DE2752375A1

DE2752375A1 - Einrichtung zur messung kleiner winkelaenderungen

Info

Publication number: DE2752375A1
Application number: DE19772752375
Authority: DE
Inventors: Thorsteinn Dipl Ph Halldorsson
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1977-11-24
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1979-06-07

Description

Einrichtung zur Messung kleiner Winkeländerungen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung kleiner Winkeländerungen zwischen zwei Bezugsflächen mit einem Laser, dessen Resonator einen vollständig reflektierenden Spiegel und einen Ausblendspiegel aufweist, und einem Detektor zur Erfassung des Laserstrahles.
Für Messungen von Winkeländerungen im Bereich von einigen Bogensekunden werden u.a. Interferometer in Verbindung mit Lasern verwendet. Derartige Interferometer werden beispielsweise in "Feinwerktechnik und Meßtechnik", 84 (1976), 7, S. 344 ff. beschrieben. Mit Laserlicht betriebene Interfero:neter benötigen jedoch zusätzlich zu der im Laser vorhandenen Präzisionsoptik noch weitere optische und mechanische Präzisionsteile wie Spiegel, Drehtisch, optische Bank und dgl., welche je nach Güte entsprechend kostspielig sind. Durch die Vielzahl der für ein Interferometer notwendigen Bauteile spielen die Toleranzen der einzelnen Bauteile im Hinblick auf die Genauigkeit des gesamten Cerätes eine erhebliche Rolle.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Messung kleiner Winkeländerungen zu schaffen, welche mit geringerem Aufwand an optischen und mechanischen Präzisionsteilen als bisher auskommt und eine hohe Meßgenauigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der vollständig reflektierende Spiegel und der Ausblendspiegel des Laserresonators je einer der beiden Bezugsflächen zugeordnet sind.
Die Erfindung macht sich einen seit langem bekannten Effekt bei Lasern zunutze, der darin besteht, daß der Laserstrahl schon bei extrem kleiner Änderung der Winkelstellung der Resonatorspiegel stark parallel aus der Achse des Laserresonators auswandert. Dieser Effekt ist von Fox and Lee in "Proceedings of the IEEE 51, (1963), S. 80 ff. eingehend beschrieben, so daß darauf hier nicht weiter eingegangen werden soll. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die an sich in einem Laser vorhandenen Teile zur Messung der Winkeländerung zweier Bezugsflächen verwendet. Die durch Verkippung der Laserspiegel verursachte Parallelverschiebung des Laserstrahles wird mit Hilfe eines Detektors erfaßt. Da die mathematischen Beziehungen zwischen dem Kippwinkel der Laserspiegel und der Parallelverschiebung des Laserstrahles z.B. aus der oben genannten Literaturstelle bekannt sind, ist eine eindeutige Bestimmung der Winkeländerung möglich.
In besonders einfacher und vorteilhafter Weise steht der vollständig reflektierende Spiegel des Laserresonators mit der die Winkeländerung verursachenden Bezugsfläche in Verbindung. Diese Anordnung ermöglicht es, alle anderen Teile der Einrichtung mit der ruhenden Bezugsfläche zu verbinden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ausblendspiegel und der Detektor mit der ruhenden Bezugsfläche in Verbindung stehen.
Dadurch können der Ausblendspiegel und der Detektor als vorjustiertes Bauteil verwendet werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung steht mindestens einer der Resonatorspiegel über piezoelektrische Elemente mit einer Bezugsfläche in Verbindung und ist durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrischen Elemente verstellbar. Nach einer Winkeländerung der Bezugs flächen und einer dadurch verursachten Parallelverschiebung des Laserstrahles können die Resonatorspiegel mit Hilfe der piezoelektrischen Elemente wieder in eine parallele Position gebracht werden, so daß die Einrichtung ständig im Bereich ihrer maximalen Empfindliehkeit arbeitet. Die an die piezoelektrischen Elemente angelegte elektrische Spannung ist dann ein Maß für die Winkeländerung der Bezugsflächen.
Eine Verstellung mindestens einer der Resonatorspiegel um zwei zueinander senkrechten Achsen mit Hilfe von nur zwei piezoelektrischen Elementen gelingt dann, wenn dieser über eine kardanische Aufhängung mit den piezoelektrischen Elementen in Verbindung steht.
Eine ständige Parallelstellung der Spiegel wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß die piezoelektrischen Elemente über einen elektrischen Regelkreis mit dem Detektor in Verbindung stehen.
Als Detektor eignet sich in vorteilhafter Weise ein optoelektronischer Quadrantendetektor. Mit Hilfe eines derartigen Quadrantendetektors kann sowohl der Absolutwert der Parallelverschiebung des Laserstrahles als auch deren Richtung festgestellt werden, so daß zusätzlich zum Kippwinkel auch noch die Kippachse ermittelt werden kann.
Die erfindungsgemäße Einrichtung soll anhand eines in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles im weiteren näher erläutert werden.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein vollreflektierender Spiegel 1 eines Laserresonators über eine Spiegelhalterung 2 mit einer Bezugsfläche 3 verbunden. Der Ausblendspiegel 4 des Laserresonators ist über eine kardanische Spiegelhalterung 5 mit der zweiten Bezugsfläche 6 verbunden.
Zwischen den Resonatorspiegeln 1 und 4 befindet sich konzentrisch zur optischen Achse 7 eine Laserröhre 8. Bei vollständiger Parallelstellung der Resonatorspiegel 1 und 4 verläuft der aus dem Ausblendspiegel austretende Laserstrahl 9 innerhalb der optischen Achse 7. Der austretende Laserstrahl 9 trifft unterhalb des Ausblendspiegels 4 auf einen Quadrantendetektor 10, der so justiert ist, daß der Laserstrahl alle vier Quadranten der Detektorfläche 11 gleichmäßig beleuchtet. Die Auswertung der Detektorsignale und somit die Lagebestimmung des Laserstrahles geschieht in bekannter Weise durch eine Auswerteinheit 14. Eine derartige Auswerteinheit ist beispielsweise in "Feinwerktechnik und Meßtechnik" 85, (1977) 4, 5. 175 dargestellt und beschrieben.
Die Auswerteinheit 14 liefert je eine Spannung für eine x- und eine y-Koordinate des Laserstrahlmittelpunktes bezogen auf den Mittelpunkt der Detektorfläche 11. Diese Spannungen werden zur Verstellung des Ausblendspiegels 4 mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten kardanischen Spiegelhalterung verwendet.
Fig. 2a zeigt in einer Aufsicht einen solchen kardanisch gelagerten Spiegelträger. Der Spiegel 4 ist dabei auf einer inneren Platte 21 befestigt, welche über Achsen 22 drehbar gelagert und mit einer konzentrischen Ringplatte 23 verbunden ist. Die Ringplatte 23 ist ihrerseits senkrecht zur Drehachse 22 über Achsen 24 drehbar gelagert und mit einer äußeren feststehenden Ringplatte z verbunden. Die Ränder der Platten 21, 23 und 25 überlappen sich gegenseitig derart, daß sie einen Ringspalt zur Aufnahme von piezoelektrischen Einstellelementen 26,27 und Druckfedern 28 bilden. Über die piezoelektrischen Einstellelemente 26 und 27, welche zur Vorjustierung auf Mikrometerschrauben sitzen, sind die Platten21 und 23 in den zueinander senkrechten Achsen 22 und 24 drehbar.
Der Quadrantendetektor 10 und die Spiegelhalterung 5 werden so zueinander eingestellt, daß der Schnittpunkt der Drehachsen 22 und 24 und das Zentrum der Detektorfläche 11 auf der optischen Achse 7 liegen.
Wird nun die Bezugs fläche 3 zusammen mit dem Spiegel 1 gegenüber der Bezugsfläche 6 geneigt, so wird der Laserstrahl 9 aus der optischen Achse 7 parallel verschoben. Durch den derart verschobenen Laserstrahl 9' werden die Quadranten der Detektorfläche 11 unterschiedlich beleuchtet, was in der Auswerteinheit 14 zu einem für die Verschiebung charakteristischen x- und y-Signal führt.
Diese Signale werden einer Regeleinheit 13 zugeführt, welche die piezoelektrischen Elemente 26 und 27 derart mit elektrischen Spannungen beaufschlagt, daß der Spiegel 4 wieder in eine zum Spiegel 1 parallele Lage gekippt wird. Die Ausgangsspannungen X und Y des Reglers 13 sind also ein Maß für den Winkel und die Lage der Kippachse, um welche die Bezugsfläche 3' geneigt wurde.
Diese Werte werden durch eine Anzeigeeinrichtung 12 wiedergegeben.
Leerseite

Claims

Einrichtung zur Messung kleiner Winkeländerungen PATENTANSPRÜCHE t Einrichtung zur Messung kleiner Winkeländerungen zwischen zwei Bezugsflächen mit einem Laser, dessen Resonator einen vollständig reflektierenden Spiegel und einen Ausblendspiegel aufweist, und einem Detektor zur Erfassung des Laserstrahles, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der vollständig reflektierende Spiegel (1) und der Ausblendspiegel (4) je einer Bezugsfläche (3,6) zugeordnet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der vollständig reflektierende Spiegel (1) mit der die Winkeländerung verursachenden Bezugsfläche (3) in Verbindung steht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Ausblendspiegel (6) und der Detektor (10) mit der ruhenden Bezugsfläche in Verbindung stehen.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens einer der Resonatorspiegel (4) über piezoelektrische Elemente (26,27) mit einer elektrischen Spannung (X,Y) an den piezoelektrischen Elementen verstellbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß mindestens einer der Resonatorspiegel (4) über eine kardanische Aufhängung (5) mit den piezoelektrischen Elementen (26,27) in Verbindung steht.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die piezoelektrischen Elemente (26, 27) über einen elektrischen Regelkreis (13) mit dem Detektor (10) in Verbindung stehen.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Detektor (10) ein optoelektronischer Quadrantendetektor ist.