DE4126948C2 - Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen - Google Patents

Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfas­ sung der Strahllage von Laserstrahlen mit im Strahlengang eines Laserstrahls angeordneten Strahlteiler, der den Laserstrahl in den eigentlichen Nutzstrahl und einen Refe­ renzstrahl aufspaltet, einem weiteren im Strahlengang des Referenzstrahles oder des Nutzstrahles vorgesehenem Strahlteiler und nachfolgendem positionsempfindlichen Sensor, auf den der Laserstrahl auftrifft, sowie einem im Strahlengang des Referenzstrahles vorgesehenem Spiegel­ system, das den Referenzstrahl mehrfach faltet, daß der Referenzstrahl nach Durchgang des Spiegelsystems einen zweiten positionsempfindlichen Sensor trifft, und aus dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten positionsempfindlichen Sensors eine Auswerteeinheit Richtungsänderungen bzw. Paralleländerungen des Laser­ strahls im Raum ermittelt.
Stand der Technik
Vorrichtungen zur Geradheitsmessung, die auch als Gerad­ heitsmeßsysteme bezeichnet werden, werden beispielsweise in der Fertigungs-Meßtechnik eingesetzt, wo sie zur Über­ prüfung der Geradlinigkeit von Führungen, Verfahrschlit­ ten, Bewegungen von Maschinenschlitten, Roboterbewegungen etc. bzw. für Fluchtungsmessungen dienen.
Eine bekannte Vorrichtung zur Geradheitsmessung ist der Lasergeradheitsmesser der Fa. Vialog, Hannover. Bei dieser Vorrichtung zur Geradheitsmessung wird der Laserstrahl eines HeNe-Lasers als Geradheitsreferenz, also sozusagen als "optisches Lineal" benutzt und die Ablage zu diesem Strahl mit Hilfe einer positionsempfindlichen Photodiode gemessen. Die Photodiode wird dabei in Laserstrahlrichtung verschoben und der Auftreffort des Strahles auf der Photo­ diode ein- oder zweidimensional gemessen.
Da die Richtungsstabilität dem Laserstrahls von der mecha­ nischen Stabilität der Laserröhre und der Lage der Reso­ natorspiegel zueinander abhängig ist, ist der apparative Aufwand groß, um die Abweichungen des Laserstrahls von der "Sollgeraden" unterhalb eines Wertes von wenigen Mikro­ metern/Meter (µm/m) zu halten. Hierzu ist es u. a. erfor­ derlich, spezielle Laser einzusetzen, die beispielsweise aus einem Stück Zerodur gefertigte Resonatorspiegelträger aufweisen. Damit ist die bekannte Vorrichtung zur Gerad­ heitsmessung vergleichsweise aufwendig und damit teuer in der Herstellung.
Eine Vorrichtung zur Strahllageerfassung ist ferner bei­ spielsweise aus der Dissertationsschrift von E. Trapet "Ein Beitrag zur Verringerung der Meßunsicherheit von Fluchtungsmeßsystemen auf Laserbasis" bekannt. Trapet schildert im Zusammenhang mit Möglichkeiten einer Strahl­ lagekorrektur unter anderem eine Einrichtung zur Gerad­ heitsmessung, bei dem der von einem lagestabilisierten Laserkopf ausgehende parallel zur Bewegungsrichtung ausge­ richtete Laserstrahl zunächst durch einen zu Beginn der Meßstrecke angeordneten ortsfesten Strahlteiler geleitet wird, dem ein erster Referenzdetektor zugeordnet ist. Der in die Meßstrecke einlaufende Strahl trifft auf dem beweg­ lichen Maschinenteil auf einen weiteren Strahlteiler, dem der Meßdetektor für die Geradheitsmessung zugeordnet ist. Der geradlinig durch den Strahlteiler des beweglichen Maschinenteils hindurchlaufende Strahlteil trifft am Ende der Meßstrecke auf einen dritten Detektor, und zwar den zweiten Referenzdetektor. Mit einer derartigen Einrichtung zur Geradheitsmessung lassen sich zwar schon zuverlässige­ re Aussagen als ohne Strahllagekorrektur machen, jedoch weist diese bekannte Vorrichtung einige gravierende Nach­ teile auf, die die Meßunsicherheit entscheidend beeinflus­ sen. Nachteilig ist zum einen, daß Nick-, Gier- und Roll­ bewegungen des beweglichen Maschinenteils mit in das Meß­ ergebnis der Geradheitsmessung eingehen und dieses ent­ sprechend verfälschen.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Strahllageerfassung aus der Patentveröffentlichung DE 34 00 151 C2 bekannt. In dieser Druckschrift ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der anstelle des Strahlteilers auf dem beweglichen Maschinen­ teil ein teildurchlässigen Tripelreflektor verwendet wird, mit dem der Strahl einerseits zu einem am Beginn der Meß­ strecke positionierten Referenzdetektor zurückreflektiert wird, andererseits durch den teildurchlässigen Tripelre­ flektor hindurchläuft und auf einen am Ende der Meßstrecke angebrachten zweiten Referenzdetektor trifft. Diese Anord­ nung besitzt gegenüber der Trapet′schen Lösung den Vor­ teil, daß Nick-, Gier- und Rollbewegungen durch die Ver­ wendung des Tripelreflektors das Meßergebnis unberührt lassen, und zudem Geradheitsabweichungen mit doppeltem Parallelversatz angezeigt werden.
Diese Vorrichtung hat jedoch genau wie die Trapet′sche Anordnung enorme Nachteile im praktischen Einsatz, die Strahllageschwankungen aufgrund von Brechungsindexschwan­ kungen der Luft (Turbulenzen) sowie aufgrund von Bre­ chungsindesgradienten der Luft senkrecht zur Strahlaus­ breitungsrichtung betreffen. Es hat sich nämlich gezeigt, wie aus der Dissertation von H. Schüßler "Die Eignung von Laser-Strahl und photoelektrischen Detektoren zur Messung der Abweichung der Geradlinigkeit und Ebenheit im Maschi­ nenbau" hervorgeht, daß ein Brechungsindexgradient, der beispielsweise durch einen Temperaturgradienten von 1 Grad pro Meter hervorgerufen wird, eine Änderung der Strahllage von 0,5 µm multipliziert mit dem Quadrat der von dem La­ serstrahl durchlaufenden Luftstrecke (in Metern) verur­ sacht. Das bedeutet beispielsweise für eine Luftstrecke von 5 m eine Strahlabweichung von 12,5 µm, bzw. für eine Luftstrecke von 10 m eine Strahlabweichung von 50 µm von der idealen Geraden. Da bei Trapet sowie bei Schüßler der zweite Referenzdetektor am Ende der Meßstrecke positio­ niert ist, wirken sich Strahllageschwankungen aufgrund von Luftturbulenzen sowie aufgrund von Brechungsindexgradien­ ten in jedem Fall voll auf die Meßergebnisse der Referenz­ strecke aus. Da bei Schüßler ein Tripelreflektor auf dem beweglichen Maschinenteil Verwendung findet, der den Strahl parallel zu sich selbst zurückreflektiert, verdop­ pelt sich hierbei die Länge der Meßstrecke, wodurch sich aber ebenso die Fehler aufgrund von Turbulenzen verdop­ peln, die Fehler aufgrund von Brechungsindexgradienten sogar vervierfachen. Ein weiterer Nachteil beider obenge­ nannter Verfahren in praktischer Hinsicht ist, daß für den Fall, daß der Raum hinter dem Meßdetektor für einen zwei­ ten Referenzdetektor nicht zugänglich ist, weil er bei­ spielsweise durch die Maschine selbst abgedeckt ist, keine Strahllagekontrolle durchgeführt werden kann. Ein weiterer Nachteil des großen Abstandes zu dem zweiten Referenzdetek­ tor ist, daß Verbiegungen des Maschinenteils, welches den zweiten Referenzdetektor trägt, beispielsweise unter Last, durch thermische Einflüsse oder Schwingungen, ebenso voll in die Meßwerte eingehen.
Schließlich geht aus DE 38 14 466 A1 eine Vorrichtung zum Feststellen der relativen Lage einer Bezugsachse eines Objekts bezüglich eines Referenzstrahls, insbesondere eines Laserstrahls hervor, bei der ein Referenzstrahl aus dem Hauptstrahlengang ausgekoppelt wird und über ein Spie­ gelsystem gefaltet wird. Durch das Prinzip der Strahlfal­ tung wird ein großer Abstand der virtuellen Bilder zweier positionsempfindlicher Detektoren längs der Achse eines Laserstrahls erzeugt und damit die genaue Messung der Lage dieses Laserstrahls erfaßt. So geht aus Fig. 5 der genann­ ten Druckschrift eine Laseranordnung hervor, bei der der Laserstrahl in ein Gehäuse einfällt, in dem der Strahl an einem Strahlteiler in einen geradeaus weiterlaufenden Teillichtstrahl und einen reflektierten Teillichtstrahl aufgespaltet wird. Der geradeaus weiterlaufende Licht­ strahl fällt auf einen positionsempfindlichen Detektor, wohingegen der reflektierte Teillichtstrahl erst nach einer weiteren Reflexion an einen vorgesehenen Spiegel auf einen pulsionsempfindlichen Detektor fällt.
Bei der hochgenauen Messung der Strahlabweichung eines Laserstrahls, bedingt durch das Lasersystem selbst, muß bei der bekannten Meßvorrichtung ausgeschlossen werden, daß möglicherweise den Strahlengang beeinflussende stören­ de System-Dejustierungen auftreten. Dieses Erfordernis kann jedoch nicht erfüllt werden, zumal bereits thermische Einflüsse auf die Spiegelanordnung zu ungewollten De­ justierungen im Strahlengang führen können.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrich­ tung zur Strahllagekontrolle, für Meßaufgaben, die einen Laserstrahl als Bezugsgerade benutzen, anzugeben, die Strahllageschwankungen eines Laserstrahles erfaßt und die weitgehend unabhängig von störenden Einflüssen, hervorge­ rufen durch Luftturbulenzen und Brechungsindexgradienten ist, und mit möglichst geringem Platzbedarf eine dennoch hohe Auflösung bietet.
Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den Patent­ ansprüchen 1 und 2 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Strahlengang des Laserstrahls ist ein Strahlteiler angeordnet, der den Laserstrahl in den eigentlichen Nutz- Laserstrahl und einen Referenzstrahl aufspaltet. Im Strah­ lengang des Referenzstrahles oder des Nutzstrahles ist ein weiterer Strahlteiler mit einem zugehörigen ersten Refe­ renzdetektor vorgesehen, der die Strahllage zu Beginn der Referenzstrecke erfaßt. Des weiteren ist ein im Strahlen­ gang des Referenzstrahles ein Spiegelsystem vorgesehen, das den Referenzstrahl mehrfach faltet. Ferner ist nach dem Spiegelsystem ein zweiter positionsempfindlicher Sensor vorgesehen, auf den der Referenzstrahl auf­ trifft; aus den Ausgangssignalen beider positionsempfind­ licher Sensoren ermittelt die Auswerteeinheit Lageänderun­ gen des Laserstrahls im Raum, mit deren Kenntnis die Strahllage im Nutzzweig korrigiert werden kann.
Die vorgenannte Anordnung besitzt jedoch den Nachteil, daß eine Strahllagekorrektur nur dann sinnvoll möglich ist, wenn die Stabilität der Referenzstrecke gewährleistet ist, insbesondere die Stabilität der Spiegelstrecke gegenüber Verkippungen der Spiegel zueinander.
Erfindungsgemäß ist deshalb im Referenzstrahlengang ein weiteres optisches Element vorgesehen, welches den Refe­ renzstrahl in zwei Strahlen aufspaltet, wobei der ur­ sprüngliche Referenzstrahl in seiner Richtung beispiels­ weise unverändert bleibt und der zweite Referenzstrahl in einem zum ursprünglichen Referenzstrahl unterschiedlichen Winkel auf das Spiegelsystem auftrifft und nach dem Spie­ gelsystem ein dritter positionsempfindlicher Referenzde­ tektor vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal dazu benutzt wird, Verkippungen der Spiegel zueinander festzustellen.
Alternativ ist des weiteren erfindungsgemäß erkannt worden, daß zur Feststellung der Spiegelverkippung auch zwei parallelverlaufende Referenzstrahlen verwendet werden können, wobei die Spiegel derart ausgebildet sind, daß jedoch einer der beiden Spiegel in der Ebene eines Re­ ferenzstrahles kürzer ausgebildet ist, so daß dort weniger Reflexionen als in der Ebene des anderen Referenzstrahles stattfinden.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß Verkippungen zweier Spie­ gel zueinander, zwischen denen ein Lichtstrahl mehrfach reflektiert wird, eine Auswirkung bezüglich der Richtung des einfallenden Strahles zur Folge hat, die näherungswei­ se quadratisch mit der Anzahl der Reflexionen auf einem der Spiegel anwächst. Wählt man beispielsweise die Anzahl der Reflexionen beider Referenzstrahlen in dem Spiegel­ system so, daß der eine Referenzstrahl doppelt so lang ist wie der des anderen, können Strahllageschwankungen von Spiegelverkippungen unterschieden werden, da das Verhält­ nis der Ausgangssignale der Referenzdetektoren beider Referenzstrecken bei Strahllageschwankungen des Lasers gerade näherungsweise 2 aufgrund des Faktors 2 in der Länge der Strecken ist, und bei Spiegelverkippungen gerade näherungsweise 4 ist, aufgrund der näherungsweise quadra­ tischen Auswirkung bei der doppelten Anzahl von Reflexio­ nen. Mit einer derartigen Anordnung zur Überprüfung der Stabilität der Spiegelstrecke mit einem zusätzlichen opti­ schen Element, welches beispielsweise ein Strahlteiler mit einem Prisma oder ein Wollastonprisma oder aber ein ande­ res strahlaufspaltendes Element sein kann, wird eine weit­ gehende Unabhängigkeit des Spiegelsystems von mechanischen oder thermischen Einflüssen gewährleistet.
Es ist erkannt worden, daß jeder Laserstrahl einerseits Parallelverschiebungen und andererseits Richtungsänderun­ gen unterworfen ist, wobei letztere im Bereich von typi­ scherweise 10 µrad liegen. Dies bedeutet, daß die Position des Laserstrahls in einem Abstand von einem Meter in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung bereits um ± 10 µm rela­ tiv zur idealen Referenz schwanken kann.
Es wird nicht versucht, den Laserstrahl mit aufwendigen Maßnahmen bezüglich seiner Richtung zu stabilisieren; vielmehr werden die bei herkömmlichen Lasern auftretenden Richtungsschwankungen des Laserstrahls hingenommen und gemessen und mit den Meßwerten die Strahllage rechnerisch korrigiert. Hierzu wird der Laserstrahl durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen, nämlich den eigent­ lichen Nutz-Laserstrahl und einen Referenzstrahl aufge­ spalten.
In dem stationären Referenzzweig, der vorzugsweise vor äußeren Lufteinflüssen gekapselt ist, messen zwei posi­ tionsempfindliche Sensoren, die beispielsweise positions­ empfindliche Dioden sein können, den Auftreffort des Strahles in zwei in Bezug auf den Laser unterschiedlichen Entfernungen, so daß Strahllageschwankungen erkannt und ihre Größe und Richtung bestimmt werden können.
Da sich Strahllageschwankungen in einem größeren Abstand vom Laser stärker auswirken, sollte der Referenzzweig mög­ lichst lang sein, um ein möglichst großes Korrektursignal zu erhalten. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Länge des Referenz-Strahlengangs in der Größenordnung der Länge des Nutz-Strahlengangs liegt, die beispielsweise mehrere Meter betragen kann. Aus diesem Grunde wird der Strahlengang mehrfach gefaltet und von äußeren Einflüssen abgeschirmt, so daß Änderungen des Auftrefforts des Laser­ strahls auf den positionsempfindlichen Sensoren, die nicht von Strahllageschwankungen verursacht werden, verglichen mit den durch Strahllageschwankungen hervorgerufenen Ände­ rungen klein sind.
Da sich Strahllageschwankungen im Referenzzweig genauso wie im Nutzzweig auswirken, kann mit den so ermittelten Strahllageschwankungen unter Berücksichtigung des Abstan­ des Laser/positionsempfindlicher Sensor im Nutzzweig rech­ nerisch die Position des Laserstrahls im Raum korrigiert werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es möglich, auch mit handelsüblichen Lasern und sogar mit Halbleiterlasern die (korrigierte) Strahllageschwankung des Lasers in der Größenordnung von 1 µm/m zu halten.
Eine weitere Ausbildung, bei der das Spiegelsystem an einem Grundteil angebracht ist, das auch den Laser tragen kann, und das aus einem Material mit einem kleinen thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten - beispielsweise Zerodur, Invar oder einem Faserverbundwerkstoff besteht - hat den Vorteil, daß Änderungen des Auftrefforts des Laserstrahls auf dem positionsempfindlichen Sensor, die nicht von Strahllageschwankungen verursacht werden, minimiert sind. Die Modulation des Laserlichts reduziert insbesondere dann, wenn mit Licht im sichtbaren Bereich, das beispiels­ weise auch von Halbleiterlasern emittiert werden kann, gearbeitet wird, Störlichteinflüsse wesentlich.
Weiterhin kann das Spiegelsystem zwei Spiegel aufweisen, auf die der Referenzstrahl jeweils mehrfach auftrifft. Durch diese Ausbildung erhält man nicht nur einen einfa­ chen Aufbau, sondern auch einen Aufbau, der weitgehend frei von Störeinflüssen ist, wie sie durch thermische Ausdehnungen, Stöße etc. hervorgerufen werden.
Wie bereits ausgeführt, ist für die rechnerische Korrektur der Strahllageschwankungen für Geradheitsmessungen neben den (bekannten) Abständen Laser/positionsempfindliche Referenzsensoren auch die Kenntnis des Abstandes Laser/positions­ empfindlicher Sensor im Meßzweig erforderlich, der in der Regel variabel ist. Deshalb ist bei einer Wei­ terbildung ein Entfernungs-Meßsystem vorgesehen, das den Abstand zwischen dem Laser und dem positionsempfindlichen (Meß)-Sensor mißt, und dessen Ausgangssignal an die Aus­ werteeinheit angelegt ist, die die am jeweiligen Ort des positionsempfindlichen Sensors auftretenden Strahllage­ schwankungen ermittelt. Diese Entfernungs-Meßsystem kann insbesondere ein Ultraschall-Meßsystem sein, bei dem der Ultraschall-Sender beispielsweise mit dem Grundteil und der Ultraschall-Empfänger mit dem positionsempfindlichen (Meß)-Sensor verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau einer Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen für die Applikation einer Geradheitsmessung, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinheit.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zur zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen, bei der der Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers BS1 ihn einen Referenzstrahl R und einen Meßstrahl M aufgespal­ ten wird. Der Referenzstrahl R wird mit Hilfe eines Strahlteilers BS2 in die Referenzstrahlen R1 und R2 aufge­ spalten. Der Referenzstrahl R1 trifft auf eine position­ sempfindliche Photodiode PSDRef1 auf. Der Referenzstrahl R2 (gestrichelt) wird von zwei Spiegeln S1 und S2 mehrfach gefaltet und trifft auf eine positionsempfindliche Photo­ diode PSDRef1 auf, die ebenso wie PSDRef1 die Abweichung der Strahllage von der Mittellage registriert, so daß Strahllageschwankungen des Laserstrahls im Referenzstrahl- Zweig erfaßt werden können.
In Fig. 1 ist zum besseren Verständnis die virtuelle Lage der beiden Referenzphotodioden gestrichelt eingezeichnet. Die Durchstoßpunkte des Laserstrahles auf diesen ortsfes­ ten Referenzdetektoren definieren die Lage der von dem Laserstrahl aufgespannten Geraden im Raum und können durch folgende Formel beschrieben werden, wobei xp, yp für den Parallelversatz und αx, αy für eine Winkeländerung stehen:
xi = xp + tan(αx) * zi
yi = yp + tan(αy) * zi.
Der Meßstrahl M trifft auf eine Meßphotodiode PSDMeß auf, die einerseits die zu messende Geradheitsabweichung und andererseits ebenfalls die Strahllageschwankungen re­ gistriert.
Mit Hilfe der bekannten Abstände z₁ und z₂ der Referenzde­ tektoren ergeben sich Änderungen des Auftreffortes xo, yo auf die Meßphotodiode PSDMeß aufgrund von Strahllage­ schwankungen nach folgender Formel:
xo = {x₂ (zM-z₁) + x₁ (z₂-zM)}/(z₂-z₁)
yo = {y₂ (zM-z₁) + y₁ (z₂-zM)}/(z₂-z₁).
Weicht der gemessene Wert XMeß, yMeß von dem berechneten Wert xo, yo ab, so ist dies auf eine Verschiebung der Meß­ photodiode PSDMeß senkrecht zum Laserstrahl S zurückzufüh­ ren und stellt die zu messende Abweichung x, y von der Sollgeraden dar:
x = xMeß - xo
y = yMeß - yo.
Wie bereits erwähnt, muß für die Korrektur neben den kon­ stanten Abständen der Referenzdetektoren von einem beliebi­ gen Nullpunkt auch der Abstand des Meßdetektors von diesem Nullpunkt bekannt sein, da sich eine Richtungsänderung des Strahls in einer größeren Entfernung stärker auswirkt als in einer kleineren.
Die Genauigkeit der Korrektur ist stark von der Strahl­ faltung im Referenzzweig abhängig. Deshalb wird der Refe­ renzzweig R mit den Spiegeln S1 und S2 in einem stabilen, geschlossenen Gehäuse G untergebracht, das bevorzugt eine Montageplatte aus einem Material mit einem geringen Wärme­ ausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Zerodur, Invar oder Faserverbundwerkstoff aufweist.
Zur Erfassung von Spiegelverkippungen kann der Referenz­ strahl R2 beispielsweise mit Hilfe eines Strahlteilers BS3 (Fig. 1) derart aufgeteilt werden, daß der ursprüngliche Referenzstrahl R2 in seiner Richtung unverändert bleibt (gestrichelter Strahl) und der andere Teilstrahl senkrecht zur Zeichenebene herausgespiegelt wird und mit einem Pris­ ma oder Spiegel derart umgelenkt wird, daß er unter einem zu R2 unterschiedlichen Winkel auf das Spiegelsystem auf­ trifft (durchgezogener Strahl), so daß weniger Reflexionen stattfinden. Die Ebenen beider Strahlen sind dabei (nicht notwendig) vorzugsweise parallel. Dieser Strahl trifft auf einen dritten positionsempfindlichen Referenzdetektor PSDRef3, der den Auftreffort des Strahles registriert. Wie bereits oben erwähnt, lassen sich aus den Meßwerten der drei Referenzdetektoren Spiegelverkippungen von Strahlla­ geänderungen eindeutig unterscheiden, so daß die Vorrich­ tung weitgehend unabhängig von Spiegelverkippungen ist.
Für die Applikation der Geradheitsmessung werden das Ul­ traschallsignal sowie die Signale der Referenzdioden und der Meßdiode gleichzeitig aufgenommen, verstärkt und nach A/D-Wandlung durch einen A/D-Wandler digital mittels eines Rechners, der beispielsweise ein handelsüblicher Mikrocom­ puter sein kann, verarbeitet. Der Rechner bestimmt den Korrekturwert, ermittelt die Geradheitsabweichung in der üblichen Weise und erstellt ein Meßprotokoll etc.
Die Erfindung hat zum einen den Vorteil, daß es mit der vorstehend beschriebenen Korrektur der Strahllage des Lasers möglich ist, in die Genauigkeitsklasse von 1 µm vorzustoßen, während bekannte mit Lasern arbeitende Vor­ richtungen Strahlrichtungsabweichungen von 10 µrad, d. h. 10 µm/m aufweisen. Strahllageschwankungen werden dadurch korrigiert, so daß die Genauigkeit des Meßsystems nur noch von der Genauigkeit der positionsempfindlichen Photodiode bzw. der elektronischen Schaltung abhängt und zusätzlich unabhängig von der Meßentfernung ist. Zum anderen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung deutlich preiswerter, kompak­ ter und robuster als derzeitige Meßsysteme.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von Laser­ strahlen mit im Strahlengang eines Laserstrahls angeordne­ ten Strahlteiler, der den Laserstrahl in den eigentlichen Nutzstrahl und einen Referenzstrahl aufspaltet, einem weiteren im Strahlengang des Referenzstrahles oder des Nutzstrahles vorgesehenem Strahlteiler und nachfolgen­ dem positionsempfindlichen Sensor, auf den der Laserstrahl auftrifft, sowie einem im Strahlengang des Referenzstrah­ les vorgesehenem Spiegelsystem, das den Referenzstrahl mehrfach faltet, daß der Referenzstrahl nach Durchgang des Spiegelsystems einen zweiten positionsempfindlichen Sensor trifft, und aus dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten positionsempfindlichen Sensors eine Auswerteeinheit Richtungsänderungen bzw. Parallel­ änderungen des Laserstrahls im Raum ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Referenz­ strahles ein weiteres optisches Element vorgesehen ist, welches den ursprünglichen Referenzstrahl in mindestens zwei Referenzstrahlen aufspaltet, die in einem unter­ schiedlichen Winkel auf das Spiegelsystem und anschließend jeweils auf einen zugeordneten positionsempfindlichen Sensor auftreffen, und aus dessen Ausgangssignalen Ände­ rungen der Auftrefforte des Laserstrahles durch Strahl­ lageänderungen oder durch Verkippung der Spiegel des Spie­ gelsystems ursächlich voneinander separiert werden können.
2. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Referenz­ strahles ein weiteres optisches Element vorgesehen ist, welches den ursprünglichen Referenzstrahl in zwei Referenzstrahlen aufspaltet, daß die beiden Re­ ferenzstrahlen unter gleichem Winkel auf das Spiegelsystem auftreffen, daß jedoch einer der beiden Spiegel in der Ebene eines Referenzstrahles kürzer ausgebildet ist, so daß dort weniger Reflexionen als in der Ebene des anderen Referenzstrahles stattfinden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element vor dem Spiegelsystem ein Strahlteiler ist, der einen Teil des Laserstrahles senkrecht zu der Ebene des ursprünglichen Referenzstrahles ablenkt, und daß nachfolgend ein 90°- Prisma oder ein Spiegel vorgesehen ist, das den Strahl vorzugsweise in eine zum ursprünglichen Referenzstrahl parallele Ebene umlenkt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element vor dem Spiegelsystem aus einem Polarisationsfilter und einem Wollaston-Prisma besteht, so daß der Referenzstrahl in zwei Strahlen mit einem vom Wollaston-Prisma abhängigen Winkel aufgespaltet wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem in einem geschlossenen Gehäuse an einem Grundteil angebracht ist, das auch den Laser trägt, und das aus einem Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten be­ steht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Material Zerodur oder Invar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Halbleiterlaser ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht moduliert ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindlichen Sensoren positionsempfindliche Dioden sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem zwei Spiegel aufweist, auf die die Referenzstrahlen jeweils mehrfach auftreffen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei Re­ ferenzstrahlen der längere Referenzstrahl etwa doppelt so lang wie der kürzere Referenzstrahl ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Referenz-Strah­ lengangs in der Größenordnung der Länge des Meß-Strahls liegt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Referenz-Strah­ lengangs mehrere Meter beträgt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entfernungs-Meßsystem vorgesehen ist, das den Abstand zwischen dem Laser und dem positionsempfindlichen (Meß)-Sensor mißt, und dessen Aus­ gangssignal an die Auswerteeinheit angelegt ist, die die am jeweiligen Ort des positionsempfindlichen Sensors auf­ tretenden Strahllageschwankungen ermittelt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernungs-Meßsystem ein Ultraschall-Meßsystem ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Sender mit dem Grundteil und der Ultraschall-Empfänger mit dem positions­ empfindlichen (Meß)-Sensor verbunden ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert der Auswer­ teeinheit dazu benutzt wird, den Laserstrahl mittels opti­ scher Elemente, mit Mitteln der Optronik oder aber den Laser selbst mit elektronisch angesteuerten Justageeinhei­ ten bezüglich seiner Lage und Richtung im Raum nachzufüh­ ren.
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