DE2442400A1 - Mit laser arbeitende entfernungsmesseinrichtung - Google Patents

Description

Mit Laser arbeitende Entfernungsraeßeinrichtung

Wenn eine diffus reflektierende Oberfläche von der Art, wie sie die meisten körperlichen Gegenstände besitzen, in der Pokalfläche einer Linse angeordnet wird, dann erzeugt die Kombination eine Reflexion mit räumlicher Kohärenzcharakteristik, ähnlich derjenigen, die von einer Spiegeloberfläche erhalten wird. Eine solche Kombination kann in Verbindung mit einem herkömmlichen Spiegel benutzt werden, um einen Fabry-Perot-Resonanz-Hohlraum geringer Güte zu erzeugen. Ein Lasermedium mit hoher - Verstärkung kann eine Schwingung mit einem solchen Resonator niedriger Güte erzeugen. Wenn die diffuse Oberfläche außerhalb der Pokalfläche liegt, ist die Güte des Hohlraums zu niedrig und die Laserwirkung tritt nicht auf. Wenn die Pokalfläche auf die Oberfläche hin vorgeschoben wird, wird der Q-Wert des Hohlraumes größer und das Anschwingen des Lasers zeigt eine Berührung zwischen der Brennfläche und der Oberfläche an. Diese Kontaktposition ist mit hoher Präzision wiederholbar und stellt daher eine nützliche Distanzmessung dar, die gemäß der Erfindung ausgenutzt wird. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform ist das aktive Lasermedium nicht in einem Hohlraum mit niedrigem Q-Wert enthalten, sondern stattdessen ist der Hohlraum mit niedrigem Q-Wert optisch mit einem herkömmlichen Laser gekoppelt und seine optische Länge wird mit einer geeigneten Frequenz moduliert.

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Wenn der Laserausgang im Hinblick auf Modulationskomponenten bei Hohlraummodulationsfrequenz überwacht wird, kann die Berührung zwischen der Fokalfläche und der diffusen Oberfläche durch ihr Vorhandensein festgelegt werden. Bei einer zweiten abgewandelten Ausführungsform enthält der Hohlraum mit niedrigem Q-Wert eine Viertel-Wellen-Platte und ist optisch mit einem Doppelpolarisationslaser gekoppelt, der eine größere als die kritische Kopplung benachbarten Schwingungstyps besitzt. Ein solcher Laser schwingt jeweils nur in einem Modus, aber es sind zwei orthogonale Polarisationszustände zugelassen. Wenn der Hohlraum mit niedrigem Q-Wert arbeitet, d.h. wenn die diffuse Oberfläche innerhalb der Fokalfläche der Linse befindlich ist, bewirkt eine. Bewegung der Oberfläche relativ zu der Linse, daß der Laser-Polarisationszustand bei jeder Viertel-Wellenlänge der Bewegung schaltet. Wenn demgemäß der Laser-Polarisationszustand überwacht wird, kann das Eintreten der Oberfläche in die Fokalfläche durch Beginn des Polarisatlonsumschaltens festgestellt werden und die Bewegung innerhalb der Fokalfläche kann durch Zählung der Schaltzahl erfolgen.

Es sind Entfernungsmeßeinrichtungen bekannt geworden, die auf den unterschiedlichsten Verfahren beruhen. Es sind auch solche bekannt, bei denen eine optische Sonde eine sehr nützliche Messung ohne Berührung durchführt. Eine der am weitesten verbreiteten optischen Methoden besteht in einer binokularen Betrachtung oder dem Verfahren eines Spaltbildpaares, das zur Deckung zu bringen ist. Diese Verfahren sind jedoch nicht sehr genau. Die interferometrischen Verfahren ergeben demgegenüber eine hohe Präzision, vorausgesetzt daß eine entsprechende Interferenzzählung verfügbar ist. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine orientierte ebene Spiegelmeßfläche oder ein Retroflektor, welches auf der zu messenden Oberfläche montiert ist. Laufzeitmessungen, z.B. optische Radarmessungen oder Lichtradarmessungen haben sich als ziemlich genau und nützlich erwiesen, aber bei

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kurzen Entfernungen wird die Messung in Folge der schmalen Impulse und der kurzen Echozeit schwierig. Hierdurch wird, eine solche Einrichtung sehr kompliziert. Es wäre daher höchst erwünscht, eine Technik mit einer einfachen optischen Sonde zu benutzen, um genaue Kurzraumentfernungen von irregulär diffusen Oberflächen zu messen, die nicht stationär sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Vorrichtung zu schaffen, mit der der Abstand zu einer diffusen Oberfläche gemessen werden kann, ohne eine mechanische Beruh-*" rung vorzunehmen.

Weiter bezweckt die Erfindung die Benutzung einer optischen Berührung zwischen einer diffusen Oberfläche und der Brennfläche einer Linse, um eine präzise Messung des Abstandes durchzuführen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Reflexionen von einer diffusen Oberfläche innerhalb der Pokalfläche einer Linse in Verbindung mit der Reflexion von einem ebenen Spiegel auszunutzen, um einen optischen Resonator mit niedrigem Q-Wert zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Resonator mit niedrigem Q-Wert zu benutzen, der durch die Wirkung,eines ebenen Spiegels in Verbindung mit einer Linse und einer diffusen Oberfläche erzeugt wird, und zwar in Verbindung mit einem Lasersystem, wobei das Auftreten und die Natur des Laserausgangs benutzt wird um anzuzeigen, wenn die diffuse Oberfläche innerhalb der Fokalfläche (diese wird von einer Satteloberfläche gebildet) der Linse liegt.

Diese Aufgaben werden in der nachstehend beschriebenen Weise gelöst. Eine Distanzmeßeinrichtung basiert auf dem Abstand zwischen

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einer Linse und ihrer Fokalfläche. Wenn ein gewöhnlicher Gegenstand mit einer diffusen Oberfläche so placiert wird, daß die Oberfläche Innerhalb der Pokalfläche der Linse liegt, erzeugt die Kombination eine Reflexion mit kohärenten Eigenschaften, ähnlich jenen, die durch Reflexion durch einen ebenen Spiegel erzeugt werden. In Kombination mit einem herkömmlichen Spiegel kann die Kombination von Linse und diffusen Reflektor benutzt werden, um einen Fabry-Perot-Resonanz-Hohlraum niedrigen Q-Wertes zu schaffen. Wenn die Oberfläche durch eine Relativbewegung veranlasst wird, durch die Fokalfläche hindurchzulaufen, ergibt sich - wenn man den Hohlraum Q-Wert als Funktion des Abstandes aufträgt - eine Kurve, die scharf mit dem Eintreten in die Fokalfläche ansteigt und beim Austreten aus der Fokalfläche scharf abfällt. Demgemäß kann der Q-Wert als Diskriminator einer Entfernungsmessung benutzt werden, der eine sehr hohe Genauigkeit liefert. Es ist auch möglich, das Auftreten des maximalen Q-Wertes als Anzeige dafür zu werten, daß die Oberfläche sich in der Mitte der Fokalfläche befindet.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Hohlraum mit niedrigem Q-Wert in Verbindung mit einem Lasermedium hoher Verstärkung benutzt, um einen Laser zu schaffen, der nur dann schwingt, wenn die diffuse Oberfläche innerhalb der Fokalfläche der Linse liegt. Bei dieser Ausführungsform wird der Beginn der Laserschwingung benutzt um anzuzeigen, wann die Fokalfläche in Berührung mit dem Gegenstand steht. Die maximale Schwingungsamplitude zeigt dann an, daß der Q-Wert des Hohlraumes maximal ist und daß sich die Oberfläche in der Mitte der Fokalfläche befindet.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der Hohlraum mit niedrigem Q-Wert optisch mit einem herkömmlichen Schwingungslaser gekoppelt und ein Phasenmodulator (d.h. optischer Pfad) wird innerhalb des Hohlraumes mit niedrigem Q-Wert

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angeordnet. Wenn die diffuse Oberfläche innerhalb der . Brennfläche befindlich ist und der Hohlraum-Q-Wert in der Nähe des Maximums liegt, dann enthält der Laseräusgang Modulationsprodukte mit einer Frequenz der Phasenmodulation. So kann eine Fokalflächenberührung mit dem Gegenstand durch das Vorhandensein einer Phasenmodulatorfrequenz in den Modulationsprodukten des Laserausgangs festgestellt werden.

Gemäß einer dritten Ausführungsform wird der Hohlraum, mit niedrigem Q-Wert optisch mit einem Doppelpolarisationslaser gekoppelt, wobei eine Viertel-Wellen-Verzögerungsplatte benutzt wird. Wenn der Doppelpolarisationslaser mit einer größeren als der kritisch benachbarten Modenkopplung betrieben wird, dann schwingt jeweils nur eine Polarisation. Der jeweilige Polarisationszustand, der jeweils im Schwingungszustand befindlich ist, kann durch die optischen Längen des Primärlaserhohlraums und den Hohlraum mit niedrigem Q-Wert bestimmt werden (L_p und L_Lq) und die Ausgangspolarisation schaltet jeweils von einem bevorzugten Zustand auf einen anderen Zustand L^ um

Da die Länge des Hohlraums mit niedrigem Q-Wert monoton geändert wird, indem die diffuse Oberfläche durch die Pokalfläche der Linse hindurchbewegt wird, schaltet der Polarisationszustand für jede Viertel-Wellenbewegung um. So liefert nicht nur der Beginn der Polarisationsumschaltung eine Information über das Eintreten der diffusen Oberfläche in die Fokalfläche, sondern durch Zählen der Zahl der Umschaltungen kann eine präzise Information in der Größenordnung einer Viertel-Wellenlänge bei der Bewegung der Oberfläche erhalten werden.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

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Figur 1 eine schematische Darstellung der Grundzüge der erfindungsgemäßen Distanzmessung unter Benutzung eines Lasermediums mit hoher Verstärkung;

Figur 2 eine geometrische Darstellung der Fokalfläche einer Sammellinse, welche die Gestalt eines Sattels hat;

Figur j5 eine graphische Darstellung die den Ausgang des Lasers gemäß Figur 1 als Funktion des Abstandes zwischen der diffusen Oberfläche und der Fokussierungslinse darstellt;

Figur 4 eine Entfernungsmeßvorrichtung, welche ein herkömmliches Lasermedium benutzt;

Figur 5 eine schematische Darstellung eines Profilmessers, basierend auf dem Prinzip der Vorrichtung nach Figur 1;

Figur 6 eine schematische Darstellung einer programmierten Drehbank, die die Entfernungsmeßeinrichtung nach Figur 1 benutzt;

Figur 7 eine erfindungsgemäß ausgebildete Entfernungsmeßeinrichtung, welche einen Doppelpolarisationslaser benutzt;

Figur 8 eine Präzisionsmeßanordnung gemäß Figur 7 in Verbindung mit einer Werkzeugmaschine.

Figur 1 zeigt einen Laseroszillator, bei dem einer der herkömmlichen Hohlspiegel durch eine diffus reflektierende Oberfläche

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in Kombination mit einer Linse ersetzt ist. Das Laserrohr 10 enthält ein aktives Medium, z.B. eine Mischung von Helium und Neon, welche durch eine Plasmaentladung erregt wird, die durch die Pumpe 11 aktiviert wird. Die Entladungsröhre ist durch ein Fenster 12 mit Brewster*sehen Winkel in herkömmlicher Weise geschlossen. Der Spiegel 13'bildet ein Ende eines optischen Resonanzhohlraums, während der Reflektor 14 das andere Ende des Hohlraums bildet. Es hat sich gezeigt, daß dann wenn eine diffuse Oberfläche in der Nähe des Brennpunktes einer herkömmlichen Linse angeordnet wird, durch die Kombination von diffuser Oberfläche und Linse eine ausreichende Reflektivität erhalten wird, um eine Laserschwingung in einem Lasersystem mit hoher Verstärkung anzuregen. Ein solcher Resonanzhohlraum wird als ein solcher mit niedrigem Q-Wert bezeichnet. Die Verstärkung eines Helium-Neon-Lasers für den 3,4 „ijU-Übergang ist für eine solche Arbeitsweise geeignet. Die Endplatte 14 des Laserhohlraumes, die eine diffus reflektierende Oberfläche 15 besitzt, liegt in der Nähe des Brennpunktes der Linse 16. Die Linse 17* die mit ihrem Brennpunkt auf dem Spiegel 13 liegt, sammelt das auf die Linse 16 auftreffende Licht. Die Linse VJ kann wegfallen, wenn der Spiegel 13 im Brennpunkt der Linse 16 angeordnet ist. Sie ist Jedoch nützlich, wenn die Linse 16 axial verstellbar ist, wie dies im folgenden beschrieben wird.

Der Laser schwingt nur dann, wenn die Oberfläche 15 genügend dicht am Brennpunkt der Linse 16 liegt. Der optische. Resonanzhohlraum hat minimale Verluste, wenn die Oberfläche genau auf dem Brennpunkt der Linse 16 ausgerichtet ist, und die Verluste steigen an, wenn die Oberfläche aus dieser Lage auswandert. Natürlich kann eine maximale Abweichung zugelassen werden. Innerhalb dieser Grenzen wird die Laserschwingung aufrechterhalten.

Figur 2 zeigt die Geometrie der hiermit im Zusammenhang stehenden optischen Elemente. Parallele Beleuchtungsstrahlen, die

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auf die Linse 16 auftreffen, werden bei D_w fokussiert, d.h. in dem Brennpunkt der Linse. Der kleinste Grenzfokusdurchmesser d ve:
a wie folgti

messer d verhält sich zur Linsenbrennweite und der Apertur

(mils) ^, °*^1Dw (X= 1.15 ψ) (D

Die Länge, über die die diffuse Oberfläche bewegt werden kann, ohne daß übermäßige Hohlraumverluste auftreten, ist mit L_f bezeichnet. Der räumliche Bereich des Linsenfokus, der durch die Lp-Grenzen beschrieben wird, soll als Pokalfläche (Fokalsattel) bezeichnet werden. Der Fokalsattel bezieht sich auf die Linsencharakteristik wie folgt:·

(cm) * ^{6 x 10} ( ^Dw

1 M

Die in den Gleichungen (1) und (2) benutzten Zahlen sind kennzeichnend für einen Laser, der bei 1,15. jM arbeitet und sie sind proportional der Laserwellenlänge.

Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung des Ausgangs des Lasers nach Figur 1 als Funktion des Abstandes der Oberfläche 15, von der Linse 16. Bei einem Abstand D_Tr tritt eine normale Laserschwingung auf und der Ausgang ist gesättigt. Wenn die Oberfläche aus D auswandert, dann wird das Ende des Fokalsattels erreicht wenn der Laserausgang auf Punkte abzusinken beginnt, die mit D_w - L_f und D_w + Lf gekennzeichnet 1st.

-fr- IS—

Wenn der Fokalsattel überschritten wird, dann fällt der Laserausgang rapide auf Null ab. In einem typischen System erreicht der Laserausgang den Wert Null in einem Intervall von weniger als Lx.
To"

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Bei der Vorrichtung nach Figur 1 wird die Grundentfernungsmessung wie folgt durchgeführt: Der Spiegel 13 wird etwas durchlässig gestaltet, so daß bei Einsätzen der Laserschwingung ein Fotodetektor 18 erregt wird und ein Signal am Indikator 19 erscheint. Wenn die Oberfläche 15 an einem Punkt hinter dem fernen Ende des Fokalsattels beginnt und veranlasst wird, sich auf den Laser zuzubewegen, dann erzeugt der Ausgang des Fotodetektors 18 einen Ansprechwert gemäß Figur 3· Wenn der Indikator 19 eine Schwellwertschaltung enthält die so ausgebildet ist, daß ein vorbestimmter Laserausgangswert erhalten wird, dann zeigt der Indikator präzise an, wann die Oberfläche 15 an einem von zwei Punkten angekommen ist, die symmetrisch auf beiden Seiten des Zentrums des Fokalsattels der Linse- 16 liegen. Die genauen Abstände werden teilweise durch den Schwellwert des Indikators 19 bestimmt, aber der- Durchschnittswert kann mit hoher Genauigkeit reproduzierbar erhalten werden. Auf diese Weise kann die Vorrichtung nach Figur 1 als genauer berührungslos arbeitender Entfernungsmesser benutzt werden.

Da die Linse 17 auf den Spiegel 13 fokussiert ist, wird ihr optischer Ausgang gesammelt. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Linse 16 längs der optischen Achse gegenüber · den übrigen Elementen des Laser zu bewegen, ohne die Arbeitsweise des Laser zu stören. Deshalb braucht nur die Linse 16 in der Entfernungsmeßeinrichtung bei der Einstellung bewegt zu werden und es kann dann dieser Linse eine kalibrierte Skala zugeordnet werden.

Figur 4 zeigt eine kontinuierlich schwingende Entfernungsmeßeinrichtung. Diese Einrichtung erfordert keinen Laser mit hoher Verstärkung, wie dies im Falle der Figur 1 notwendig war. Es hat sich ein Helium-Neon-Laser, der bei 1,15 p. arbeitet, als zufriedenstellend erwiesen. Das Laserrohr 10 mit seiner Pumpe 11 und den Fenstern 12 mit Brewster-Wlnkel bildet das aktive

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Medium. Teildurchlässige Spiegel 15 und 20 stellen den Laser-Resonator dar. Der Ausgang vom Spiegel 20 wird durch einen elektro-optischen Phasenmodulator hindurchgeschickt, der durch den Oszillator 22 angetrieben wird. Die Linse 25 dient zur Ausdehnung des Strahles, um eine Beleuchtung bei voller Apertur der Sammellinse 16 zu liefern. Wenn die diffuse Oberfläche 15 des Objektes 14 im Pokalsattel der Linse 16 befindlich ist, dann reflektiert die Kombination einen wesentlichen Anteil der Energie in den Laser zurück« So wirkt der Spiegel 20 in Verbindung mit der Oberfläche 15 als Resonator niedrigen Q-Wertes so lang die Oberfläche 15 im Pokalsattel der Linse befindlich ist. Dieser zweite Resonator mit niedrigem Q-Wert wird mit dem Laser in Folge der Durchlässigkeit des Spiegels 20 gekoppelt. Der Modulator 21 bewirkt eine Phasenmodulation der Energie in dem zweiten oder angekoppelten Resonator mit niedrigem Q-Wert mit einer Rate, die durch den Oszillator 22 bestimmt wird. Demgemäß ist die Energie, die in den Laser zurückgekoppelt wird, phasenmoduliert und hierdurch ergibt sich eine Amplitudenmodulation des Laser. Der Indikator 19, der mit dem Fotodetektor 18 verbunden ist, ist auf die Frequenz des Oszillators 22 abgestimmt und zeigt deshalb an, wann die Oberfläche 15 innerhalb des Fokalsattels der Linse 16 liegt.

Figur 5 zeigt ein kennzeichnendes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Grundanordnung nach Figur 1 benutzt wird. Das Laserrohr 10, die Pumpe 11 und die stirnseitigen Fenster 12 sind wie in Verbindung mit Figur 1 beschrieben. Die Kollimatorlinse 17 richtet parallele Strahlen auf die Fokusierungslinse 16 über einen 45°-Spiegel 25. Die Linse 16 ist mittels eines piezoelektrischen Wandlers 27 auf der optischen Sonde 26 angeordnet. Bei elektrischem Antrieb über einen Niederfrequenz-Oszillator 28 bewegt der Wandler 27 die Linse 16 längs der optischen Achse des Laser. Diese ist durch die Z-Achse in der Zeichnung charakterisiert. Es wird eine genügend hohe Antriebskraft

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ausgeübt, so daß die Auswanderungen der Linse 16 die maximalen Z-Achsen Abweichungen auf der Oberfläche des Gegenstandes 29 überschreiten. Die optische Sonde wird horizontal mittels eines mechanischen X-Achsen Abtasters 30 angetrieben, der bewirkt, daß sich die optische Probe über einen genügenden Abstand quer zum Gegenstand 29 bewegt. Der X-Achsen Abtaster liefert auch einen elektrischen Ausgang der X-Achsen Kippschaltung des Speicher-Oszilloskops 31·. Der Vertikaleingang des Oszilloskops wird von einem elektronischen Schalter 32 erhalten, der durch das Signal des Fotodetektors 18 gespeist wird.

Im Betrieb wird die Linse 16 mit einer Amplitude in Schwingungen versetzt die ausreicht, um den Pokalsattel der Linse 16 das maximale vertikale Profil des Gegenstandes 29 durchlaufen zu lassen. Die optische Sonde liegt derart, daß dann wenn die Linse 16 in ihrer obersten Stellung befindlich ist, der Fokalsattel gerade vom höchsten Punkt des Gegenstandes 29 freikommt. Unter dieser Bedingung schwingt der Laser nicht. Wenn die Linse 16 nach unten angetrieben wird, dann stößt der Pokalsattel auf die diffuse Oberfläche und der Laser beginnt zu schwingen, und * beleuchtet demgemäß den Fotodetektor 18. Der Ausgang des Fotodetektors aktiviert den Schalter 32 und es kann Energie vom Oszillator 28 das Oszilloskop 31 ausschlagen lassen. Das Maß des Ausschlages hängt von der Höhe der Oberfläche ab. Wenn die optische Sonde 26 horizontal verschoben wird und verschiedene Pegel des Gegenstandes 29 von dem oszillierenden Fokalsattel . getroffen werden, dann liefert das Oszilloskop eine vertikale Darstellung der Oberfläche. Durch geeignete Einstellung der Verstärkung oder der Verluste in der Schaltung (einschließlich Schalter 32) zwischen Oszillator 28 und Vertikaleingangsklemmen des Oszilloskops 31 erscheint eine geringe"Änderung in der Oberfläche des Gegenstandes 29 im Oszilloskop'stark vergrößert.

Als weitere Verfeinerung kann ein Y-Achsen Abtaster zusätzlich

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vorgesehen werden, indem z.B. der Gegenstand 29 längs der System Y-Achse bewegt wird, d.h. senkrecht zur Zeichenebene. Ein Analogon dieser Bewegung wird dem Oszilloskop über eine nicht dargestellte Y-Achsenversetzung aufgeprägt. Auf diese Weise erscheinen die X-Y Übertragungen auf dem Schirm des Oszilloskops als X-Y Koordinaten. Das Profil erscheint als ein Reliefbild der Oberfläche in Folge der Y-Achsendarstellung des Profils. Falls erforderlich, kann der Ausgang des Sehalters 52 benutzt werden, um dem Oszilloskop 31 eine Intensitätsmodulation aufzuprägen und die X-Y Koordinaten könnten direkt auf die Oszilloskopkoordinaten übertragen werden. In diesem Falle würde das Oberflächenprofil als Helligkeitskontur erscheinen.

Das System nach Figur 5 ist arbeitsfähig in Folge der parallelen Lichtstrahlen zwischen den Linsen 16 und 17. Wie bereits im einzelnen unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben, ermöglicht dies die Trennung zwischen Linsen um eine Änderung zu erhalten, ohne die Laserschwingung zu ändern. Stattdessen können die Bewegungseffekte der optischen Sonde dadurch minimal gehalten werden, daß das Laserrohr 10, der Spiegel 13, der Fotodetektor 18 und die Linse 17 auf der optischen Sonde 26 angeordnet werden, wodurch ein einheitlicher optischer Aufbau erreicht wird. Für diese Ausbildung könnten sowohl die Bewegungen in Richtung der X-Achse als auch in Richtung der Y-Achse auf die optische Sonde selbst übertragen werden.

Figur 6 zeigt die Distanzmeßeinrichtung in ihrer Anwendung bei einer programmierten Drehmaschine. Die Drehmaschine 35 bewirkt eine Drehung des Werkstückes 36, während das Werkzeug 37 gegen das Werkstück durch eine Zustelleinrichtung 38 zugeführt wird. Diese Drehmaschine wird durch eine Programmiereinrichtung 39 gesteuert. Eine Indexvorrichtung 40 ordnet die Linse 16 so an, daß der Ausgangsdurchmesser des Werkstücks 36 innerhalb des Laserrohrendes des Fokalsattels ist, so daß der Laser nicht schwingt.

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Die Programmiereinrichtung 39 bewirkt, daß der Schneidstahl 37 gegen das Werkstück 36 vorgeschoben wird, worauf dessen Durchmesser verringert wird. Wenn der Durchmesser auf ein Maß verringert ist, bei dem die Oberfläche in den Pokalsattel eintritt, beginnt der Laser zu schwingen und der Fotodetektor 18 liefert der Programm!ervorrichtung 39 ein Signal und letztere setzt die Werkzeugszustellung still. Die Programmiereinrichtung schiebt dann das Werkstück 36 in eine neue Lage vor und stellt die Indexeinrichtung 40 auf den gewünschten Teildurchmesser ein, so daß die spanabhebende Bearbeitung in einem neuen Zyklus wie oben erwähnt anschließt. Hierdurch kann ein Werkstück mit hohen Toleranzwerten bearbeitet werden, ohne daß irgend eine Meßeinrichtung in körperliche Berührung mit dem zu bearbeitenden Werkstück gebracht werden müßte.

Figur 7 zeigt einen Doppelpolarisationslaser zur Benutzung als Entfernungsmeßeinrichtung. Das Laserrohr 50, das Helium und Neon als aktives Material enthalten kann und bei 1,15 ip. arbeitet, wird durch eine Pumpe 11 erregt. Das Laserrohr 1st mit ein wenig von der parallelen formabweichenden Endfenstern ausgestattet so daß eine durch das Fenster induzierte Resonatorwirkung verhindert wird, während keine spezielle Polarisationsrichtung bevorzugt wird. Der Laserhohlraum ist an einem Ende mittels eines teildurchlässigen Spiegels 51 begrenzt, der als Lesevorrichtung arbeitet und außerdem durch einen teildurchlässigen Spiegel 52 der als Laserausgangssignalvorrichtung wirkt. Ein lineares doppelbrechendes Element 53 und ein Zirkular doppelbrechendes Element 54 sind innerhalb des Laserresonators angeordnet. Diese Elemente bewirken, daß die Laserschwingungsmoden ■ auf Polarisationszustände begrenzt werden, die senkrecht zueinander verlaufen. Alle anderen Polarisationszustände werden zurückgewiesen, weil sie keine stationären stehenden Wellen erzeugen und demgemäß nicht durch Laserresonatorwirkung verstärkt werden. Da die optische Länge des Laserhohlraums für die

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zugelassenen senkrecht polarisierten Moden unterschiedlich ist, sind benachbarte Lasermoden orthogonal und arbeiten mit etwas verschiedenen Frequenzen. Durch Einstellung der relativen Doppelbrechungsstärke der Elemente 53 und 54 wird eine benachbarte Modenkopplung auf den sogenannten "starken" Bereich vergrößert, wo nur ein Modus zu jeder Zeit arbeitsfähig ist, weil der Schwingungsmodus Energie aus der orthogonalen Mode abzieht und diese hierdurch unterdrückt. Die Wirkung der starken Kopplung zwischen benachbarten Moden und die Steuerung einer solchen Kopplung durch Zufügung eines zirkular-doppelbrechenden Elementes zu einem Doppelpolarisationslaser ist in der US-PS 35 5j5O 402 vorgeschlagen. Der Polarisator 55 ist parallel zur Hauptachse des einen allgemein elliptisch polarisierten Qrthogonal-Lasermodus orientiert, so daß der Fotodetektor 18 einen maximalen Ausgang erzeugt wenn dieser Modus schwingt. Der Ausgang des Lasers für den orthogonalen Modus wird durch den Polarisator 55 hauptsächlich abgeblockt. Demgemäß ergibt eine Änderung im Ausgang des Fotodetektors 18 eine Anzeige einer Änderung der Laser-Schwingungspolarisation.

Eine Viertelwellen-Verzögerungsplatte 56 liegt benachbart zum Laserausgangsspiegel 52 und eine Linse 57 mit kleiner Apertur dehnt den Strahl so, daß die volle Apertur der Fokusierungslinse 16 beleuchtet wird. Wenn die diffuse Oberfläche I5 des Gegenstandes 14 im Fokalsattel der Linse 16 liegt, wird ein wesentlicher Anteil des Laserausgangs durch den Teil-durchlässigen Spiegel 52 in den Laser zurückreflektiert. Die Viertel-Wellenplatte 56 ist mit ihrer optischen Achse um 45 gegenüber der Hauptachse des zugelassenen Laserpolarisationszustande angestellt. Dies bedeutet, daß dann wenn der Laser in einem Modus schwingt, Strahlung in den Laserhohlraum von der Oberfläche 15 über die Platte 56 zurückreflektiert wird und einen Polarisationszustand des orthogonalen Modus besitzt und wenn die Phase stimmt, wird dieser Modus in Schwingungen versetzt.

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Wenn die zurückreflektierte Strahlung stark genug ist, schaltet die Laserschwingung von einem Modus in den anderen um, jeweils wenn die Phase der reflektierten Strahlung um 18O° geändert wird (d.h. die Diffusionsoberfläche wird um /*V bewegt.) Wenn die Oberfläche 15 von einer Stelle außerhalb des Pokalsattels in diesen hinein bewegt wird, dann wird dies durch das Anschwingen signalisiert und Impulse vom Fotodetektor 18 werden am.Indikator 19 dargestellt. Während, ,die Oberfläche 15 durch den Pokalsattel hind .urchtritt, ändert sich jeweils der Polarisationszustand wenn die Oberfläche sich um eine Viertelwellenlänge bewegt hat und dies wird durch den Fotodetektor-Anzeiger dargestellt. Bei einem Fokalsattel von einer Länge von 5/1000 Zoll Länge erzeugt ein 1,15 jpra Laser eine Polarisationsschaltung von 4^4 mal pro Durchgang. Diese Wirkung ergibt zwei getrennte Referenzen. Die Enden des Fokalsattels werden scharf durch das Anschwingen bzw. Aufhören einer Polarisationsumschaltung definiert, während durch Zählen der Polarisationsumschaltungen eine präzise Messung der Viertelwellenlängen-Intervalle innerhalb des Fokalsattels möglich wird. Außerdem kann die Bewegungsgeschwindigkeit auf der Oberfläche gemessen werden,, indem die Schaltfrequenz festgestellt wird.

Figur 8 veranschaulicht wie die Polarisationsumschaltung eines Doppelpolarisations-Laser bei einer Werkzeugmaschine benutzt werden kann, um präzise Messungen durchzuführen. Das Laserrohr 50 der Fotodetektor 18, der Polarisator 55/ der Auslesespiegel 51, das lineare Doppelbrechungselement 5J5 und das zirkuläre Doppelbrechungselement 54 sind die gleichen wie in Verbindung mit Figur 7 dargestellt. Der Laserhohlraumausgangsspiegel 52, die Viertelwellenplatte 56 und die Linsen 57 und 16 sind sämtlich in dem Gehäuse 60 einer optischen Sonde angeordnet, das durch einen Antrieb öl längs der Laserachse verschiebbar ist. Die Funktion der Elemente 52, 57 und 16 wurde bereits unter Bezugnahme auf Figur 7 beschrieben. Eine weitere Bezugnahme

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auf den Antrieb 6l und dessen Ausbildung wird später nachgeholt. Das Lasersystem enthält auch einen Modulator für die elektro-optische Phase,und dieser Modulator 62 wird durch den Oszillator 6j5 angetrieben.

Es zeigt sich, daß zwei Ursachen vorhanden sind, die die Laser-Polarisation umschalten. Wenn der Antrieb 6l die optische Sonde βθ über ein Viertel einer Laserwellenlänge bewegt, dann schaltet die Polarisation um, weil der Laserhohlraum geändert wird. Wenn der Antrieb 61 mit konstanter Geschwindigkeit arbeitet, erfolgt die Polarisationsumschaltung mit einer Geschwindigkeit von 4 V„/ oder mit der Translationsgeschwindigkeit geteilt durch eine Viertel Laserwellenlänge. Diese Frequenz soll als F^ bezeichnet werden.

Die andere Quelle der Polarisationsumschaltung ist eine Folge von Reflektionen von einer Oberfläche in der Fokalfläche der Linse l6. Unter der Annahme, daß keine translatorische Bewegung stattfindet, und daß eine Oberfläche in der Fokalfläche vorhanden ist, bewirkt der Modulator 62 - wenn er durch den Oszillator 63 genügend gespeist wird - eine Polarisationsumschaltung, weil die effektive Länge des Hohlraums mit niedrigem Q geändert wird, der zwischen der diffusen Oberfläche und dem Spiegel 52 besteht, wobei die Änderung mehr als eine Viertel Wellenlänge beträgt. Da diese elektro-optisch induzierte Umschaltung ihrer Natur nach elektronisch ist, kann sie mit einer Frequenz folgen, die sehr viel größer als F™ ist, und die daher unterscheidbar ist. Die Polarisations-Umschaltgeschwindigkeit in Folge der Wirkung des Modulators 62 wird mit Fjyj bezeichnet. Die Treiberstufe 6l stellt eine Vorrichtung mit konstanter Geschwindigkeit dar, die durch Anwendung geeigneter Impulse an ihre Steuerkreise gestartet und gestoppt wird. Sie ist so ausgebildet, daß die optische Sonde 60 von links nach rechts verschoben wird. Die mechanische Wirkung wird manuell

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von rechts nach links mittels eines nicht dargestellten Mechanismus zurückgestellt. Im typischen Pail ist das Herz der Treiberstufe ein Impulsmotor und Steuerglieder, die dem Motor eine konstante Impulskette liefern. Die Zuführung der Impulse erfolgt über eine geeignete Gatterschaltung, wodurch der Motor durch Anwendung von Steuerimpulsen gestartet und angehalten werden kann. Der Motor ist mit einem geeigneten linearen mechanischen Antrieb gekoppelt. Ein Zahnstangenmechanismus oder ein Schneckenantrieb wird für diesen Zweck gewöhnlich benutzt. Derartige Antriebe sind auf diesem Gebiet der Technik allgemein bekannt und brauchen nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Es soll angenommen werden, daß sich die Sonde 60 in ihrer extrem linken Stellung befindet. Dann wird,, wie dargestellt, eine zurückziehbare Referenz 64 in die untere Stellung bewegt. Wenn sich der Schalter 65. in seiner Meßstellung befindet, bewirkt die Startsteuerung 66 einen Anlauf des Antriebs "61 und die Sonde 60 wird nach rechts vorgeschoben. Sobald die Fokalfläche der Linse l6 in die Oberfläche der Referenz 64 einläuft, beginnt die Laser-Polarisation mit der Frequenz F_M umzuschalten. Ein Signal mit der Frequenz F_M durchläuft ein Filter 67 und wird einer Schwellwertstufe 68 zugeführt. Letzere ist so konstruiert und angeordnet, daß ein Impuls gemäß dem angelegten Signal erzeugt wird, und dieser Impuls dem Antrieb 6l zugeführt wird, um dessen Vorwärtsbewegung zu beenden. Wenn der Schalter 65 in der Meßstellung befindlich ist, wird die Sonde vorgeschoben, bis sie einen Punkt im Raum erreicht, der durch die Fokalfläche der Linse bestimmt ist und dieser Punkt ist mit hoher Präzision reproduzierbar. Um den Abstand D von der Bezugsoberfläche nach der Oberfläche des Teils 69 zu messen, wird die Referenz zurückgezogen, und die Startsteuerung 66 wird wieder betätigt. Der Antrieb 6l schiebt die Sonde 60 vor, bis die Fokalfläche der Linse die Oberfläche des Teils 69 trifft.

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An dieser Stelle erscheint eine Polarisationsumschaltung mit der Frequenz F™ und der Antrieb wird, wie oben beschrieben, stillgesetzt. Während dieser letzt genannten Translationsbewegung, während der die Fokalfläche sich über die Entfernung D bewegt, trat eine Polarisationsumschaltung mit der Frequenz F™ auf, und diese Komponente des Ausgangs des Fotodetektors 18 durchläuft das Filter 70. Eine Formstufe 71 formt die Flanken der Impulse, die dann im Zähler 72 gezählt werden. Das Anzeigegerät 73 stellt entweder die Gesamtzahl der Zählungen dar (dieser Wert kann in die Entfernung D umgerechnet werden), oder die tatsächlich von der Sonde 60 durchlaufene Entfernung. Auf diese Weise kann der Abstand D mit einer sehr hohen Präzession ohne jegliche mechanische Berührung gemessen werden. Die Zählung liefert eine genaue Anzeige der Entfernung D weil immer dann, wenn die Startsteuerung 66 betätigt wird. Der Zähler 72 über die Rückstell-Leitung 74 auf Null gestellt wird.

Wenn der Modenschalter 65 in der Einsteilstellung befindlich ist, wird der Antrieb auf andere Weise angehalten. Zunächst soll angenommen werden, daß der Antrieb 61 die optische Sonde 6o vorgeschoben hat, bis die Fokalfläche der Linse 16 die Oberfläche der Referenz 64 in der Meßstellung, wie oben beschrieben - berührt hat. Dann wird der Schalter 65 in die Einstell-Stellung gebracht, wodurch zwei zusätzliche Stufen in Tätigkeit gesetzt werden. Der Komperator 75 empfängt vom Zähler 72 eine Information und wird durch die Impulszähleinstellung 76 programmiert. Diese Stufe 76 wird entweder durch eine gewünschte Zahl von Impulsen, oder einen gewünschten Abstand eingestellt, je nach dem wie die Eichung erfolgte. Hierdurch wird der Komperator 75 so programmiert, daß ein Ausgangsimpuls erzeugt wird, wenn eine vorbestimmte Zahl von Eingangsimpulsen empfangen ist. Wenn die Startsteuerung 66 betätigt wird, läuft der Antrieb 61 und schiebt die Sonde 60 vor, bis die

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Impulse, die das Filter 70 durchlaufen (P_T) gleich der Zahl sind, die durch die Impulszähleinstellung 76 geliefert sind. Der Impuls vom Komperator 75 hält den Antrieb 61 in einem präzise vorbestimmten Abstand an. Durch Betätigung der Startsteuerung 66 wird auch die Zählstufe 72 durch die Rückstell-Leitung 74 auf Null zurückgestellt. Dies bedeutet, daß die Anzeigevorrichtung 75 immer entweder die gemessene Entfernung oder den eingestellten Abstand liest, um den der Antrieb 6l die Sonde 60 vorschiebt.

Beispiel I

Ein Helium-Laser, der bei 3,4 μ arbeitet, wurde - wie in Figur 1 dargestellt - eingestellt. Es wurden Linsen mit unterschiedlicher Brennweite an der Stelle der Linse 16 benutzt. Dabei zeigte sich, daß eine erfolgreiche Laserschwingung erhalten werden konnte, wenn der Abstand zwischen der Linse 16 und der Oberfläche 15 über Bereiche eines Bruchteils eines Zolls bis zu mehreren Yard betrug. (Bruchteile von Zentimetern bis zu mehreren Metern). Die Genauigkeit betrug bei 25 mm (1 Zoll) etwa 2,5 χ 10 mm (0,01 mil) und bei 250 mm (10 Zoll) "6 χ

(0,24 mil). Demgemäß hängt die Genauigkeit von der F-Zahl der Linse 16 ab und sie ist bei größeren F-Werten kleiner. Eine erfolgreiche Messung konnte bei Oberflächen erlangt werden, die aus unpoliertem und bearbeitetem Metall, Papier, Holz, Gummi . und Ton zusammengesetzt waren, sowie bei flachen konkaven und konvexen Spiegeloberflächen. Es konnten auch erfolgreiche Messungen bei schnell bewegten Oberflächen, ζ.Β bei Motorwellen durchgeführt werden.

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BEISPIEL II

Ein kommerziell verfügbares Helium-Neon-Laserrohr, welches bei 1,15 μ arbeitet, wurde wie in Figur 4 dargestellt, eingesetzt. Das Anzeigegerät 19 enthielt ein schmales Bandpaßfilter, welches auf die Frequenz des Oszillators 22 abgestimmt war. Es zeigte sich, daß die Vorrichtung arbeitsfähig war, während der Laserschwinghohlraum über mehr als 200 mm (8 Zoll) verändert wurde. Hieraus ergibt sich, daß die Kombination von Spiegel 20, Modulator 21, Linse 25 und Linse Ιβ wenigstens um 200 mm als Einheit relativ zu dem übrigen Teil des Laser verschoben werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß dann wenn die diffuse Oberfläche 15 aus bearbeitetem Metall bestand, eine Neigung bis zu 10° möglich war, ohne daß das Sondenberührungssignal verloren ging. Weniger glatte Oberfläche konnten sogar noch weiter geneigt werden.

BEISPIEL III

Ein Helium-Neon-Laser mit Doppelpolarisation, der bei 1,15 Ji arbeitet, wurde, wie aus Figur 7 ersichtlich, eingerichtet. Die Linse 16 besaß eine Brennweite von 12 mm und eine Apertur von 2 mm. Eine Polarisationsumschaltung wurde in einem Bereich der Oberfläche I5 von ί 0,075 mm ( ± 3 mil) beobachtet. Eine Polarisationsumkehr wurde bei Jeder viertel Wellenlänge der Bewegung festgestellt. Oberflächen aus weißem Papier, Maskenband, schwarzem, photographischem Band, anodischem Aluminium und unpoliertem Plastikmaterial erwiesen sich als zufriedenstellend. Die mehr diffusen Oberflächen konnten um einen Be-

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trag über 45° geneigt werden und erzeugten dennoch ein ordnungsgemäßes Sondenberührungssignal. Die maximale Arbeitsentfernung der Doppelpolarisationseinrichtung betrug etwa das 50-fache des Bereichs der Einrichtung nach Figur 1.

Das Grundprinzip der Erfindung wurde vorstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Es sind zahlreiche Abwandlungen und äquivalente Ausführungsformen für den Fachmann denkbar. Im Ausführungsbeispiel wurden lichtdurchlässige Optiken benutzt. Stattdessen könnten auch Reflexionsoptiken benutzt werden. Weiter wurde ein Doppelpolarisations-Laser als Ausführungsbeispiel dargestellt, der sowohl lineare als auch zirkuläre Doppelbrechungs-Elemente innerhalb des,Laserhohlraumes benutzte. Stattdessen kann das zirkuläre Doppelbrechungselement für gewisse Lasermaterialien z.B. Kohlendioxyd wegfallen, wenn diese eine genügende Modenkopplung für linear polarisierte Moden aufweisen. Wenn das aktive Material des Laser auf ein axiales magnetisches Feld anspricht, kann ein solches Feld anstelle eines zirkular-doppelbrechenden Elementes benutzt werden.

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Patentansprüche:

Claims (1)

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   Patentansprüche

   Optisches System zur Messung des Abstandes · zwischen einem Teil des Systems und einem Gegenstand, der eine nicht spiegelnd reflektierende Oberfläche besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser und eine diesem zugeordnete FokussLerungslinse vorgesehen ist, welch letztere die optische Laserenergie in eine Fokalfläche richtet und daß dem Laser Mittel betriebsmäßig zugeordnet sind, um anzuzeigen wenn diese Oberfläche in der Fokalfläche vorhanden ist.

   System nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Linse in Kombination mit der· Oberfläche des Gegenstandes zusammenwirkt, um ein reflektierendes Element zu bilden, das in Zusammenwirken mit einem Spiegel einen Resonanzhohlraum mit niedrigem Q bildet, wenn die Oberfläche in der Fokalebene liegt.

   System nach Anspruch 2,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum mit niedrigem Q-Wert ein aktives Lasermedium umschließt, mit einer genügenden Verstärkung um eine Schwingung zu erzeugen, und daß die Anzeigeeinrichtung einen Fotodetektor aufweist, der auf Licht anspricht,

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   welches von dem Laser geliefert wird, um ein elektrisches Ausgangssignal nur dann zu erzeugen, wenn die Oberfläche des Gegenstandes

   in der Pokalfläche angeordnet ist und wenn der Laser schwingt.

   System nach Anspruch 2, '

   dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum mit niedrigem Q-Wert optisch mit einem oszillierenden Laser gekoppelt ist und einen Phasenmodulator enthält, der mit einer vorbestimmten Frequenz schwingt und daß der Laser optisch daran einen optischen Detektor gekoppelt hat, der auf Modulationsprodukte anspricht, die diese Frequenz haben, so daß das Vorhandensein im Ausgang des Detektors bei jener Frequenz anzeigt, daß die Oberfläche des Gegenstandes in der Fokalfläche liegt.

   System nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum mit niedrigem Q-Wert optisch mit einem Doppelpolarisatioris-Laser gekoppelt ist, der eine genügend hohe Modenkopplung aufweist, um einen Modus zu unterdrücken und eine Viertelviellen-Verzögerungsplatte enthält, die um etwa 45° gegenüber dem erlaubten Lasermodus geneigt ist, und daß der Laser einen Photodetektor aufweist, der vorzugsweise nur auf einen Modus anspricht, so daß das Vorhandensein der Oberfläche des Gegenstandes die Bewegung des Gegenstandes in der Fokalfläche durch Modenänderung angezeigt wird.

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   6. Mit einem Laser arbeitende Entfernungs-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5* zur Benutzung in Verbindung mit einem Gegenstand, der eine diffuse Reflexionscharakteristik: aufweist,

   dadurch gekennzeichnet, daß ein aktives Lasermedium mit hoher Verstärkung vorgesehen ist, daß dem aktiven Lasermedium eine Linse zugeordnet ist, um das Licht von dem Medium im Bereich eines Pokalsattels zu fokussieren, daß ein Spiegel auf der Seite des aktiven Mediums angeordnet ist, die der Linse abgewandt ist, und daß dieser Spiegel so angeordnet ist, daß er mit der Linse als optischer Resonator mit niedrigem Q-Wert arbeitet, wenn die Oberfläche des Gegenstandes im Bereich der Pokalfläche der Linse liegt, daß Mittel vorgesehen sind, um die Linse längs der Achse des Resonators relativ zu der Oberfläche zu verschieben, und daß dem Laser Mittel zugeordnet sind, die anzeigen wenn der Laser schwingt.

   7. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein oszillierender Laser mit einem optischen Resonanzhohlraum vorgesehen ist, der wenigstens einen teilweise durchlässigen Spiegel besitzt, daß dem Laser eine Linse zugeordnet ist, um das vom Spiegel· in einem Pokalflächenbereich emittierte Licht zu fokussieren, daß Mittel vorgesehen sind, um die Linse axial gegenüber dem Laser und relativ zu dem Objekt zu verschieben, daß ein Phasenmodulator zwischen der Linse und dem Spiegel angeordnet ist, der mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenz

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   betrieben wird und daß Mittel vorgesehen sind, um die Energie in dem Laser hinsichtlich einer Modulationskomponente der Frequenz zu analysieren, wobei das Vorhandensein dieser Frequenz die Lage der Oberfläche des Gegenstandes innerhalb des Fokalflächenbereiches anzeigt.

   8. Entfernungsmeßeinrichtung nach den Ansprüchen β und 7,

   dadurch gekennzeichnet, daß ein oszillierender Doppelpolarisations-Laser vorgesehen ist, der einen optischen Resonator mit wenigstens einem teilweise durchlässigen Spiegel aufweist und eine genügend benachbarte Modenkopplung besitzt, um seine Oszillation jeweils auf eine einzige Polarisation zu begrenzen, daß eine Linse dem Laser zugeordnet ist, um Licht vom Spiegel in einen Fokalflächenbereich zu fokussieren, daß Mittel vorgesehen sind um die Linse längs der optischen Achse des Lasers durch den Fokalflächenbereich und relativ zu dem Gegenstand zu bewegen und daß Mittel vorgesehen sind, um Änderungen im Polarisationszustand des Lasers festzustellen.

   9. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator so verschoben wird, daß er seine Abstimmung ändert und Polarisationsänderungen mit einer Rate erzeugt, die der Geschwindigkeit der Verschiebung entspricht.

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   10. Etotfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenmodulator zwischen dem Spiegel und der Linse angeordnet ist, der mit einer Frequenz betrieben wird, die beträchtlich größer ist als diese Geschwindigkeit.

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