DE4126948C2 - Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen - Google Patents
Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von LaserstrahlenInfo
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Description
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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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Publication Number | Publication Date |
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ID=6412469
Family Applications (1)
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