DE4143166A1 - Vorrichtung zum vervielfachen der weglaenge eines laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vervielfachen der Weglänge eines Laserstrahles.

Bei der Messung und Korrektur von beispielsweise Strahlschwerpunktsschwankungen von Laserstrahlen, die im µm-Bereich liegen, stellt sich das Problem, hohe Auflösungen dieser sogenannten Laserdrift zu erzielen. Nach dem Stand der Technik wird zur Messung, Korrektur bzw. Kompensation der Lagestabilität und Schwerpunktsschwankungen von Laserstrahlen ein aus dem Meßstrahl ausgekoppelter Referenzstrahl herangezogen, der über längere Wegstrecken von beispielsweise 1 m einem separaten Referenzdetektor zugeführt wird. Dies erfordert bei Einschränkung störender äußerer mechanischer Einflüsse meistens einen ähnlichen fertigungstechnischen Aufwand wie für die eigenstabile Laseranordnung selbst. Außerdem können Umweltbedingungen, wie Temperaturschwankungen und Luftbewegungen auf den Referenzstrahlengang sich nachteilig auf die Meßsicherheit auswirken.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vervielfachen der Weglänge eines Laserstrahles bereitzustellen, die so beschaffen ist, daß die Laserdrift mechanisch von dem übrigen Meßsystem entkoppelt ist, eine hohe Auflösung der Laserdrift erzielt wird und störende Umwelteinflüsse weitgehend ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein lichtdurchlässiger Körper vorgesehen ist, wobei zwei gegenüberliegende, parallel zueinander angeordnete Seitenflächen des Körpers verspiegelt sind und verspiegelungsfreie Fenster aufweisen, daß der Laserstrahl durch das Fenster der einen Seitenfläche in den Körper eintritt, den Körper unter mehrfachen Reflexionen an den verspiegelten Seitenflächen durchläuft und durch das Fenster der anderen Seitenfläche aus dem Körper austritt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Körper ein Vielflächner ist.

Zweckmäßig kann es sein, wenn der Körper ein Würfel ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß der Körper aus Glas besteht.

Denkbar ist auch, daß der Körper aus synthetischem Material besteht.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Laserstrahl den Körper diagonal durchläuft.

Es ist aber auch möglich, daß der Laserstrahl den Körper parallel zu einer Seitenfläche durchläuft.

Eine Weiterbildung der Erfindung stellt sich so dar, daß jede der verspiegelten Seitenflächen des Körpers zwei verspiegelungsfreie Fenster aufweist, daß Laserstrahlen durch die Fenster der einen Seitenfläche in den Körper eintreten, den Körper unter mehrfachen Reflexionen an den verspiegelten Seitenflächen diagonal durchlaufen und durch den Fenstern diagonal gegenüberliegende Fenster der anderen Seitenfläche aus dem Körper austreten.

Nach der Erfindung ist es auch möglich, daß jede der verspiegelten Seitenflächen des Körpers mehr als zwei verspiegelungsfreie Fenster aufweist, daß Laserstrahlen durch die Fenster der einen Seitenfläche in den Körper eintreten, den Körper unter mehrfachen Reflexionen an den verspiegelten Seitenflächen diagonal durchlaufen und durch den Fenstern diagonal gegenüberliegende Fenster der anderen Seitenfläche aus dem Körper austreten.

Eine vorteilhafte, im Rahmen der Erfindung verwendbare Weiterbildung besteht darin, daß alle Seitenflächen des Körpers verspiegelt sind, wobei jede Seitenfläche ein verspiegelungsfreies Fenster aufweist, daß Laserstrahlen durch die Fenster von drei senkrecht zueinander angeordneten Seitenflächen in den Körper eintreten, den Körper unter mehrfachen Reflexionen an den Seitenflächen diagonal durchlaufen und durch die den Fenstern diagonal gegenüberliegenden Fenster der anderen Seitenflächen aus dem Körper austreten.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß eine kompakte, optische Einheit geschaffen wurde, die es ermöglicht, den Laserstrahl in einem homogenen, isotropen Medium über beliebig lange Wegstrecken zu führen, frei von äußeren mechanischen, thermischen und atmosphärischen Einflüssen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachfolgend näher beschrieben werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Körpers zum Vervielfachen der Weglänge eines Laserstrahles,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Körpers zum Vervielfachen der Weglängen von zwei Laserstrahlen,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Körpers zum Vervielfachen der Weglängen von vier Laserstrahlen und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Körpers zum Vervielfachen der Weglängen von drei senkrecht zueinander angeordneten Laserstrahlen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vervielfachen der Weglänge eines Laserstrahles 5 besteht aus einem lichtdurchlässigen Körper 8, beispielsweise aus Glas oder einem synthetischen Material, wobei der Körper 8 selbst ein Vielflächner ist, z. B. ein Prisma oder ein Quader oder ein Würfel. Wegen der Symmetrie wird bevorzugt ein Würfel als Weglängenvervielfacher 8 verwendet. Bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen sind zwei gegenüberliegende Seitenflächen 8a, 8b des Körpers 8 verspiegelt. Die verspiegelten Seitenflächen 8a, 8b weisen verspiegelungsfreie Fenster 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h auf, wobei zugeordnete Fenster sich einander diagonal gegenüberliegen und in den Ecken der Seitenflächen 8a, 8b befinden.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Körper 8, dem ein aus dem Laserstrahl 3 einer Laserdiode 1 in dem Strahlteiler 2 ausgekoppelter Referenzlaserstrahl 5 zugeführt wird. Der Laserstrahl 5 tritt unter einem bestimmten räumlichen Winkel durch das Fenster 9a der vorderen Seitenfläche 8a in den Körper 8 ein und wird, wie der Strahlenverlauf zeigt, abhängig von dem Eintrittswinkel mehrfach innerhalb des Körpers 8 an den Seitenflächen 8a, 8b reflektiert, bevor er durch das zugeordnete, diagonal gegenüberliegende Fenster 9b auf der hinteren Seitenfläche 8b aus dem Körper 8 austritt und einem nicht dargestellten Referenzdetektor zugeführt wird. Die Weglänge des Referenzstrahles 5 innerhalb des Körpers 8 wird durch den räumlichen Eintrittswinkel vorgegeben und liegt bei ca. 1 m, was einem Auflösungsverhältnis von 1 : 10 zwischen Laser selbst und Referenzdetektor entspricht. Innerhalb des Körpers 8 addieren sich die Winkeländerungen des Referenzstrahles 5 gemäß der Anzahl der Reflexionen, womit eine Vervielfachung der Laserdrift und eine hohe, zweidimensionale Auflösung der Laserdrift erreicht werden.

Ohne Einschränkung in der Funktion ist es auch möglich, daß der Laserstrahl 5 parallel zu einer Seitenfläche des Körpers 8, beispielsweise zur Grundfläche, durch den Körper 8 geleitet wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt. Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Körper 8, der auf der vorderen Seitenfläche 8a zwei verspiegelungsfreie Fenster 9a, 9c und auf der hinteren Seitenfläche 8b diagonal gegenüberliegend zwei zugeordnete, verspiegelungsfreie Fenster 9b, 9d aufweist. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, bei zwei unabhängigen Laserstrahlen 5, 5a entsprechende Weglängenvervielfachungen vorzunehmen. Die Laserstrahlen 5, 5a treten durch die Fenster 9a, 9c in den Körper 8 ein, durchlaufen ihn ebenfalls diagonal unter mehrfachen Reflexionen an den verspiegelten Seitenflächen 8a, 8b und treten durch die zugeordneten Fenster 9b, 9d wieder aus dem Körper 8 aus.

Entsprechend zeigt Fig. 3 die Verwendung von mehr als zwei, beispielsweise vier unabhängigen Laserstrahlen 5, 5a, 5b, 5c, die durch die in den vier Ecken der vorderen Seitenfläche 8a befindlichen Fenster 9a, 9c, 9e, 9g in den Körper 8 eintreten und ihn durch die diagonal gegenüberliegenden, zugeordneten Fenster 9b, 9d, 9f, 9h wieder verlassen.

Eine für die technische Anwendung der Lasermessung interessante und vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der erfindungsgemäße Körper 8 in Fig. 4 zum Vervielfachen der Weglängen von drei Laserstrahlen 5, 5a, 5b die von drei senkrecht zueinander angeordneten, ein XYZ-Referenzkoordinatensystem bildende Laserdioden 1, 1a, 1b eingesetzt wird. Für diese Aufgabe ist es notwendig, daß alle Seitenfläche 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f des in Fig. 4 dargestellten Körpers 8 verspiegelt sind und jede der sechs Seitenflächen 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f ein verspiegelungsfreies Fenster 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f aufweist. Durch die Fenster 9a, 9c, 9e der senkrecht zueiander angeordneten Seitenflächen 8a, 8c, 8e werden die Laserstrahlen 5, 5a, 5b in den Körper 8 eingeführt; sie durchlaufen wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen den Körper 8 diagonal unter mehrfachen Reflexionen an den Seitenwänden 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f und treten durch die zugeordneten, diagonal gegenüberliegenden Fenster 9b, 9d, 9f wieder aus dem Körper 8 aus.

Mit der dreidimensionalen Anordnung ist durch entsprechende Einstellmöglichkeiten der Laserdioden 1, 1a, 1b ein hochgenaues und über weite Strecken stabiles, absolut rechtwinkliges Referenzkoordinatensystem zu erzeugen, das beispielsweise bei der Überwachung von Werkzeugmaschinen unentbehrlich ist.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Körpers 8 wird der technische Aufwand bei der Kontrolle und Korrektur der Laserdrift von mehreren gleichzeitig eingesetzten Laserdioden, beispielsweise zur Überwachung von Koordinatenmeßgeräten, erheblich vermindert. Außerdem ist der Platzbedarf sehr gering und der Justieraufwand entfällt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Vervielfachen der Weglänge eines Laserstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtdurchlässiger Körper (8) vorgesehen ist, wobei zwei gegenüberliegende, parallel zueinander angeordnete Seitenflächen (8a, 8b) des Körpers (8) verspiegelt sind und verspiegelungsfreie Fenster (9a, 9b) aufweisen, daß der Laserstrahl (5) durch das Fenster (9a) der einen Seitenfläche (8a) in den Körper (8) eintritt, den Körper (8) unter mehrfachen Reflexionen an den verspiegelten Seitenflächen (8a, 8b) durchläuft und durch das Fenster (9b) der anderen Seitenfläche (8b) aus dem Körper (8) austritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) ein Vielflächner ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) ein Würfel ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) aus Glas besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (8) aus synthetischem Material besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (5) den Körper (8) diagonal durchläuft.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (5) den Körper (8) parallel zu einer Seitenfläche durchläuft.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der verspiegelten Seitenflächen (8a, 8b) des Körpers (8) zwei verspiegelungsfreie Fenster (9a, 9b, 9c, 9d) aufweist, daß Laserstrahlen (5, 5a) durch die Fenster (9a, 9c) der einen Seitenfläche (8a) in den Körper (8) eintreten, den Körper (8) unter mehrfachen Reflexionen an den verspiegelten Seitenflächen (8a, 8b) diagonal durchlaufen und durch den Fenstern (9a, 9c) diagonal gegenüberliegende Fenster (9b, 9d) der anderen Seitenfläche (8b) aus dem Körper (8) austreten.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der verspiegelten Seitenflächen (8a, 8b) des Körpers (8) mehr als zwei verspiegelungsfreie Fenster (9a, 9b, 9c, 9d, 9e, . . .) aufweist, daß Laserstrahlen (5, 5a, 5b, 5c) durch die Fenster (9a, 9c, 9e, . . .) der einen Seitenfläche (8a) in den Körper (8) eintreten, den Körper (8) unter mehrfachen Reflexionen an den verspiegelten Seitenflächen (8a, 8b) diagonal durchlaufen und durch den Fenstern (9a, 9c, 9e, . . . diagonal gegenüberliegende Fenster (9b, 9d, 9f, . . . der anderen Seitenfläche (8b) aus dem Körper (8) austreten.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Seitenflächen (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f) des Körpers (8) verspiegelt sind, wobei jede Seitenfläche (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f) ein verspiegelungsfreies Fenster (9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f) aufweist, daß Laserstrahlen (5, 5a, 5b) durch die Fenster (9a, 9c, 9e) von drei senkrecht zueinander angeordneten Seitenflächen (8a, 8c, 8e) in den Körper (8) eintreten, den Körper (8) unter mehrfachen Reflexionen an den Seitenflächen (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f) diagonal durchlaufen und durch die den Fenstern (9a, 9c, 9e) diagonal gegenüberliegenden Fenster (9b, 9d, 9f) der anderen Seitenflächen (8b, 8d, 8f) aus dem Körper (8) austreten.