DE3826194A1 - Vorrichtung zur laengenmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Längenmessung.

Durch die DE-OS 36 30 887 ist eine Vorrichtung der betreffen­ den Art bekannt, bei der die optische Einrichtung als Inter­ ferometer ausgebildet ist. Dieses benötigt grundsätzlich zwei verschiedene Wellenleiter, nämlich einen Meßwellenlei­ ter und einen Bezugswellenleiter, die beide gekoppelt sind. Durch die beiden Wellenleiter ist die Vorrichtung verhält­ nismäßig kompliziert und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der betreffenden Art zu schaffen, bei der die optische Ein­ richtung vereinfacht und eine kostengünstigere Fertigung der Vorrichtung ermöglicht ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre ge­ löst.

Nach dieser Lehre ist nur ein Lichtleiter erforderlich. In diesem wird erfindungsgemäß eine stehende Welle er­ zeugt, die mit ihren Maxima und Minima eine Teilung in dem Lichtleiter darstellt, die mit den hell-dunkel Strichen eines inkrementalen Glasmaßstabes vergleichbar ist.

In diesen Lichtleiter mit der stehenden Welle wird das von dem Meßreflektor reflektierte Licht eingeleitet, so daß es sich mit den stehenden Wellen überlagert. Ändert sich die Phasenlage des von dem Meßreflektor kommenden Lichts dadurch, daß sich der Abstand des Meßreflektors von der optischen Einrichtung ändert, so ändert sich die Helligkeit an einem bestimmten Weg entsprechend perio­ disch unter Berücksichtigung der Wellenlänge des verwen­ deten Lichts. Werden durch den fotoelektrischen Wandler, der beispielsweise eine Fotodiode sein kann, die perio­ dischen Lichtschwankungen an dieser Stelle abgetastet, so läßt sich daraus unter Berücksichtigung der Wellen­ länge des verwendeten Lichts ein Maß für die Änderung des Abstandes zu dem Meßreflektor gewinnen und anzeigen.

Die Einleitung des Lichts des Lasers in den Lichtleiter kann in verschiedener Weise erfolgen. Besonders zweck­ mäßig ist es, einen der Spiegel teiltransparent auszubil­ den und das Licht des Lasers durch diesen Spiegel hindurch in den Lichtleiter einzukoppeln. Der Laser kann dabei un­ mittelbar hinter dem Spiegel an diesem angebracht sein.

Die Einleitung des von dem Meßreflektor zurückgeworfenen Licht kann ebenfalls durch einen teiltransparent ausgebildeten Spiegel erfolgen, wobei es zweckmäßig ist, für die Einleitung des Lichts des Lasers den Spiegel am einen Ende des Licht­ leiters und für die Einleitung des Lichts des Meßreflektors den Spiegel am anderen Ende des Lichtleiters zu verwenden, wobei dann beide Spiegel teiltransparent sind.

Der lichtelektrische Wandler kann praktisch an beliebiger Stelle des Lichtleiters angeordnet sein. Besonders zweck­ mäßig ist es aber, ihn entfernt von dem Ende des Licht­ leiters anzuordnen, an dem sich der Laser befindet.

Die Einkopplung des Lichts des Lasers kann auch durch einen sehr einfach auszubildenden, zweiten lichtelektrischen Leiter erfolgen, in dessen eines Ende das Licht des Lasers strahlt, während das andere Ende optisch mit dem Lichtleiter gekoppelt ist, insbesondere durch Parallelführung oder durch eine schräge Einleitung mittels eines Y-Verzweigers.

Ist nur ein lichtelektrischer Wandler vorgesehen, so läßt sich die Richtung der Änderung des Abstandes des Meßreflektors in an sich bekannter Weise dadurch feststellen, daß das vorzugsweise modulierte Wechsel­ spannungsausgangssignal des fotoelektrischen Wandlers in zwei um 90° zueinander verschobene Wechselspannungen aufgeteilt und so ein Drehfeld gebildet wird, aufgrund dessen die Be­ wegungsrichtung der Änderung feststellbar ist, wobei mit die­ sen Spannungen ein Vorwärts-Rückwärtszähler steuerbar ist.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der optischen Einrichtung er­ möglicht eine wesentliche Vereinfachung der Bildung der zwei um 90° zueinander verschobenen Spannungen. Hierzu wird ge­ mäß einer Weiterbildung der Erfindung ein zweiter lichtelek­ trischer Wandler an den Lichtleiter entfernt von dem ersten Lichtleiter angekoppelt. Durch Einstellung der Länge des Lichtweges zwischen den Koppelpunkten zwischen den beiden lichtelektrischen Wandlern läßt sich in einfacher Weise erreichen, daß deren Ausgangsspannungen einen Phasenunter­ schied von 90° haben. Mit Hilfe dieser beiden phasenver­ schobenen Spannungen läßt sich dann ein Vorwärts-Rückwärts­ zähler betreiben. Zur Änderung des Lichtweges zwischen den Koppelpunkten ist es zweckmäßig, durch Anlegen elektrischer Spannungen zugeordnete Elektroden die lichtmäßige Länge des Weges zwischen den Koppelpunkten zur Einstellung der 90°-Verschiebungen zu ändern, und zwar bei piezoelektrischem Material durch Einstellung des Brechungsin­ dexes oder durch Änderung der mechanischen Länge. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Lichtsig­ nal in der Amplitude durch eine Modulationswechselspannung moduliert, was mit Hilfe der an dem Lichtleiter vorgesehenen Elektroden bei Verwendung piezoelektrischen Materials keine Schwierigkeiten bereitet. Auf diese Weise erfolgen sämtliche Vorgänge träger frequent. Mechanisch kann die erfindungs­ gemäße Einrichtung in verschiedener Weise ausgebildet werden. Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich dann, wenn der bzw. die Lichtleiter als Stab oder als Bahn in einer Platte ausgebildet sind. Im Falle des Stabes befinden sich die Spiegel an den Enden desselben, während im Falle einer Platte zwei parallel gegenüberliegende Kanten die Spiegel bilden, wobei sie zusätzlich verspiegelt sein können, zum Beispiel durch Aufdampfen eines entsprechenden Materials. Auf diese Weise lassen sich auch die halbtransparenten Spiegel einfach herstellen.

Ist bei einer derartigen Ausführungsform das Material piezoelektrisch, so können die zur Einstellung der Längen zwischen den Koppelpunkten der beiden Dioden erforderlichen Elektroden unmittelbar an dem Stab bzw. auf der Platte be­ nachbart zu der Lichtbahn angeordnet werden.

Die vorzugsweise als Fotodioden ausgebildeten fotoelektrischen Wandler können in einfacher Weise unmittelbar an den Enden des Stabes bzw. an den Kanten der Platte angebracht werden. Es ist aber auch möglich, sie seitlich an dem Stab bzw. auf der Ober­ fläche der Platte anzuordnen, weil immer ein Teil des Lichts durch die Begrenzungsfläche des Stabes bzw. der Platte hin­ durchfällt und somit auf die Fotodioden gelangt. Der Stab oder die Platte können in an sich bekannter Weise aus Silizium, Lithiumniobat, Galliumarsenid oder Glas bestehen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung an Ausführungsbei­ spielen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Fotodetektoren auf Lithiumniobat und Lichteinkopplung über einem teiltransparenten Spiegel,

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 mit Lichteinkopplung über einen zweiten Lichtleiter,

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform ge­ mäß Fig. 2,

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform ähnlich gemäß Fig. 1 mit nur einem Fotodetektor.

In den Figuren sind gleiche oder entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die op­ tische Einrichtung in eine als Substrat dienende Platte 1 mit elektrischen Eigenschaften zum Beispiel aus Lithium­ niobat, integriert ist. Ein als Halbleiter ausgebildeter Laser 2 dient als Lichtquelle und ist an die Kante der Platte 1 angekoppelt. Auf der Oberfläche in der Platte 1 sind foto­ elektrische Wandler angebracht, die Licht aus einem Lichtleiter 9 abtasten, der zwischen zwei teildurchlässigen Spie­ geln 6 und 7 im Inneren der Platte 1 op­ tisch gebildet ist. Physikalisch bildet er einen Teil der Platte 1. Die Fotodetektoren 3 und 4 wandeln das aufgefangene Licht in ent­ sprechende elektrische Spannungen um, die einer Anzeigeeinrichtung zugeführt sind, die nicht dar­ gestellt ist. Benachbart zu der durch den Licht­ leiter 9 gebildeten Lichtbahn befinden sich Elektroden 8 zum Anlegen einer Steuergleich­ spannung, um den optischen Weg zwischen den Koppel­ punkten zwischen den Fotodetektoren 3 und 4 zu ändern, dergestalt, daß die Ausgangsspannungen der Fotodetektoren 3 und 4 eine Phasenlage von 90° zueinander haben.

In Verlängerung des Lichtleiters 9 über den teil­ durchlässigen Spiegel 7 hinaus befindet sich ein Meßreflektor 10, der in Richtung eines Doppel­ pfeiles 10′ hin- und herbeweglich ist, sich z. B. an einem Gegenstand befindet, dessen Abstandsänderung von der den teildurchlässigen Spiegel 7 aufweisenden Kante der Platte 1 gemessen werden soll.

Bei Verwendung der Vorrichtung wird der Laser 2 in Betrieb gesetzt, so daß er Licht durch den teildurch­ lässigen Spiegel 6 hindurch in den Lichtleiter 9 strahlt, daß dann von dem teildurchlässigen Spiegel 7 reflektiert wird und sich dadurch mit dem ankommenden Licht überlagert, so daß stehende Wellen gebildet sind. Diese stehenden Wellen bilden mit ihren Maxima und Minima eine Teilung wie zum Beispiel die Hell-Dunkel- Striche eines inkrementalen Glasmaßstabes. Bei der in­ krementalen Abtastung der stehenden Welle wird die Bezugsgröße von 360° durch eine Periode des Inten­ sitätsprofils der stehenden Welle erzeugt, die λ/2 beträgt. Da sich die Phasenlage der von den Fotodetektoren 3 und 4 abgegebenen Spannung um 90° unterscheiden soll, muß der Abstand der beiden Fotodetektoren k× λ/8 betragen, wobei k eine ganze Zahl und λ die Wellenlänge des Lichts des Lasers ist. Um diese Verhältnisse sicherzustellen, wird eine an die Elektrode 8 angelegte Gleichspannung entsprechend eingestellt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Abwandlung der Aus­ führungsform gemäß Fig. 1 ist der Laser nicht an einer Kante der Platte 1 angekoppelt, sondern an eine Glasfaser 13 , die in einer V-Grube 14 einge­ lagert ist, so daß ihr Licht in einen zweiten Licht­ leiter 12 gelangt, der dicht an den Lichtleiter 9 herangeführt und auf diese Weise mit ihm gekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform ersetzt ein Spiegel 11 den teildurchlässigen Spiegel 6 der Ausführungsform gemäß Fig. 1, so daß an ihm eine vollständige Reflexion er­ folgt und kein Licht an der entsprechenden Kante der Plat­ te 1 austritt.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform besteht die Platte 1 nicht aus einem piezoelektrischen Material, sondern beispielsweise aus Silizium. Der Spiegel 1 gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 ist entfallen und durch einen vollständig reflektierenden Spiegel 18 ersetzt, der sich an einer Stirnfläche eines piezo­ elektrischen Stäbchens oder Röhrchens 16 befindet, dessen andere Stirnseite an der Seitenkante der Platte 1 befestigt ist. Das piezoelektrische Röhrchen weist nicht dargestellte Elektroden auf, mittels derer durch Anlegen einer Gleichspannung die Länge des Röhrchens 17 ein­ stellbar und damit der Spiegel 18 in Richtung von Doppelpfeilen 19 bewegbar ist, um die gewünschte Phasenlage zwischen den Fotodetektoren 3 und 4 her­ zustellen und die Phase des Lichtes mit einer Trägerfrequenz modulieren zu können.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich gemäß Fig. 2 darüberhinaus dadurch, daß anders als der Lichtleiter 2 ein mit der Glasfaser 13 gekoppelter Lichtleiter 15 schräg in den Lichtleiter 19 mündet, so daß das Licht des Lasers 2 in den Lichtleiter 9 eingeleitet wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 entspricht weit­ gehend vollständig dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel, jedoch ist hier der Fotodetektor 3 weg­ gelassen. Auch in diesem Falle ist eine Vorwärts-Rück­ wärtszählung und damit eine richtungsabhängige Bestimmung der Bewegung des Meßreflektors 10 und damit seines Ab­ standes von der zugewandten Kante der Platte 1 möglich. Dazu wird die elektrische Ausgangsspannung des Fotodetek­ tors 4 mit Hilfe eines elektrischen Phasenschiebers in zwei wechselnde Spannungen umgewandelt, die einen Phasen­ unterschied von 90° haben. Dies ist besonders einfach, wenn der optische Weg zwischen den teildurchlässigen Spiegeln 6 und 7 mit einer Trägerfrequenz über das Elektrodenpaar 8 moduliert ist.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Längenmessung, mit einem in Richtung der zu messenden Länge beweglich gehaltenen Meßreflektor, mit einer optischen Einrichtung zur Umwandlung der Bewegungen des Meßreflektors in entsprechende elektrische Signale und mit einer Anzeigeeinrichtung zur Anzeige dieser Signale, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Einrichtung einen Lichtleiter (9) aufweist, an dessen Enden sich Spiegel (6, 7) befinden, die jeweils Licht aus dem Lichtleiter (9) in diesen zurückspiegeln und so stehende Wellen erzeugen,
daß mit dem Lichtleiter (9) optisch ein Laser (2) gekoppelt ist,
daß das Licht des Lasers (2) auf den Meßreflektor (10) ge­ richtet ist,
daß das von dem Meßreflektor (10) reflektierte Licht in den Lichtleiter (9) gerichtet ist,
daß ein lichtelektrischer Wandler (4) mit dem Lichtleiter (9) gekoppelt ist und das Interferenzsignal zwischen den stehen­ den Wellen, die zwischen den Spiegeln (6, 7) gebildet sind, und dem von dem Meßreflektor (10) reflektierten Licht in eine entsprechende elektrische Spannung umwandelt und
daß der fotoelektrische Wandler (4) mit einer Anzeige­ einrichtung zur Anzeige seines Ausgangssignals ver­ bunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur optischen Kopplung des Lasers (2) mit dem Lichtleiter (9) einer der Spiegel (6) teiltrans­ parent ist und daß der Laser (2) auf der dem Lichtlei­ ter (9) abgewandten Seite des teiltransparenten Spie­ gels (6), vorzugsweise unmittelbar hinter diesem, ange­ ordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das von dem Meßreflektor (10) re­ flektierte Licht auf einen der Spiegel (7) von der dem Lichtleiter (9) abgewandten Seite her gerichtet ist und daß dieser Spiegel teiltransparent ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der andere der Spiegel (6), auf den das von dem Meßreflektor (10) reflektierte Licht nicht gerichtet ist, teiltransparent ist und daß der Laser (2) auf der dem Lichtleiter abgewandten Seite dieses Spiegels, vorzugsweise unmittelbar hinter diesem, angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zweiter Lichtleiter (12) vorge­ sehen ist, an dessen einem Ende der Laser (2) angeordnet ist und dessen anderes Ende optisch mit dem Lichtleiter (9) gekoppelt ist, an dessen Enden sich die Spiegel befinden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das andere Ende des zweiten Licht­ leiters wenigstens teilweise benachbart zu dem Lichtleiter verläuft, an dessen Enden sich die Spiegel (11, 7) befinden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das andere Ende des zweiten Licht­ leiters (15) schräg in den Lichtleiter (9) einmündet, an dessen Enden sich die Spiegel befinden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß entfernt von dem lichtelektrischen Wandler (4) ein zweiter lichtelektrischer Wandler mit dem Lichtleiter (9) gekoppelt ist, wobei die Länge des optischen Weges zwischen den Koppelstellen k×λ/8 beträgt, worin k eine ganze Zahl und die Wellenlänge des Lichts des Lasers ist, so daß sich die Phasenlage des Lichts an den Koppelstellen und damit an den lichtelek­ trischen Wandlern (3, 4) um 90° unterscheidet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die lichtelektrischen Wandler (3, 4) ein Vor-Rückwärtszähler angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel zur Veränderung der Länge des optischen Weges des Lichtleiters 9 vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel zur Veränderung der Länge des optischen Weges durch Elektroden (8) zur Zu­ führung einer konstanten elektrischen Einstellspannung gebildet sind zur Einstellung des optischen Weges bei piezoelektrischem Material oder zur Einstellung des Bre­ chungsindexes.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel zur Veränderung der Länge des optischen Weges bei piezoelektrischem Material durch ein Stäbchen oder Röhrchen (17) aus piezoelektrischem Material gebildet sind, daß mit seiner einen Stirnseite an der unverspiegelten Kante der Platte (1) angebracht ist und auf seiner anderen Stirnseite den Spiegel (18) aufweist und daß an dem Stäbchen oder Röhrchen (17) Elektroden zur Zuführung einer konstanten oder modulierten elektrischen Einstellspannung angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden (8) eine Modulation zur Wechselspannung zur Phasenmodulation des Licht angeschlossen ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Lichtleiter (9, 12, 15) als Stab oder als Bahn in einer Platte (1) ausgebildet sind, dessen Enden bzw. deren parallel gegenüberliegende Kanten die Spiegel (6, 7, 11) bilden, insbesondere zusätzlich verspiegelt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (8) zur Änderung der Länge des optischen Weges des Lichtleiters (9) durch Streifen aus elektrisch leitfähigem Material gebildet sind, die sich an dem Stab bzw. auf der Oberfläche der Platte benachbart zu der Lichtbahn in der Platte er­ strecken.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vorzugsweise als Fotodioden ausgebildeten fotoelektrischen Wandler (3, 4) unmittel­ bar an den Enden des Stabes bzw. den Kanten der Platte (1) oder seitlich an dem Stab bzw. auf der Oberfläche der Platte (1) angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stab oder die Platte (1) aus Silizium, Lithiumniobat, Galliumarsenid oder Glas be­ steht.