DE3430820A1

DE3430820A1 - Method and device for measuring the rectilinearity of a movement

Info

Publication number: DE3430820A1
Application number: DE19843430820
Authority: DE
Inventors: Adolf Friedrich Prof. Dr.-Phys. Fercher; Hong Zhang 4300 Essen Hu
Original assignee: Fercher adolf Friedrich profdr-Phys
Current assignee: Fercher adolf Friedrich profdr-Phys
Priority date: 1984-08-22
Filing date: 1984-08-22
Publication date: 1986-03-13

Abstract

A laser beam 5 from a laser 1 illuminates the diffusely scattering surface of the moving object 6. In the backscattered light, the phase is registered in individual laser speckles by interference with a reference beam 4 and provides a measure of the deviation of the movement from rectilinearity. <IMAGE>

Description

Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Gerad-Designation: Method and device for measuring the straight

linigkeit einer Bewegung Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit von Bewegungen im Bereich des Maschinenbaus, der Fertigungstechnik und der Fahrzeugtechnik. Beispielsweise tritt in der Fertigungstechnik das Problem auf, die Geradlinigkeit, mit welcher ein auf eine Schleifmaschine aufgespanntes Werkstück an der Schleifscheibe vorbei bewegt wird, zu messen. linearity of a movement Method and device for measuring the straightness of a movement The invention relates to a method and a device for measuring the straightness of movements in the area of the Mechanical engineering, manufacturing technology and vehicle technology. For example occurs in manufacturing technology the problem of the straightness with which a a grinding machine moves the clamped workpiece past the grinding wheel will measure.

Zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung sind verschiedene Verfahren bekannt. Vor Einführung des Lasers in die Meßtechnik wurden hierzu optische Strahlengänge zwischen Retroreflektoren benutzt. Eine Querbewegung eines sich entlang des geraden Strahlengangs bewegenden Meßschlittens konnte beispielsweise visuell über einen Meßmarkenversatz bestimmt werden. Daneben waren noch interferentielle Verfahren bekannt geworden, die jedoch nicht zu Meßgeräten führten.There are various methods of measuring the straightness of a movement known. Before the introduction of the laser into measurement technology, optical beam paths were used for this purpose used between retroreflectors. A transverse movement of one is along the straight line Beam path moving measuring slide could, for example, visually via a Measurement mark offset can be determined. There were also interferential processes became known, but did not lead to measuring devices.

Nach der Einführung des Lasers wurde eine Reihe von Verfahren bekannt, welche die Geradlinigkeit des Laserstrahls benutzten und Abweichungen eines Meßschlittens von der Strahlachse nachwiesen. Auch die interferentiellen Verfahren wurden weiterentwickelt und führten zu Geräten, deren wohl bekanntestes Beispiel das Hewlett-Packard-Interferoineter ist.After the introduction of the laser, a number of processes became known which used the straightness of the laser beam and deviations of a measuring slide demonstrated from the beam axis. The interferential processes have also been further developed and led to devices, the best-known example of which is the Hewlett-Packard interfero meter is.

Weitere Verfahren, die zum Stand der Technik gehören, werden in dem Aufsatz von P. Langenbeck (Feinwerktechnik & Meßtechnik 85 (1977) Seiten 177 - 179) beschrieben und zitiert.Further methods belonging to the prior art are described in the Article by P. Langenbeck (Feinwerktechnik & Messtechnik 85 (1977) pages 177 - 179) described and cited.

Alle diese Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß neben dem eigentlichen Meßgerät ein besonderer Meßschlitten oder Meßkopf am geradlinig bewegten Objekt befestigt werden muß.All these methods are characterized in that in addition to the actual Measuring device a special measuring slide or measuring head on the object moving in a straight line must be attached.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die auf einen solchen zusätzlichen Meßschlitten oder Meßkopf verzichtet. Erfindungs- gemäß wird dies dadurch gelöst, daß die diffus streuende Oberfläche des sich geradlinig bewegenden Objekts von einem Laserstrahl beleuchtet wird und die Phase einzelner Laser-Speckle des rückgestreuten Lichts mit einem Interferometer gemessen wird.The object of the invention is to provide a method and a Specify device that is based on such an additional measuring slide or measuring head waived. Inventive according to this is solved in that the diffusely scattering surface of the object moving in a straight line from a laser beam is illuminated and the phase of individual laser speckles of the backscattered light is measured with an interferometer.

Dies wird anhand der folgenden Figuren erläutert.This is explained with the aid of the following figures.

Fig. 1: Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung durch Gleichlichtmessung.Fig. 1: Device for measuring the straightness of a movement through constant light measurement.

Fig. 2: Vorrichtung zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung mittels Heterodyn-Verfahren.Fig. 2: Device for measuring the straightness of a movement using the heterodyne method.

Die Zahlen bedeuten: 1 ... Laser 2 ... Laserstrahl 3 ... Strahlteiler 4 ... Referenzstrahl 5 ... Meßstrahl 6 ... Meßobjekt 7 ... Bewegungsrichtung 8 ... Abbildungsoptik 9 ... Lochblende 10 ... Fotoempfänger 11 ... Elektronischer Zähler 12 ... Frequenzmodulator 13 ... Strahlteiler 14 ... Fotoempfänger 15 ... Elektronischer Differenzzähler 16 ... Elektronischer Diskriminator 17 ... Mikrorechner In Fig. 1 beleuchtet der vom Laser 1 austretende Strahl 2 zunächst ein Michelson-Interferometer. Dort wird der Laserstrahl 2 von einem Strahlteiler 3 in einen Referenzstrahl 4 und einen Meßstrahl 5 geteilt. Der Meßstrahl 5 beleuchtet die Oberfläche des Meßobjekts 6, welches sich geradlinig in Richtung 7 bewegt. Den vom Meßstrahl 5 ausgeleuchteten Teil der Objektoberfläche bildet eine Optik 8 auf einer Lochblende 9 ab. Dieses Bild besteht aus einer fleckigen Helligkeitsverteilung, den sogeannten "Laser-Speckle". Diese Erscheinung tritt immer auf, wenn diffus streuende Oberflächen von kohärentem Licht beleuchtet werden und besteht aus einer Vielzahl heller Flecken ("Speckle"), deren mittlerer Durchmesser durch X t/D gegeben ist. Dies und weitere Eigenschaften der Laser-Speckle sind wohlbekannt und zum Beispiel in der Monographie "Laser Speckle und Related Phenomena't (Springer Verlag, 1975, Herausgeber J.C. Dainty) beschrieben.The numbers mean: 1 ... laser 2 ... laser beam 3 ... beam splitter 4 ... reference beam 5 ... measuring beam 6 ... measuring object 7 ... direction of movement 8 ... Imaging optics 9 ... Pinhole 10 ... Photo receiver 11 ... Electronic counter 12 ... Frequency modulator 13 ... Beam splitter 14 ... Photo receiver 15 ... Electronic Difference counter 16 ... Electronic discriminator 17 ... Microcomputer In Fig. 1, the beam 2 emerging from the laser 1 first illuminates a Michelson interferometer. There the laser beam 2 is converted by a beam splitter 3 into a reference beam 4 and a measuring beam 5 divided. The measuring beam 5 is illuminated the surface of the measurement object 6, which moves in a straight line in the direction 7. The one from the measuring beam 5 illuminated part of the object surface forms an optic 8 on a pinhole 9 from. This image consists of a spotty distribution of brightness, the so-called "Laser Speckle". This phenomenon always occurs when surfaces are diffuse are illuminated by coherent light and consists of a multitude of bright spots ("Speckle"), the mean diameter of which is given by X t / D. This and more Properties of the laser speckle are well known and for example in the monograph "Laser Speckle and Related Phenomena't (Springer Verlag, 1975, editor J.C. Dainty).

Die Öffnung der Lochblende 9 ist kleiner als der mittlere Speckledurchmesser. Dadurch ist gewährleistet, daß der Fotoempfänger 1o die Interferenz immer nur einer Laser Speckle mit dem Referenzstrahl 4 registriert. Das Uberraschende ist nun, daß selbst dann, wenn die Objektoberfläche, wie in Fig. 1 angedeutet, stark gegen den Meßstrahl geneigt ist, bei einer Bewegung senkrecht zum Meßstrahl sich die Speckle-Phase nicht verändert. Erfolgt die Bewegung 7 hingegen unter einem Winkel ungleich 9o° zum Meßstrahl, ändert sich die Speckle-Phase. Die physikalische Erklärung hierfür ist sehr einfach: das rückgestreute Licht ist dopplerverschoben und die Dopplerverschiebung verschwindet, wenn Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung liegen.The opening of the perforated diaphragm 9 is smaller than the mean speckle diameter. This ensures that the photo receiver 1o only ever interferes with one Laser speckle registered with reference beam 4. Now the surprising thing is that even if the object surface, as indicated in Fig. 1, strongly against the Measuring beam is inclined, with a movement perpendicular to the measuring beam, the speckle phase not changed. If, however, the movement 7 takes place at an angle not equal to 90 ° to the measuring beam, the speckle phase changes. The physical explanation for this is very simple: the backscattered light is Doppler shifted and the Doppler shift disappears if the direction of illumination and observation are perpendicular to the direction of movement lie.

Diese Erscheinung kann man mit einer Anordnung nach Fig. 1 zur Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung nutzen. In Fig. 1 ist der Meßstrahl senkrecht zur Bewegung 7 orientiert. Bewegt sich das Objekt 6 nicht genau in diese Richtung, führt dies zu einer Phasenänderung in den Laser-Speckle und führt durch die Interferenz mit dem Referenzstrahl zu entsprechendem Hell-Dunkel-Wechsel an der Lochblende. Diese werden vom fotoelektrischen Empfänger 1o re- gistriert und vom elektronischen Zähler 11 gezählt und geben ein Maß für die Abweichung der Bewegung des Objekts 6 von der zum Meßstrahl 5 senkrecht stehenden Richtung.This phenomenon can be measured with an arrangement according to FIG. 1 take advantage of the straightness of a movement. In Fig. 1 the measuring beam is perpendicular oriented towards movement 7. If the object 6 does not move exactly in this direction, this leads to a phase change in the laser speckle and leads through the interference with the reference beam to the corresponding light-dark change at the pinhole. These are re-generated by the photoelectric receiver 1o registered and counted by the electronic counter 11 and give a measure of the deviation of the movement of the object 6 from the direction perpendicular to the measuring beam 5.

In der Anordnung nach Fig. 1 erfolgt das Zählen der Hell-Dunkel-Wechsel im wesentlichen durch eine sehr störanfällige Gleichlichtmessung. Dies läßt sich durch ein Heterodyn-Verfahren nach Fig. 2 vermeiden: Im Referenzstrahlengang befindet sich nunmehr ein Frequenzmodulator 12, der die Frequenz fR des Referenzlichts gegenüber der Frequenz des Meßlichts um die Heterodynfrequenz fH verändert.In the arrangement according to FIG. 1, the light-dark changes are counted essentially through a very failure-prone constant light measurement. This can be Avoid using a heterodyne method according to FIG. 2: Located in the reference beam path There is now a frequency modulator 12 that opposes the frequency fR of the reference light the frequency of the measuring light changed by the heterodyne frequency fH.

Dies kann durch bekannte Verfahren der optischen Heterodyntechnik (z.B. mittels polarisationsoptischer oder akustooptischer Verfahren) erreicht werden. Ein Teil des frequenzverschobenen Referenzlichts gelangt über den Strahlteiler 3 und den Strahlteiler 13 zu dem Fotoempfänger 14, ebenso ein Teil des Meßlichts, der beispielsweise an einer der ebenen Grenzflächen des Strahlteilers 3 reflektiert wurde. Diese beiden Lichtbündel interferieren und erzeugen am Fotoempfänger 14 ein elektrisches Wechselsignal mit der Frequenz fH. Dies ist das elektronische Bezugssignal. Das elektronische Meßsignal entsteht wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, wobei hier hinzukommt, daß sich nun die Speckle-Phase gegenüber dem Referenzstrahl auch bei exakt geradliniger Bewegung des Objekts 6 senkrecht zum Meßstrahl 5 ändert und zwar entsprechend der erzeugten Heterodynfrequenz. In diesem Fall entsteht am Fotoempfänger 1o ein Wechselsignal mit der Frequenz f , Der Differenzzähler 15 bildet die Differenz der zwei Fotoempfängersignale aus lo und 14.Das Zählergebnis gibt die jeweilige Abweichung der Bewegung von der geradlinigen Bewegung senkrecht zur Meßachse an, mit einer Empfindlichkeit von X/2 je Einheit, wobei A die Wellenlänge des vom Laser 1 emittierten Lichts ist.This can be done by known methods of optical heterodyne technology (e.g. by means of polarization-optical or acousto-optical methods). Part of the frequency-shifted reference light passes through the beam splitter 3 and the beam splitter 13 to the photo receiver 14, also part of the measuring light, which, for example, reflects at one of the flat boundary surfaces of the beam splitter 3 became. These two light bundles interfere and generate a on the photo receiver 14 electrical alternating signal with the frequency fH. This is the electronic reference signal. The electronic measurement signal is produced as described in connection with FIG. 1, with the fact that the speckle phase is now different from the reference beam changes even with an exactly straight movement of the object 6 perpendicular to the measuring beam 5 according to the generated heterodyne frequency. In this case arises on Photo receiver 1o an alternating signal with the frequency f, the difference counter 15 forms the difference between the two photoreceiver signals from lo and 14. The counting result gives the respective deviation of the movement from the rectilinear movement perpendicular to the Measuring axis, with a sensitivity of X / 2 per unit, where A is the wavelength of the light emitted by the laser 1.

Ein solches Heterodyn-Verfahren läßt sich auch auf folgende Weise realisieren: Erfolgt die Bewegung des Objekts 6 nicht senkrecht zur Meßstrahlrichtung, dann ist das Licht in den Speckle des remittierten Lichts dopplerverschoben, entsprechend der Geschwindigkeitskomponente des Objekts in Richtung des Meßstrahls. Erfolgt die Bewegung des Objekts mit konstanter Geschwindigkeit, liefert der Fotoempfänger 1o ein Signal konstanter Frequenz. Abweichungen von dieser Frequenz entsprechen dann Abweichungen von der Geradlinigkeit der Bewegung.Such a heterodyne process can also be carried out in the following way realize: If the movement of the object 6 does not take place perpendicular to the measuring beam direction, then the light is in the speckle of the remitted light Doppler shifted, corresponding to the speed component of the object in the direction of the measuring beam. If the object is moving at a constant speed, the photoreceiver 1o delivers a signal of constant frequency. Deviations from this Frequency then correspond to deviations from the straightness of the movement.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß es nicht notwendig ist, daß Objektoberfläche und Meßblende 9 abbildungsmässig zueinander konjugiert sind. Selbst starke Defokussierung stört die Messung nicht. Die Optik 8 dient in erster Linie dazu, das rückgestreute Licht zu sammeln, um ausreichende Intensität für den Fotoempfänger 10 zu haben.It should also be pointed out that it is not necessary that the object surface and measuring diaphragm 9 are conjugate to one another in terms of image. Even strong defocusing does not interfere with the measurement. The optics 8 is primarily used to prevent the backscattered To collect light to have sufficient intensity for the photoreceiver 10.

Ein entscheidender Aspekt dieses Verfahrens beruht auf den Laser-Speckle: Von Speckle zu Speckle ist die Anfangsphase zufällig. Nur solange man innerhalb einer hellen Speckle bleibt, gibt die Interferenz mit dem Referenzlicht entsprechend stark ausgeprägte Maxima und Minima. Man kann also immer nur innerhalb einer hellen Speckle messen und nicht fortlaufend. Die gesamte Messung setzt sich also aus Einzelmessungen zusammen, die jeweils innerhalb einer hellen Speckle erfolgen. Hierzu dient ein elektrischer Diskriminator 16, der beim Absinken der Signalmodulation unter einen vorgegebenen Wert die Messung automatisch beendet und bei Vorliegen hinreichender Signalmodulation die Messung erneut startet. Die Einzelergebnisse werden von einem Mikrorechner 17 registriert.A crucial aspect of this procedure is based on the laser speckle: From speckle to speckle, the initial stage is random. Only as long as you are within a bright speckle remains, there is interference with the reference light accordingly strongly pronounced maxima and minima. So you can only ever go within a bright one Measure speckle and not continuously. The entire measurement is therefore made up of individual measurements together, each made within a light-colored speckle. A electrical discriminator 16, which when the signal modulation drops below a given value, the measurement is ended automatically and if it is sufficient Signal modulation starts the measurement again. The individual results are from a Microcomputer 17 registered.

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Claims

Claims 1.'Verfahren and device for measuring the straightness the movement of an object, characterized in that the object surface with a laser beam is illuminated and the time course of the phase within single speckle in the backscattered light in an interferometer photoelectrically is registered.

2. The method and arrangement according to claim 1, characterized in that that the movement is perpendicular to the measuring beam.

3. The method and arrangement according to claim 1, characterized in that that the movement is not perpendicular to the measuring beam.