, so daß kein Stativ
mit justiereinrichtung mehr notwendig, sondern lediglich Interferometeroptik
und Retroreflektor zueinander auszurichten sind.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen
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1 den
prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen zweifrequenz-heterodynen
Laser-Wegmeßgerätes mit
Elektronikeinheit und Interferometereinheit,
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2 eine
Ausgestaltungsvariante der Interferometereinheit,
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3 eine
Prinzipdarstellung der Schwingungsebenen zweier Frequenzen des Laserlichtes,
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4 das
Beispiel einer seitlichen Verschiebung des Retroreflektors,
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5 eine
weitere, von 1 abweichende Ausgestaltungsvariante
des erfindungsgemäßen zweifrequenz-heterodynen
Laser-Wegmeßgerätes
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1 zeigt
den Aufbau des zweifrequenz-heterodynen Laser-Wegmeßgerätes. Es
besteht im wesentlichen aus der Elektronikeinheit 1, der Interferometereinheit 2 und
dem Kabel 3.
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Die
Elektronikeinheit 1 umfaßt
- – einen
Lasermeßkopf 1.1,
bestehend aus einem He-Ne-Laserrohr 1.1.1, einer Regelelektronik 1.1.2,
einem Intensitätsstrahlenteiler 1.1.3,
einer ersten Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik 1.1.4 für einen
Meßstrahl,
einem Polfilter 1.1.5, einer zweiten Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik 1.1.6 für einen
internen Referenzstrahl und einen Lichtwellenleiter 1.1.7,
- – eine
opto-elektronische Auswerteeinheit 1.2 mit zwei Detektoren
(1.2.1; 1.2.2) und
- – eine
Recheneinheit 1.3.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, wenn anstelle der Recheneinheit 1.3 beispielsweise
eine Schnittstelle für
einen Notebook-Anschluß vorgesehen
ist.
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Die
Interferometereinheit 2 besteht aus einer Kollimatoroptik 2.1,
einer Interferometeroptik 2.2, einem Intensitätsstrahlenteiler 2.3,
einem Polfilter 2.4, einer Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik 2.5 für die Meßsignalübertragung,
einem Strahl-Lage-Detektor 2.6 und einem verschiebbaren
Retroreflektor 2.7.
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Das
Kabel 3 besteht aus einem polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter 3.1 für die Übertragung
des Laserlichtes von der Elektronikeinheit 1 zur Interferometereinheit 2,
einem Lichtwellenleiter 3.2 als Signalleitung für die Übertragung
des Interferenzsignals von der Interferometereinheit 2 zur
Elektronikeinheit 1 und eine Signalleitung 3.3 zur Übertragung elektronischer
Signale für
den Strahl-Lage-Detektor 2.6.
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Im
Lasermeßkopf 1.1 erzeugt
der frequenzstabilisierte He-Ne-Laser 1.1.1 einen Laserstrahl,
der aus zwei orthogonal zueinander polarisierten Schwingungsmoden
mit den Frequenzen f1 und f2 besteht (vgl. 3). Mittels
des Intensitätsstrahlenteilers 1.1.3 wird
der Laserstrahl in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl
geteilt. Der Meßstrahl wird
mit der Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik 1.1.4 in den Lichtwellenleiter 3.1,
der polarisationserhaltend ausgebildet ist, eingekoppelt.
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Der
Lichtwellenleiter 3.1 ist radial so fixiert, daß die beiden
orthogonalen Laser-Moden ohne Übergreifen
in die „schnelle" und in die „langsame" Achse des Lichtwellenleiters 3.1 eingekoppelt
werden. "Schnelle" und "langsame" Achsen des Lichtwellenleiters 3.1 entstehen
durch Spannungsdoppelbrechung in der Glasfaser, die beispielsweise
vom Typ „PANDAfaser" sein kann.
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Zur
Fixierung ist ein Faserstecker 3.1.1 vorgesehen, der eine
(zeichnerisch nicht dargestellte) Nut enthält, die einer (ebenfalls zeichnerisch
nicht dargestellten), radial zur Modenlage justierbaren Buchse zugeordnet
ist. Durch Schrägstellung
der Lichtwellenleiter-Koppelachsen und Schrägschliff der Lichtaustritts-
und/oder die Lichteintrittsflächen
an den Enden des Lichtwellenleiters 3.1 wird die Rückreflexion
in die Laserstrahlenquelle vermieden und der Einkoppelwirkungsgrad
erhöht.
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Der
Referenzstrahl wird mit der zweiten Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik 1.1.6 in
den Lichtwellenleiter 1.1.7 eingekoppelt. Durch den Polfilter 1.1.5,
der unter 45° zu
den beiden orthogonalen Moden steht, werden die Moden gemischt,
und es entsteht ein Schwebungssignal, das der Differenzfrequenz Δf = f1-f2
entspricht. Dieses wird von dem Detektor 1.2.1 detektiert.
Als Detektor 1.2.1 kann beispielsweise eine Silizium-Avalanche-Photodiode
vorgesehen sein.
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Der
innerhalb der Interferometereinheit 2 an einem Faserstecker 3.1.2 aus
dem Lichtwellenleiter 3.1 austretende Teil des Laserlichts
gelangt als Meßstrahl über die
Kollimatoroptik 2.1 zur Interferometeroptik 2.2.
Die Kollimatoroptik 2.1 hat die Aufgabe, die aus dem Lichtwellenleiter 3.1 austretenden
stark kugelförmigen
Wellen zu einem parallelen Strahlenbündel zu transformieren. Beide
orthogonalen Schwingungsebenen der ausgestrahlten Frequenzen f1
und f2 bleiben dabei erhalten.
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Eine
(wiederum zeichnerisch nicht dargestellte) Nut am Faserstecker 3.1.2,
die in eine (ebenfalls zeichnerisch nicht dargestellte) radial zur
Modenlage justierbare Buchse eingreift, dient auch auf der Seite
der Interferometereinheit 2 zur radialen Fixierung der
Modenlagen relativ zur Interferometeroptik 2.2.
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In
der Interferometereinheit 2 erfolgt auf Grund der unterschiedlichen
Schwingungsebenen eine Trennung der beiden Frequenzen f1 und f2
an der polarisationsteilenden Schicht der Interferometeroptik 2.2.
Der Meßstrahl
gelangt so teils auf den Retroreflektor 2.7 und teils auf
einen Vergleichsreflektor 2.2.1. Es gelangt dabei nur Licht
der Frequenz f1 auf den Retroreflektor 2.7 und nur Licht
der Frequenz f2 auf den Vergleichsreflektor 2.2.1. Die
vom Retroreflektor 2.7 und vom Vergleichsreflektor 2.2.1 reflektierten
Teile des Meßstrahls
werden in der Interferometeroptik 2.2 wieder zusammengeführt.
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Durch λ/4-Phasenplatten 2.2.2 und 2.2.3 wird
erreicht, daß die
Schwingungsebenen des vom Retroreflektor 2.7 und vom Vergleichsreflektor 2.2.1 zurückkehrenden
Lichtes um 90° gedreht
werden. Dadurch gelangt das zurückkehrende
Licht über
den Intensitätsstrahlenteiler 2.3 zur
Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik 2.5 und wird, ebenfalls
wie der Referenzstrahl in der Elektronikeinheit 1, über den
unter 45° stehenden
Polfilter 2.4 in den Lichtwellenleiter 3.2 eingekoppelt
und dem Detektor 1.2.2 in der optoelektronischen Auswerteeinheit 1.2 zugeführt.
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Wird
der Retroreflektor 2.7 nicht bewegt, empfängt der
Detektor 1.2.2 die Differenzfrequenz Δf = f1-f2. Wird dagegen der
Retroreflektor 2.7 in Richtung der Weglänge p bewegt, erfährt der
an ihm reflektierte Teil des Meßstrahls
mit der Frequenz f1 eine Dopplerverschiebung ±df1. Entsprechend empfängt der
Detektor 1.2.2 nun eine um die Dopplerfrequenz verschobene
Differenzfrequenz Δf
= f1-f2±df1,
wobei +df1 oder -df1 von der Bewegungsrichtung des Retroreflektors 2.7 abhängig sind.
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Beide,
die Differenzfrequenz Δf
= f1-f2 und die Differenzfrequenz Δf = f1-f2±df1 werden im Hochfrequenzteil
der Auswerteeinheit 1.2 miteinander verglichen. Als Ergebnis
erhält
man die durch den Dopplereffekt erzeugte Frequenzverschiebung ±df1, die ein
Maß für die gesuchte
Weglänge
p bei Verschiebung des Retroreflektors 2.7 und damit ein
Längenmaß ist.
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Der
Intensitätsstrahlenteiler 2.3 in
der Interferometereinheit 2 zweigt einen Teil des vom Retroreflektor 2.7 zurückkommenden
Lichtes ab. Dieser Anteil gelangt auf den Strahl-Lage-Detektor 2.6.
Der vom Vergleichsreflektor 2.2.1 kommende Anteil wird durch
den Polfilter 2.8 unterdrückt. Wenn beim Verschieben
des Retroreflektors 2.7 in Richtung der Weglänge p eine
seitliche Lageabweichung von L auftritt (vgl. 4),
dann erfährt
der zurückkehrende Strahl
eine seitliche Lageabweichung Δv.
Diese wird vom Strahl-Lage-Detektor 2.6 detektiert. Über die
Signalleitung 3.3 steht der Strahl-Lage-Detektor 2.6 in Verbindung
mit der opto-elektronischen Auswerteeinheit 1.2. Das gewonnene
Meßsignal
für die
seitliche Lageabweichung Δv
wird zur Justierung oder zur Fluchtungs- bzw. Geradheitsmessung
benutzt.
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2 zeigt
eine Ausgestaltungsvariante der Interferometereinheit 2,
bei welcher der Vergleichsreflektor 2.2.1 sowohl an der
Interferometereinheit 2 befestigt sein als auch mit dem
Retroreflektor 2.7 zusammen als eine Einheit verschoben
werden kann. Auf diese Weise läßt sich
der Kippwinkel Δφ während der
Verschiebung des Retroreflektors 2.7 messen. Diese Ausgestaltungsvariante
der Interferometereinheit 2 gestattet die Kombination von
Positions- und Winkelmessungen.
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5 zeigt
eine Ausgestaltungsvariante, bei welcher im Unterschied zu 1 der
Intensitätsstrahlenteiler 1.1.3,
der Polfilter 1.1.5 und die Lichtwellen-Einkoppeloptik 1.1.6 in
die Interferometereinheit 2 verlagert worden ist. Der Lichtwellenleiter 1.1.7 ist
dabei in das Kabel 3 integriert.
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In
die Interferometereinheit 2 ist zusätzlich ein zur Strahlführung dienender
Spiegel 2.9 eingefügt.
Diese Ausgestaltungsvariante hat den Vorteil, daß Phasenfehler, die eventuell
im polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter 3.1 zwischen „schneller" und „langsamer" Achse auftreten
können,
ausgeschlossen werden, da die Kabellänge zwischen den Abgriffen
der Referenz- und Meßfrequenz
als Übertragungsstrecke
entfällt.
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- 1
- Elektronikeinheit
- 1.1
- Lasermeßkopf
- 1.1.1
- He-Ne-Laserrohr
- 1.1.2
- Regelelektronik
- 1.1.3
- Intensitätsstrahlenteiler
- 1.1.4
- Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik
- 1.1.5
- Polfilter
- 1.1.6
- Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik
- 1.1.7
- Lichtwellenleiter
- 1.2
- Auswerteeinheit
- 1.2.1,
1.2.2
- Detektoren
- 1.3
- Recheneinheit
- 2
- Interferometereinheit
- 2.1
- Kollimatoroptik
- 2.2
- Interferometeroptik
- 2.2.1
- Vergleichsreflektor
- 2.2.2,
2.2.3
- λ/4-Phasenplatten
- 2.3
- Intensitätsstrahlenteiler
- 2.4
- Polfilter
- 2.5
- Lichtwellenleiter-Einkoppeloptik
- 2.6
- Strahl-Lage-Detektor
- 2.7
- Retroreflektor
- 2.8
- Polfilter
- 2.9
- Spiegel
- 3
- Kabel
- 3.1
- Lichtwellenleiter
- 3.1.1,
3.1.2
- Faserstecker
- 3.2
- Lichtwellenleiter
- 3.3
- Signalleitung
- f1,
f2
- Frequenzen
- Δv
- Lageabweichung
- φ
- Kippwinkel
- p
- Weglänge