DE29619077U1

DE29619077U1 - Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem

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Publication number: DE29619077U1
Application number: DE29619077U
Authority: DE
Original assignee: JENAER MESTECHNIK GmbH
Current assignee: JENAER MESTECHNIK GmbH
Priority date: 1996-11-02
Filing date: 1996-11-02
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2006-11-03

Description

Patentanwälte

GEYER, FEfcfl^efä & PiRTKlER)(SiSlR.)

MÖNCHEN-JENA

Büro München /Munich Offices: Perhamerstraße 31 · D-80687 München
Telefon: (089)54615 20 -Telefax: (089) 5 4603 92 · Telex: 5 218915 gefe d · Telegramme: gefepat muenchen Bürojena//ena Offices: Sellierstraße 1 ■ D-07745 Jena -Telefon: (03641) 29150 -Telefax: (03641) 291521

JENAer Meßtechnik GmbH 25. Oktober 1 996

U.Z.: GM 9021/1-96

Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem mit einem frequenzstabilisierten, aus zwei Schwingungsmoden mit den Frequenzen f_] und f₂ bestehenden He-Ne-Laser, einer Elektronikeinheit zur geregelten Stromversorgung des Lasers, einer Interferometeranordnung und einer Auswerteeinheit, wobei ein Teil des Laserlichtes als Referenzsignal der Auswerteeinheit zugeführt und dort als eine erste Schwebungsfrequenz f. = f_} - f₂ registriert wird, während das restliche Licht in die Interferometeranordnung gelangt, in welcher nur Licht der Frequenz f_t auf den Meßspiegei und nur Licht der Frequenz f auf den Vergleichsspiegel fällt und in der sich bei Bewegung des Meßspiegeis aufgrund einer Frequenzverschiebung +Af₁ eine zweite Schwebungsfrequenz f_m = ^ + Af₁ - f₂ ausbildet, die der Auswerteeinheit als Meßsignal zugeführt wird, und wobei in der Auswerteeinheit eine Rechenschaltung vorgesehen ist, die der Ermittlung der Frequenzverschiebung + Af₁ aus dem Vergleich von Meßsignalund Referenzsignal und daraus des Verschiebeweges des Meßspiegeis dient.

Im Stand der Technik sind Heterodynlasermeßsysteme mit hoher Objektgeschwindigkeit und hoher inkrementell Auflösung bekannt. Diese Meßsysteme verfügen über Laserlichtquellen, etwa He-Ne-Kompaktlaser, welche zwei getrennte Moden, vorzugsweise linear polarisiert und orthogonal aufeinanderstellend, wellenlängenstabil emittieren. Da Laseriichtquellen elektrischoptische Einrichtungen sind, die zum Betrieb eine einheitliche Stromversorgung erfordern und daher Wärme erzeugen und abstrahlen, besteht ein we-

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sentliches Problem solcher Anordnungen darin, daß Temperaturveränderungen in der Umgebung, beispielsweise in dem Raum, in dem sich der Laser befindet, zu Instabilitäten im Regelverhalten des Lasers führen.

Aus diesem Grund hat die bisherige Entwicklung solcher Meßsysteme dazu geführt, daß der Laser einerseits und die Versorgungselektronik für den Laser andererseits räumlich getrennt angeordnet und über relativ weite Signalwege miteinander verbunden werden, um die thermische Entkopplung zwischen dem Kompaktlaser und der Stromversorgung sicherzustellen.

Aus der Firmendruckschrift NrJ 64-0/8.92 der Firma Carl Zeissjena GmbH ist ein Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem mit der Bezeichnung ZLM 300 bekannt, das in der Grundausrüstung aus drei Baueinheiten besteht, die je nach den Gegebenheiten des konkreten Anwendungsfailes vor Ort zusammensetzbar sind. Diese drei Baueinheiten entsprechen im wesentlichen der Laseriichtquelle, einer Elektronikeinheit mit integrierter Stromversorgung zum Betreiben der Laserlichtquelle und einem Interferometer. In der Laserlichtquelle sind dabei ein He-Ne-Laser, Strahlformungs- und Strahlführungselemente sowie eine Strahlteilungsoptik vorgesehen, die der Bereitstellung von Referenz- und Meßsignalen dienen. Die Elektronikeinheit umfaßt ein Netzteil, einen Regler sowie eine Hochspannungsversorgung für das Entladungsrohr des Lasers. Als Interferometer ist ein Zweifrequenz-Interferometer vorhanden. Die räumlich getrennte Anordnung der Baueinheiten bedingt der Anzahl der Baugruppen entsprechend einen relativ hohen Montageaufwand zur Vorbereitung der Messungen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem der vorgenannten Art so weiterzubilden, daß unter Beibehaltung der vorteilhaften Wirkung der hohen Objektgeschwindigkeit und der hohen inkrementellen Auflösung eine wesentlich einfachere Benutzung des Meßsystems gegeben ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der He-Ne-Laser und die Elektronikeinheit auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet und zu einer Baueinheit, dem Meßkopf, zusammengefaßt sind und daß zwischen dem

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He-Ne-Laser einerseits und der Elektronikeinheit andererseits Mittel zur thermischen Entkopplung vorgesehen sind.

Damit ergibt sich der Vorteil einer wesentlich vereinfachten Handhabung bei der Vorbereitung von Messungen und beim Meßvorgang selbst, wobei die hohe Meßgenauigkeiten beibehalten ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die im optischen Strahlengang zwischen der Interferometeranordnung und dem He-Ne-Laser vorgesehenen optischen Strahlformungs- und Strahlführungselemente sowie mindestens eine polneutrale Strahlteilungsoptik ebenfalls auf der gemeinsamen Trägerplatte angeordnet und insofern in den Meßkopf integriert sind.

Zwecks thermischer Entkopplung ist der He-Ne-Laser auf der Trägerplatte von einer thermisch isolierenden Einhausung umgeben. Damit ist der Vorteil verbunden, daß trotz Anordnung von Laser- und Elektronikeinheit auf einer gemeinsamen Trägerplatte das Regelverhalten des Lasers stabil ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß in den Signalwegen zwischen dem Meßkopf und der Auswerteeinheit Mittel zur elektrischen Entkopplung vorgesehen sind. Damit werden vorteilhafterweise Erdschleifen zwischen dem kompakten Meßkopf und der angeschlossenen Auswertetechnik, die z.B. ein Computer sein kann, ausgeschlossen. Alternativ zu den hier vorgesehenen Lichtweilenleitern können im Signalweg zwischen dem Lasermeßkopf und der Auswertetechnik auch Optikkoppler zur elektrischen Entkopplung vorhanden sein.

Die Elektronikeinheit sollte vorteilhafterweise mit einem Niederspannungsnetzteil zur Laserstromversorgung, einen PID-Analogregler und einer Hochspannungsversorgung ausgestattet sein.

Die optisch wirksamen Flächen aller Strahlformungs- und Strahlführungselemente wie auch der Strahlteilungsoptiken sollten entspiegelt sein. Damit werden die Rückreflexe in das Laserrohr minimal gehalten.

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Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zwischen der polneutralen Strahlteileroptik und der Interferometeranordnung Lagesensoren zur Kontrolle der Strahlführung angeordnet sind. Dabei können die Lagesensoren als Vierquadrantenempfänger ausgebildet sein.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig.l die prinzipielle Darstellung der Anordnung der Baugruppen

im Lasermeßkopf auf einer Trägerplatte

In Fig.l ist eine Trägerplatte 1 ist als Aufnahmeelement für die Bauteile des Meßkopfes eines Zweifrequenz-Laserwegmeßsystems dargestellt, auf welcher ein frequenzstabilisierter He-Ne-Laser 2, ein Kollimator 3, eine Elektronikeinheit 4, zwei Strahlumlenker 5.1 und 5.2, ein polneutraler Teiler 6 und ein Polarisationsteiler 16 angeordnet sind. Dem Polarisationsteiler 16 sind zwei als Vierquadrantenempfänger ausgebildete Lagesensoren 17 und 18 zur Kontrolle der Strahllage und Strahlführung nachgeschaltet. Die Elektronikeinheit 4 besteht aus einem Niederspannungsnetzteil 4.1 zur Laserstromversorgung, einem PID-Analogregler 4.2 und einer Hochspannungsversorgung 4.3. Der He-Ne-Laser 2 ist mit zwei Schwingungsmoden mit den Frequenzen f und f₂ ausgestattet, seine Ausgangsleistung beträgt beispielsweise 2 mW, die Wellenlänge der emittierten Strahlung liegt vorzugsweise bei 632,8 nm. Das Licht beider Moden ist linear polarisiert und wird orthogonal aufeinanderstellend und wellenlängenstabil emittiert. Der Frequenzabstand zwischen f_} und f₂ beträgt 640 MHz. Die optische Weglänge zwischen dem nicht dargestellten Austrittsspiegel des Lasers 2 und dem Kollimator 3 beträgt beispielhafte 100mm, um Rückreflexe aus dem Kollimator 3 in das Laserrohr minimal zu halten und so die Frequenzstabilität zu erhöhen. Außerdem sind aus demselben Grund die optisch wirksamen Flächen aller Strahlformungs- und Strahlführungselemente sowie der Strahlteilungsoptiken 6 und 16 entspiegelt.

Als Strahlumlenker 5.1 und 5.2 sind beispielsweise totalreflektierende Prismen eingesetzt; analog dazu können auch mit dielektrischem Reflexionsbelag

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beschichtete Spiegel genutzt werden. Die Strahlurnlenker 5.1 und 5.2 sind so justiert, daß beide Moden seitlich zum Laser 2 versetzt in den Kollimator 3 eingekoppelt werden. Der polneutrale Teiler 6 ist als 4:1-Neutralteiler ausgebildet. Die Polarisationsoptik 7 und die Lichtwellenleitereinkopplung 8 sind zur Einkopplung eines Teilstrahles in den Referenzkanal 9 vorgesehen. An der Austrittsstelle des Laserstrahlenganges an der Stirnseite des Gehäuses, welches den Meßkopf als Baueinheit umschließt (nicht dargestellt), ist eine Strahlblende 10 als Justierhilfe für ein Interferometer 11, beispielsweise ein Trägerfrequenzinterferometer vorgesehen. Zur Einkopplung des Meßsignales 12 dient eine Lichtwellenleitereinkopplung 13, die analog zur Lichtwellenleitereinkoppiung 8 ausgebildet ist. Alternativ ist die Verwendung von mehrachsigen Interferometeraufbauten denkbar, wobei in diesem Fail die Meßsignaleinkopplung dem Interferometer 11 zugeordnet sein sollte.

Der He-Ne-Laser 2, der Kollimator 3, die Strahlumlenker 5.1 und 5.2 und die beiden optischen Teiler 6 und 16 sind zwecks thermischer Entkopplung von einer isolierenden Einhausung 14 umgeben. Zusätzlich ist der He-Ne-Laser 2 in einem Rohr 1 5 angeordnet, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Rohres 1 5 zu gewährleisten und die thermische Einflüsse von außen wirksamer fern zu halten.

Beim Betreiben des erfindungsgemäßen Meßsystems erfolgt im Kollimator 3, der optisch auf den Austrittsspiegel des Lasers 2 abgestimmt ist, die Kompensation der Strahldivergenz, d.h. der Laserstrahl wird zu einem parallelen Lichtbündel geformt. Der Laserstrahl, der nach dem Kollimator 3 beispielsweise einen Durchmesser von 6 mm hat, tritt durch den Polarisationsteiler 16 und trifft dann auf den polneutralen Teiler 6.

Am polneutralen Teiler 6 erfolgt die Aufspaltung in einen Referenz strahl und einen Meßstrahl. Während der Referenzstrahl über die Polarisationsoptik 7 und die Lichtwellenleitereinkopplung 8 in den Referenzkanal 9 geleitet wird, verläßt der Meßstrahl den Meßkopf in Richtung Interferometer 11.

Die Lichtwellenleitereinkopplungen 8 und 1 3 verfügen über Detektoren, denen jeweils eine Sammellinse (nicht dargestellt) vorgeordnet ist; diese hat die

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Aufgabe, den Kollimatorstrahl auf Lichtwellenleiterdurchmesser zu fokussieren.

Ein rückläufiger Strahlanteil aus dem Interferometer 11 wird zur Justage des Lasers 2 genutzt. Dazu werden am Polarisationsteiier 16 Teilstrahlen abgezeigt, die den Lagesensoren 17 und 18 zugeleitet und hier hinsichtlich einer Lageabweichung in Bezug auf das Zentrum der Sensoren geprüft werden; im Falle einer über einen vorgegebenen Schweliwert hinausgehenden Lageabweichung wird ein Signal abgegeben und so eine Nachjustierung veranlaßt.

Zum Zweck der Wegmessung wird der Laser 2 über die Elektronikeinheit 4 angesteuert und sendet die beiden Schwingungsmoden mit den Frequenzen ^ und f₂ bei einer Differenzfrequenz von 640 MHz aus. Ein Teil des Lichtes wird über den Referenzkanal 9 unmittelbar der Auswerteeinheit (nicht dargestellt) zugeführt und dort als Schwebungsfrequenz f_r = f ₁ - f₂ = 640 MHz registriert. Der restliche Teil des Lichtes gelangt in das interferometer 11, wo aufgrund der polarisationsoptischen Aufspaltung nur das Licht der Frequenz ^ auf den Meßspiegel und nur das Licht der Frequenz f auf den Vergleichsspiegei fällt. Wird nun der Meßspiegel bewegt, resultiert aus dem Dopplereffekt eine Frequenzverschiebung ± Af₅ und im rückläufigen Strahlengang bildet sich eine zweite Schwebungsfrequenz f = f ± Af - f aus, die als Meßsignal über die Lichtweilenleitereinkopplung 13 ebenfalls der Auswerteeinheit zugeführt wird. Aus dem Vergleich von Meß- und Referenzsignal wird in der Auswerteeinheit die Dopplerfrequenz ± Af und hieraus schließlich der zugehörige Verschiebeweg des Meßspiegels ermittelt.

Meßkopf und Auswerteeinheit als Systemkomponenten sind sicher und einfach zu handhaben und für mobile Meßaufgaben, wie die Kalibrierung von Werkzeug- oder Koordinatenmeßmaschinen vorteilhaft anwendbar.

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Bezugszeichenliste

1 Trägerplatte

2 He-Ne-Laser

3 Kollimator

4 Elektronikeinheit

4.1 Niederspannungsnetzteil

4.2 PID-Analogregler

4.3 Hochspannungsversorgung 5.1,5.2 Strahlumlenker

6 polneutraler Teiler

7 Polarisationsoptik

8 Lichtweilenleitereinkopplung

9 Referenzkanal

10 Strahlblende

1 1 Trägerfrequenzinterferometer

12 Meßsignal

13 Lichtweilenleitereinkopplung

14 Einhausung

15 Rohr

16 Poiarisationsteiler 17, 1 8 Lagesensoren

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Claims

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nsprüche

1. Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem mit einem frequenzstabilisierten, aus zwei Schwingungsmoden mit den Frequenzen f_; und f₂ bestehenden He-Ne-Laser, einer Elektronikeinheit zur geregelten Stromversorgung des Lasers, einer interferometeranordnung und einer Auswerteeinheit, wobei ein Teil des Laserlichtes als Referenzsignal der Auswerteeinheit zugeführt und dort als eine erste Schwebungsfrequenz f. = f, - f, registriert wird, während das restliche Licht in die Interferometeranordnung gelangt, in welcher nur Licht der Frequenz f auf den Meßspiegel und nur Licht der Frequenz f₂ auf den Vergleichsspiegel fällt und in der sich bei Bewegung des Meßspiegels aufgrund einer Frequenzverschiebung + Af₁ eine zweite Schwebungsfrequenz f_m = f_} ± Af _} - f₂ ausbildet, die der Auswerteeinheit als Meßsignal zugeführt wird, und wobei in der Auswerteeinheit eine Rechenschaltung vorgesehen ist, die der Ermittlung der Frequenzverschiebung ± Af₁ aus dem Vergleich von Meßsignal und Referenzsignal und daraus des Verschiebeweges des Meßspiegels dient, dadurch gekennzeichnet,

daß der He-Ne-Laser (2) und die Elektronikeinheit (4) auf einer gemeinsamen Trägerplatte (1) angeordnet und zu einer Baueinheit, dem Meßkopf, zusammengefaßt sind und

daß zwischen dem He-Ne-Laser (2) einerseits und der Elektronikeinheit (4) andererseits Mitte! zur thermischen Entkopplung vorgesehen sind.
2. Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikeinheit (4) mit einem Niederspannungsnetz-

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teil (4.1), einem PID-Analogregler (4.2) und einer Hochspannungsversorgung (4.3) ausgestattet ist.
3. Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Srahlengang zwischen der Interferometeranordnung (11) und dem He-Ne-Laser (2) optische Strahlformungsund Strahlführungseiemente sowie mindestens ein polneutraler Strahlteiler (6) vorgesehen und ebenfalls auf der gemeinsamen Trägerplatte (1) angeordnet sind.
4. Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der He-Ne-Laser (2), die optischen Strahlformungs- und Strahlführungselemente sowie der polneutrale Teiler (6) zwecks thermischer Entkopplung von einer isolierenden Einhausung (14) umgeben sind.
5. Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Wege der Signalübertragung zwischen dem Meßkopf und der Auswerteeinheit Mittel zur elektrischen Entkopplung vorgesehen sind.
6. Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks elektrischer Entkopplung zwischen dem Meßkopf und der Auswerteeinheit zumindest streckenweise Lichtweilenleiter im Weg der Signalübertragung vorhanden sind.
7. Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirksamen Flächen aller Strahlformungs- und Strahlführungselemente sowie der Strahlteilungsoptiken (6, 16) entspiegelt sind.
8. Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem polneutralen Strahlteiler (6) und der Interferometeranordnung (11) Lagesensoren (1 7, 1 8) zur Kontrolle der Strahlführung angeordnet sind.

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9. Zweifrequenz-Laserwegmeßsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagesensoren (17, 18) als Vierquadrantenempfänger ausgebildet sind.

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