WO2020193105A1 - Verfahren und vorrichtung zur interferometrischen schwingungsmessung an einer mehrzahl von messpunkten mittels eines messlaserstrahls - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur interferometrischen schwingungsmessung an einer mehrzahl von messpunkten mittels eines messlaserstrahls Download PDF

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WO2020193105A1
WO2020193105A1 PCT/EP2020/056147 EP2020056147W WO2020193105A1 WO 2020193105 A1 WO2020193105 A1 WO 2020193105A1 EP 2020056147 W EP2020056147 W EP 2020056147W WO 2020193105 A1 WO2020193105 A1 WO 2020193105A1
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WO
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laser beam
measuring
point
pilot
impact
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Application number
PCT/EP2020/056147
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Schüssler
Original Assignee
Polytec Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for interferometric vibration measurement at a plurality of measurement points.
  • a laser beam generated by means of a laser beam source is split into a measurement laser beam and a reference laser beam.
  • the measuring laser beam is successively directed to the measuring points by means of a deflection unit.
  • the measuring laser beam that is at least partially reflected and / or scattered on the object is superimposed with the reference laser beam on a detector surface of a detector to form an optical interference.
  • Vibration data can be inferred from the measurement signals of the detector, in particular a movement speed of the object at the measurement point.
  • the deflection unit is typically designed in such a way that the measuring laser beam can be deflected in two directions.
  • the wavelength of the measuring laser beam is in the infrared wavelength range. This has the disadvantage that the point of impact of the measuring laser beam on the measuring object is generally not visible to the user.
  • Devices are therefore known in which a pilot laser beam is additionally coupled into the beam path of the measuring laser beam in front of the deflection unit. The wavelength of the pilot laser beam is in the visible wavelength range so that the user can use the point of impact of the pilot laser beam on the measurement object to infer the point of impact of the measurement laser beam.
  • the problem is that even after fine adjustment of the optical elements for coupling the pilot laser beam into the beam path of the measuring laser beam, accuracies occur.
  • the point of impact of the pilot laser beam on the measurement object that is visible to the user thus typically deviates at least slightly (in the range of a few pm) from the point of impact of the measurement laser beam.
  • the measuring laser beam must be aimed at filigree structures or
  • the present invention is therefore based on the object of reducing inaccuracies due to a difference in location of the point of impact of the pilot laser beam and the measuring laser beam on the measurement object.
  • the device according to the invention is preferably designed to carry out the method according to the invention, in particular a preferred embodiment thereof.
  • the method according to the invention is preferably designed to be carried out by means of the device according to the invention, in particular a preferred embodiment thereof.
  • the method according to the invention for interferometric vibration measurement at a plurality of measuring points by means of a measuring laser beam has the following method steps:
  • a method step A the measurement laser beam with a wavelength in the infrared wavelength range and a pilot laser beam with a wavelength in the visible wavelength range are generated.
  • a method step B the measuring laser beam and the pilot laser beam are deflected by means of a common optical deflection unit and the deflection unit is controlled so that the pilot laser beam strikes the measuring point.
  • a vibration measurement is carried out by means of the measuring laser beam.
  • the invention is based on the applicant's finding that by adjusting optical components, a spatial deviation between the point of incidence of the pilot laser beam and the measuring laser beam cannot be completely avoided. On the other hand, it is costly to create the possibility for the user to readjust optical components himself. According to the invention, therefore, an angular deviation between the pilot laser beam and the measuring laser beam is determined and compensated for before the vibration measurement is carried out:
  • an angular deviation between the pilot laser beam and the measuring laser beam is determined, and in a correction step B1 between method steps B and C, the deflection unit is controlled to compensate for the angular deviation between the pilot laser beam and the measuring laser beam.
  • the angular deviation between the pilot laser beam and the measuring laser beam is known, after aligning the pilot laser beam with the measuring point and before performing the measurement by means of the deflection unit, the angular deviation can be be retired. After this compensation, the measuring laser beam strikes the measuring point and the impingement point of the pilot laser beam now deviates from the measuring point, depending on the angular deviation present. The vibration measurement carried out subsequently takes place at the measuring point at which the pilot laser beam was initially directed.
  • the method according to the invention enables a considerable increase in the accuracy with regard to the point of impact of the measuring laser beam on a measuring point previously selected by means of the pilot laser beam, without the user having to readjust optical components, such as partially transparent mirrors for coupling the pilot laser beam into the beam path of the measuring laser beam.
  • the inventive device for interferometric vibration measurement at a plurality of measuring points by means of a measuring laser beam has one or more radiation sources for generating a measuring laser beam in the infrared wavelength range and a pilot laser beam in the visible wavelength range.
  • the device also has a deflection unit which is arranged in the beam path of the measuring laser beam and pilot laser beam, and a control unit which is connected to the deflection unit in order to direct the measuring laser beam and the pilot laser beam to a plurality of measuring points on a measuring object.
  • the device also has an interferometer unit to superimpose the at least partially reflected and / or scattered measuring beam with a reference beam to form an optical interference on at least one detector surface of at least one interference detector of the device.
  • the interference detector is connected to the control unit for evaluating vibration data.
  • control unit is designed to direct the pilot laser beam at a measuring point by means of the deflection unit, to control the deflection unit in a correction step in order to compensate for an angular deviation between the pilot laser beam and the measuring laser beam and, after the correction step has been carried out, to measure the vibration To carry out the measuring point using the measuring laser.
  • a detector is advantageously used, by means of which both a point of impact of the pilot laser beam and a point of impact of the measuring laser beam can be detected. In this way, the angular deviation can be determined in an uncomplicated manner.
  • the device preferably has a detector which is designed to detect both an impingement point of the pilot laser beam and an impingement point of the measuring laser beam in order to achieve an inexpensive structure.
  • the detector is advantageously arranged at the location of the measurement object or at least in the area of the measurement object, preferably between the deflection unit and the measurement object, directly on the measurement object to determine the angular deviation.
  • the angular deviation is determined at least approximately in accordance with the spatial conditions which will later be present during the measurement.
  • a point of impact of the pilot laser beam or the measuring laser beam is advantageously selected as the reference point and the point of impact of the other laser beam is tracked to the reference point by means of the deflection unit.
  • the angular deviation is determined in an uncomplicated manner, in that the necessary change is detected by the deflection unit during tracking. This change made by the deflection unit during tracking corresponds to the necessary compensation in process step B1.
  • the pilot laser beam can first be directed onto a reference point.
  • the measuring laser beam is then directed to this reference point by means of the deflection unit and the change required for this, in particular an angle change by the deflection unit, is determined as an angular deviation.
  • a detector at the location of the reference point in order to determine the angular deviation, by means of which at least the measuring laser beam can be detected.
  • a detector is arranged at the location of the reference point and the pilot laser beam is directed onto the detector.
  • the measuring laser beam is then tracked to the detector and the angular deviation is determined as described above.
  • the alignment of the pilot laser beam on the reference point is preferably carried out using one or more of the following method steps:
  • the pilot laser is directed to the reference point by manual control of the deflection unit;
  • the area around the reference point is recorded by means of a camera and the pilot laser is guided to the reference point using the camera images; this can be done manually or preferably automatically;
  • the pilot laser is guided in a grid over the area around the reference point and the detector signal is measured, the position with the maximum detector signal then corresponds to the deflection of the pilot laser onto the reference point or the grid point which is closest to the reference point.
  • the tracking of the measuring laser beam can take place automatically.
  • the initial deflection angle pair when directing the pilot laser beam onto the detector and the deflection angle pair at which the maximum intensity was recorded are preferred, used to calculate the angular deviation between pilot and measuring laser beam.
  • the detector is advantageously designed in such a way that it is sensitive both to the wavelength of the pilot laser and to the wavelength of the measuring laser. This makes it possible to automatically improve the initial alignment of the pilot laser with the detector by moving the pilot laser beam over the detector surface in a fine grid with the measuring laser beam switched off and recording the intensity as a function of the deflection angles.
  • the ideal alignment of the pilot laser with the detector is achieved at maximum intensity. The pilot laser must then be switched off when the measuring laser beam is scanned.
  • the device according to the invention therefore preferably has a detector for at least the measuring laser beam.
  • a detector for at least the measuring laser beam.
  • such a detector is designed as a photocell, which is sensitive at least in the wavelength range of the measuring laser beam, preferably both in the wavelength range of the measuring laser beam and in the wavelength range of the pilot laser beam.
  • the detector has a diaphragm, in particular a perforated diaphragm, which thus defines the location of the reference point.
  • the angular deviation with the highest intensity instead of the angular deviation with the highest intensity, to use all angular deviations that exceed a certain intensity value from the intensities and the associated deviations through mediation procedures, in particular through a center of gravity calculation can determine the angular deviation that can be optimally assigned to the center of the laser beam. In particular, this is advantageous if the size of the pinhole and the diameter of the focused laser beam do not match.
  • PSD position sensitive device
  • the spatially resolving detector is preferably designed to detect both the pilot laser beam and the measuring laser beam. The tracking described above can be carried out in a simple manner by means of such a detector.
  • the angular deviation is advantageously determined as a function of a difference in location between a point of impact of the measuring laser beam and a point of impact of the pilot laser beam on a reference surface. In this advantageous embodiment, it is therefore not absolutely necessary to track the measuring or pilot laser beam to a reference point previously defined by the other laser beam.
  • an IR converter surface is advantageously used which converts the radiation of the measuring laser beam into the visible wavelength range at the point of impact.
  • I R converter surface is also advantageous in order, as described above, to use a spatial difference between the point of impact of the pilot laser beam and the measuring laser beam to determine the angular deviation, since the spatial difference is easily achieved by evaluating the points of impact of the measuring laser beam that can now be detected in the visible area and pilot laser beam can be done.
  • the point of impact of the measuring laser beam and / or the pilot laser beam is advantageously determined by means of one or more spatially resolved camera images. It is within the scope of the invention that the user manually specifies control commands to the deflection unit based on the camera images displayed on a display unit such as a screen in order to determine the angular deviation, for example to carry out tracking to a reference point as before or to determine points of impact to mark a location difference.
  • the angular deviation is determined automatically by evaluating the camera image or images so that no manual action by the user is necessary.
  • a high level of accuracy can be achieved by evaluating several neighboring camera pixels, in particular by calculating the focus of all pixels that exceed a threshold value.
  • At least one camera image without laser beams is also recorded in order to determine the position of the laser beams by evaluating the difference images with and without laser beams.
  • the device according to the invention therefore preferably has at least one camera and, as described above, a reference surface with an IR converter function in order to convert the radiation from the measuring laser into the visible wavelength range at its point of impact on the reference surface.
  • a reference surface with an IR converter function in order to convert the radiation from the measuring laser into the visible wavelength range at its point of impact on the reference surface.
  • the control unit is preferably designed, depending on the camera images of the camera, the point of impact of the measuring laser beam and / or the pilot laser Tracking the beam to a reference point. As a result, the previously described tracking method for determining the angular deviation is carried out automatically.
  • the device has a reference surface as described above with an IR converter function and to use this in connection with a camera, in particular a video camera of the device, as follows:
  • the focused laser beam in the video image can sub- Pixel can be detected precisely.
  • the camera image is suitably darkened by using short shutter times and / or small camera diaphragms, so that overmodulation by the intense laser beam is avoided.
  • Both laser beams are advantageously switched off in order to record a background image and then both the measuring laser and the pilot laser are switched on individually in order to record an image with the laser beam.
  • the images of the laser beams are obtained in isolation, from which the positions can be determined with high accuracy by calculating the center of gravity.
  • the measuring laser beam can now be moved slightly repeatedly by means of the deflection unit and the position can be re-determined after each movement by repeating the image recording and calculating the center of gravity.
  • the displacement vector in the camera image can be determined from the difference between the centers of gravity before and after the movement.
  • the movement of the deflection unit can be controlled so that the measuring laser is directed to the previously determined position of the pilot laser. This process can be repeated iteratively until the deviation falls below a previously defined limit.
  • a control loop for tracking the measuring laser is thus preferably formed.
  • the control loop can either be designed in such a way that all information for position control is automatically determined during the tracking, or additional information such as B. Position of the camera relative to the deflection unit, camera zoom, etc. can be used to carry out the tracking faster.
  • a precise location determination of the point of impact of the measuring laser beam and the pilot laser beam is advantageous in order to achieve a high level of accuracy when determining the angular deviation achieve.
  • the pilot laser beam is switched off or blocked and / or when evaluating the point of incidence of the pilot laser beam, the measuring laser beam is switched off or blocked. This has the advantage that on the one hand there is no confusion between the point of impact of the pilot laser beam and the measuring laser beam.
  • the determined angular deviation is preferably stored in the control unit so that it can be used in each case in method step B1 to compensate for the angular deviation in a large number of subsequent measurements.
  • the angular deviation is determined multiple times and for an averaged angular deviation to be used to carry out the correction step B1.
  • the measuring laser beam has a wavelength larger in the infrared range
  • the pilot laser beam has a wavelength in the visible range, particularly preferably in the range 400 nm to 700 nm, particularly preferably in the range 500 nm up to 650 nm.
  • the radiation sources for the measuring laser beam and / or the pilot laser beam are preferably designed as semiconductor lasers or fiber lasers.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for measurements in which several measuring lasers are used, preferably at least two measuring laser beams, in particular three measuring laser beams, the beam paths of which are preferably not parallel run to each other and which more preferably impinge on a common measuring point on the object to be measured, an interferometric vibration measurement takes place.
  • the interferometer unit is preferably designed heterodyne in a known manner, in particular by providing a frequency shifter in the beam path of the measuring or reference beam, preferably an acousto-optic frequency shifter (AOFS), in particular a Bragg cell.
  • AOFS acousto-optic frequency shifter
  • Figure 1 shows a first embodiment of a device according to the invention with an IR converter surface
  • Figure 2 is a plan view of an IR converter surface to illustrate a
  • Figure 3 shows a second embodiment of a Vorrich device according to the invention with a detector with a pinhole
  • FIG. 4 shows a plan view of the perforated diaphragm to illustrate the tracking method
  • FIG. 5 in partial images a) and b) schematic representations in the case of executions of an exemplary embodiment of the method according to the invention with the use of two measuring heads.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a Vorrich device according to the invention for interferometric vibration measurement at a plurality of measuring points by means of a measuring laser beam.
  • the device has two radiation sources for generating a measuring laser beam 1 and a pilot laser beam 2:
  • an IR radiation source 3 which is designed as a fiber laser, a laser beam with a wavelength of 1550 nm and thus a wavelength in the infrared wavelength range is generated.
  • An interferometer unit 5 has a first partially transparent mirror 5a, by means of which the laser beam is divided into the measuring laser beam 1 and a reference laser beam 1a.
  • the reference laser beam 1a is superimposed over a mirror 5c and a partially transparent mirror 5d of the interferometer unit 5 on the detector surface of the detector 6 with the measuring laser beam 1 reflected and / or scattered by the object to form an optical interference.
  • the device also has a pilot radiation source 4, which is in the form of a diode laser and generates a laser beam with a wavelength of 520 nm and thus a wavelength in the visible wavelength range.
  • the pilot laser beam 2 is coupled into the beam path of the measuring laser beam 1 via a coupling mirror 7.
  • the mirror 7 can also be designed as a partially transparent mirror, but in the specific case is particularly preferably designed as a dichroic mirror that reflects the visible light of the pilot laser and transmits the infrared light of the measuring laser.
  • Measuring laser beam 1 and pilot laser beam 2 are deflected via a common deflection unit 8 in order to be directed onto measuring points of the object to be measured.
  • the device also has a control unit 9, in the present case designed as a computer, which is connected to the deflection unit 8, the pilot radiation source 4, the interference detector 6 and the IR radiation source 3. Not only the deflection unit 8 can therefore be controlled by means of the control unit. The radiation sources can also be controlled, in particular switched on and off.
  • the control unit 9 also serves as an evaluation unit to use the measurement data of the interference detector 6
  • the interferometer unit 5 is designed in a manner known per se as a heterodyne interferometer unit, by providing a frequency shifter, preferably an acousto-optic frequency shifter (AOFS), in this case a Bragg cell, in the beam path of the reference beam.
  • AOFS acousto-optic frequency shifter
  • the device also has a camera 10 to create spatially resolved camera images of the measurement environment.
  • the camera 10 is also connected to the control unit 9 so that the images from the camera 10 can be evaluated by means of the control unit 9.
  • the coupling mirror 7 has adjusting screws, which are shown schematically as adjustment elements 7a and 7b.
  • adjustment elements 7a and 7b By means of the adjusting elements 7a and 7b, a fine adjustment is carried out by the manufacturer in order to guide the two laser beams coaxially and in parallel after the pilot laser beam 2 has been coupled into the beam path of the measuring laser beam 1.
  • this is not exactly possible under real conditions, there always remains an - albeit slight - angular deviation between pilot laser beam 2 and measuring laser beam 1.
  • This Winkelabwei chung 1 1 is shown greatly exaggerated in the figures for reasons of better illustration.
  • the angular deviation 11 has the effect that the pilot laser beam 2 and measuring laser beam 1 impinge on location points that differ from one another on the measurement object.
  • the deflection unit 8 is designed in a manner known per se and has mirrors rotatable in two axes. This can be achieved by a mirror that can be rotated in two axes. In the present case, the deflection unit has two mirrors each rotatable about an axis. This deflection unit is designed as a galvanometer scanner unit. In the present case, the deflection takes place by means of two mirrors, the position of which can be indicated by an angle. A specific deflection position of the galvanometer scanner unit can thus be described by a pair of deflection angles.
  • control unit 9 is designed to direct the pilot laser beam 2 onto a measuring point of an object to be measured by means of the deflection unit 8 as a function of control commands, to control the deflection unit 8 in a correction step in order to compensate for an angular deviation between the pilot laser beam and the measuring laser beam 1 and after carrying out the correction step, a vibration measurement is carried out at the measuring point by means of the measuring laser beam.
  • the device according to FIG. 1 also has a detector, by means of which both a point of impact of the pilot laser beam 2 and a point of impact of the measuring laser beam 1 can be detected.
  • this detector is designed as an IR converter surface 12.
  • the IR transducer surface which is known per se, has the property that the pilot laser beam 2 is reflected or scattered without changing the wavelength, while the measuring laser beam 1, on the other hand, experiences a change in wavelength and, in the present case, has a wavelength of around 550 nm and thus a wavelength in visible wavelength range is reflected back.
  • the camera 10 both the point of impact of the pilot laser beam 2 and the point of impact of the measuring laser beam 1 on the IR converter surface 12 can thus be recorded.
  • FIG. 2 a plan view of the IR converter card 12 is shown schematically with the point of impact of the pilot laser beam 2 shown in dashed lines and the point of impact of the measuring laser beam 1 shown with a solid circular line.
  • the points of impact differ from one another due to the angular deviation 1 1, so that there is a spatial difference between the points of impact on the IR converter surface.
  • the pilot radiation source 4 is initially switched on by means of the control unit 9, but the IR radiation source 3 is not.
  • a spatially resolved image is then recorded by means of the camera 10.
  • the area shown as a circle in FIG. 2 can be determined, which represents the point of impact of the pilot laser 2.
  • the center of this area is assumed to be the point of impact.
  • the pilot radiation source 4 is then switched off and the IR radiation source 3 is switched on. Due to the property of the IR converter surface described above, the surface illuminated by the measuring laser beam 1 can now also be determined by means of the camera 10 and the center of this surface can be assigned to the measuring laser beam 1 as the point of impact.
  • the camera 10 of the device according to the first exemplary embodiment is a calibrated camera in which a spatial difference can be assigned directly to an angle deviation.
  • the camera can be calibrated by aligning the laser to at least 3 points on a surface by means of the deflection unit, the 3 points having at least one known angular position with respect to the camera and each having a camera pixel assigned to the deflection angle pair.
  • the 3 points must span a plane, i.e. H. not be colinear.
  • the assignment between the deflection angle pair and the camera pixel can be done manually or by automatically finding the laser beam in the camera image.
  • the calibration is preferably carried out directly on the IR converter surface, then errors due to changes in distance are excluded.
  • the camera is preferably located very close to the pivot points of the deflection unit, or the light intended for it is even decoupled from the beam path of the measuring or pilot laser beam via a partially transparent or dichroic mirror in order to create a parallax effect that reduces the accuracy of the angle measurements to minimize or avoid entirely.
  • the spatial difference 13 between the point of impact of the pilot laser beam 2 and the measuring laser beam 1 can therefore be converted directly into an angular deviation by means of this calibration by means of the control unit 9 and also converted into control commands which are sent to the deflection unit 8 in order to direct the measuring laser beam 1 onto the as a dashed circular line dargestell th point of impact of the pilot laser beam 2 to lead.
  • the control unit for example by means of text instructions on a screen
  • the control unit switches the pilot laser beam (while the measuring laser beam is switched off) by means of manual control commands on the control unit. is switched) at a point on the converter card and confirm this via user input.
  • the control unit now automatically determines the angular deviation:
  • the point of impact of the pilot laser beam 2 is recorded by means of the camera 10.
  • the pilot laser beam 2 is then switched off (without changing the mirror positions of the deflection unit 8) and the measuring laser beam is switched on.
  • the point of impact of the measuring laser beam 1 is determined. By comparing the two camera images, the spatial difference and from this the angular deviation 1 1 can be calculated. The angular deviation is saved.
  • the determination of the angular deviation - as described above - is preferably carried out several times at several slightly different points on the I R converter card in order to determine a more precise value for the spatial difference (13) by averaging the determined angular deviations.
  • the user is now informed via the screen that the measurement can begin.
  • the user can now, for example, remove the IR converter surface 12, arrange a measurement object at this point and, if necessary, use additional control commands to direct the now switched on pilot laser beam 2 to a desired measurement point by means of the deflection unit 8.
  • the device After confirmation by the user, the device carries out a vibration measurement.
  • the angular deviation between pilot laser beam 2 and measuring laser beam 1 is initially compensated:
  • a method step B1 before performing the vibration measurement, the deflection unit 8 is controlled by means of the control unit 9 in such a way that the location difference 13 is compensated and thus the measuring laser beam 1 now after performing correction step B1 to the location shown as a dashed circular line in FIG occurs and thus to the place that the user previously selected by means of the pilot laser beam 2 as the measuring point.
  • the vibration measurement is carried out in a manner known per se.
  • such a device is particularly suitable for performing a measurement at a large number of measuring points on the measurement object and, in particular, for calculating in-plane or 3D vibrations using the large number of vibration measurements.
  • FIG. 3 a second exemplary embodiment of a device according to the invention is shown schematically.
  • the device is largely identical to the device according to the first exemplary embodiment and the illustration in FIG. 1. To avoid repetition, only the essential differences are discussed below:
  • the IR radiation source 3 generates a linearly polarized laser beam.
  • the beam splitter 5b is designed as a PBS (polarizing beam splitter).
  • the PBS 5b ‘interacts with a lambda / 4 plate 5f, which in the present case is arranged in the beam path of the measuring beam 1.
  • the polarization of the measuring beam running back is changed in such a way that it is deflected downward at the PBS 5b to the partially transparent mirror 5d.
  • the interference detector of the device according to FIG. 3 is designed as an interference detector in the balanced detector configuration known per se:
  • the detector has two partial interference detectors 6a and 6b, which are connected to the control unit 9, to evaluate the measurement data according to the principle of balanced detectors.
  • the partially transparent mirror 5d portions of the returning measuring beam and the reference beam reach each of the interference partial detectors 6a and 6b.
  • the interferometer unit 5 ′ also has a heterodyne structure with an AOFS 5e designed as a Bragg cell.
  • the design of the interferometer with PBS, lambda / 4 plate and the balanced detectors can also be implemented in the device according to FIG. 1 in an alternative embodiment.
  • the device according to the second exemplary embodiment has a laser beam detector 14.
  • the laser beam detector 14 comprises a photodiode 14a and a pinhole 14b.
  • the user is now asked to position the laser beam detector approximately at the location where the measurement object will be located during the subsequent measurement and to position the pilot laser beam 2 (visible to the user) by means of the deflection unit 8 to be directed at the opening of the aperture plate 14b.
  • the photodiode 14a is embodied here as a PI N diode. Both the measuring laser beam 1 and the pilot laser beam 2 can thus be detected by means of the photo diode 14a.
  • the control unit 9 which is connected to the photodiode 14a, detects an impact of the pilot laser beam 2, the pilot laser beam 2 is switched off and the measuring laser beam 1 (not visible to the user) is switched on. Due to the angular deviation 11, the measuring laser beam 1 in this situation will not, however, impinge on the opening 14c of the aperture plate 14b and thus also not on the photodiode 14a.
  • FIG. 4 The point of impact of the measuring laser beam 1, shown as a circle, has a spatial difference 13 to the opening 14c of the perforated diaphragm 14b.
  • the pinhole 14b can be omitted, the opening 14c of the pinhole corresponds to the active area of the PI N diode.
  • the control unit now automatically follows the measuring laser beam 1 by means of the deflection unit 8 until it strikes the opening of the aperture plate 14b and thus the photodiode 14a.
  • the measuring laser beam is scanned in a small angular range, the intensity of the photodiode is recorded and the deflection unit is set to the angle pair at which the intensity of the photodiode is maximum. Because of the angular deviation 1 1, the beam path of the pilot laser beam 2, if it is switched on again, is not on the opening of the End aperture 14b. This state after tracking of the measuring laser beam 1 is shown in FIG.
  • the angular deviation 11 which is stored for the further measurements, results from the changes in the angular positions of the deflection unit 8 required for tracking the measuring laser beam 1 described above.
  • the user can now remove the detector with pinhole 14b and photodiode 14a and instead arrange a measurement object and use the control unit to specify one or a plurality of measurement points on the object by means of the deflection unit 8 and the use of the pilot laser beam 2.
  • the measurement is now carried out as described above: To carry out a measurement at a measuring point specified by the user by approaching using the pilot laser beam 2, a compensation is carried out before carrying out the measurement in a method step B1 by compensating for the previously determined angular deviation so that after carrying out the correction step B1, although not the pilot laser beam 2, but the measuring laser beam 1 impinges on the predetermined measuring point.
  • the vibration measurement is then carried out in a manner known per se.
  • Two measuring heads 15a and 15b are used which are arranged in order to measure a common measuring point on a measuring object 16 (in the present case an automobile). First, as described above, the respective angular deviation is determined and stored for each measuring head by means of the IR transducer surface 12.
  • a correction step B1 is therefore carried out as described above, in which the previously determined angular deviation is corrected by means of the deflection unit of the measuring heads.
  • the state after performing the correction steps is shown in Figure 5b:
  • the measuring laser beams 1 ′ and 1 ′′ now impinge on the measuring point on the measuring object 16 that was previously marked by means of the pilot laser beams.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Schwingungsmessung an einer Mehrzahl von Messpunkten mittels eines Messlaserstrahls, mit den Verfahrensschritten A. Erzeugen des Messlaserstrahls mit einer Wellenlänge im infraroten Wellenlängenbereich und eines Pilotlaserstrahls mit einer Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich; B. Ablenken des Messlaserstrahls und des Pilotlaserstrahls mittels einer gemeinsamen optischen Ablenkeinheit, und Steuern der Ablenkeinheit, so dass der Pilotlaserstrahl auf den Messpunkt trifft und C. Durchführen einer Schwingungsmessung mittels des Messlaserstrahls; Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,dass eine Winkelabweichung zwischen Pilotlaserstrahl und Messlaserstrahl bestimmt wird und dass in einem Korrekturschritt B1 zwischen Verfahrensschritt B und C die Ablenkeinheit angesteuert wird, um die Winkelabweichung zwischen Pilotlaserstrahl und Messlaserstrahl zu kompensieren.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur interferometrischen Schwingungsmessung an einer Mehrzahl von Messpunkten mittels eines Messlaserstrahls
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Schwingungsmessung an einer Mehrzahl von Messpunkten.
Zur Schwingungsmessung an einer Mehrzahl von Messpunkten auf einem Messobjekt sind Vorrichtungen bekannt, bei welchen ein mittels einer Laser strahlquelle erzeugter Laserstrahl in einen Messlaserstrahl und einen Referenz laserstrahl aufgespaltet wird. Der Messlaserstrahl wird mittels einer Ablenkein heit sukzessive auf die Messpunkte gerichtet. Der an dem Objekt zumindest teilweise reflektierte und/oder gestreute Messlaserstrahl wird mit dem Referenz laserstrahl auf einer Detektorfläche eines Detektors zur Ausbildung einer opti schen I nterferenz überlagert. Aus den Messsignalen des Detektors kann auf Schwingungsdaten rückgeschlossen werden, insbesondere eine Bewegungsge schwindigkeit des Objekts am Messpunkt. Typischerweise ist die Ablenkeinheit so ausgeführt, dass der Messlaserstrahl in 2 Richtungen abgelenkt werden kann.
Es sind hierbei Vorrichtungen bekannt, bei welchen die Wellenlänge des Mess laserstrahls im infraroten Wellenlängenbereich liegt. Dies weist den Nachteil auf, dass der Auftreffpunkt des Messlaserstrahls auf dem Messobjekt im Allge meinen für den Benutzer nicht sichtbar ist. Es sind daher Vorrichtungen be kannt, bei welchen zusätzlich ein Pilotlaserstrahl vor der Ablenkeinheit in den Strahlengang des Messlaserstrahls eingekoppelt wird. Die Wellenlänge des Pi lotlaserstrahls liegt im sichtbaren Wellenlängenbereich, sodass der Benutzer anhand des Auftreffpunkts des Pilotlaserstrahls auf dem Messobjekt auf den Auftreffpunkt des Messlaserstrahls rückschließen kann.
Problematisch ist, dass auch nach Feinjustierung der optischen Elemente zum Einkoppeln des Pilotlaserstrahls in den Strahlengang des Messlaserstrahls Un- genauigkeiten auftreten. Typischerweise besteht eine zumindest geringe Win kelabweichung zwischen Messlaserstrahl und Pilotlaserstrahl . Der für den Be nutzer sichtbare Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls auf dem Messobjekt weicht somit typischerweise zumindest geringfügig (im Bereich einiger pm) von dem Auftreffpunkt des Messlaserstrahls ab.
Diese U ngenauigkeit ist insbesondere relevant, wenn
• Der Messlaserstrahl auf filigrane Strukturen ausgerichtet werden muss oder
• aus den Schwingungsdaten einer Mehrzahl von Messstrahlen, insbeson dere bei Verwendung einer Vorrichtung mit mehreren Messköpfen, wobei jeder Messkopf zum Aussenden mindestens eines Messstrahls ausgebil det ist und zumindest eine Ablenkeinheit aufweist, auf sogenannte in- plane-Schwingungen rückgeschlossen wird, das heißt Schwingungskom ponenten ungefähr senkrecht zur Auftreffrichtung der Messlaserstrahlen auf dem Objekt berechnet werden. I nsbesondere bei solchen Auswertun gen führen bereits geringe Ortsungenauigkeiten zu erheblichen Fehlern in der Auswertung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Ungenauigkeiten aufgrund eines Ortsunterschiedes des Auftreffpunktes von Pilotlaserstrahl und Messlaserstrahl auf dem Messobjekt zu verringern.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens ausgebildet, insbesondere einer bevorzugten Aus führungsform hiervon. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zur Durchführung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgebildet, insbe sondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon. Das erfindungsgemäße Verfahren zur interferometrischen Schwingungsmessung an einer Mehrzahl von Messpunkten mittels eines Messlaserstrahls weist fol gende Verfahrensschritte auf:
I n einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Erzeugen des Messlaserstrahls mit ei ner Wellenlänge im infraroten Wellenlängenbereich und eines Pilotlaserstrahls mit einer Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich. I n einem Verfahrens schritt B erfolgt ein Ablenken des Messlaserstrahls und des Pilotlaserstrahls mittels einer gemeinsamen optischen Ablenkeinheit und ein Steuern der Ablenk einheit, sodass der Pilotlaserstrahl auf den Messpunkt trifft. I n einem Verfah rensschritt C erfolgt ein Durchführen einer Schwingungsmessung mittels des Messlaserstrahls.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis der Anmelderin begründet, dass durch J us tieren von optischen Komponenten eine Ortsabweichung zwischen dem Auftreff punkt des Pilotlaserstrahls und des Messlaserstrahls einerseits nicht vollständig vermieden werden kann. Andererseits ist es aufwendig, die Möglichkeit für den Benutzer zu schaffen, selbst eine Nachjustierung optischer Komponenten vor zunehmen. Erfindungsgemäß wird daher eine Winkelabweichung zwischen Pilot laserstrahl und Messlaserstrahl bestimmt und vor Durchführen der Schwin gungsmessung kompensiert:
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine Winkelabweichung zwi schen Pilotlaserstrahl und Messlaserstrahl bestimmt und in einem Korrektur schritt B1 zwischen Verfahrensschritt B und C wird die Ablenkeinheit angesteu ert, um die Winkelabweichung zwischen Pilotlaserstrahl und Messlaserstrahl zu kompensieren.
H ierdurch ist es somit nicht notwendig, zum Erzielen einer hohen Genauigkeit eine Feinjustierung der optischen Komponenten vor Durchführung der Messung vorzunehmen. Stattdessen wird eine etwaige verbleibende Winkelabweichung zunächst bestimmt und vor Durchführen der Messung kompensiert.
Ist die Winkelabweichung zwischen Pilotlaserstrahl und Messlaserstrahl be kannt, so kann nach Ausrichten des Pilotlaserstrahls auf den Messpunkt und vor Durchführen der Messung mittels der Ablenkeinheit die Winkelabweichung kom- pensiert werden. Nach dieser Kompensation trifft somit der Messlaserstrahl auf den Messpunkt auf und der Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls weicht nun - ab hängig von der vorliegenden Winkelabweichung - von dem Messpunkt ab. Die anschließend durchgeführte Schwingungsmessung erfolgt somit an dem Mess punkt, auf welchen eingangs der Pilotlaserstrahl gerichtet wurde.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine erhebliche Erhöhung der Ge nauigkeit hinsichtlich des Auftreffpunktes des Messlaserstrahls auf einen zuvor mittels des Pilotlaserstrahls ausgewählten Messpunkt, ohne dass der Benutzer optische Komponenten, wie beispielsweise teildurchlässige Spiegel zum Ein koppeln des Pilotlaserstrahls in dem Strahlengang des Messlaserstrahls, nach justieren muss.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur interferometrischen Schwingungsmes sung an einer Mehrzahl von Messpunkten mittels eines Messlaserstrahls weist eine oder mehrere Strahlungsquellen zum Erzeugen eines Messlaserstrahls im infraroten Wellenlängenbereich und eines Pilotlaserstrahls im sichtbaren Wel lenlängenbereich auf. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Ablenkeinheit auf, welche im Strahlengang von Messlaserstrahl und Pilotlaserstrahl angeordnet ist, sowie eine Steuereinheit, welche mit der Ablenkeinheit verbunden ist, um den Messlaserstrahl und den Pilotlaserstrahl auf einer Mehrzahl von Messpunkten auf einem Messobjekt zu richten.
Die Vorrichtung weist weiterhin eine I nterferometereinheit ein, um den zumin dest teilweise von dem Messobjekt reflektierten und/oder gestreuten Messstrahl mit einem Referenzstrahl unter Ausbildung einer optischen I nterferenz auf zu mindest einer Detektorfläche zumindest eines I nterferenz-Detektors der Vorrich tung zu überlagern. Der I nterferenz-Detektor ist mit der Steuereinheit zur Aus wertung von Schwingungsdaten verbunden.
Wesentlich ist, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, den Pilotlaserstrahl ab hängig von Steuerbefehlen mittels der Ablenkeinheit auf einen Messpunkt zu richten, in einem Korrekturschritt die Ablenkeinheit anzusteuern, um eine Win kelabweichung zwischen Pilotlaserstrahl und Messlaserstrahl zu kompensieren und nach Ausführung des Korrekturschritts eine Schwingungsmessung an dem Messpunkt mittels des Messlasers durchzuführen. H ierdurch ergeben sich die zuvor bei Erläuterung des erfindungsgemäßen Ver fahrens beschriebenen Vorteile.
Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung der Winkelabweichung ein Detektor verwendet, mittels dessen sowohl ein Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls, als auch ein Auftreffpunkt des Messlaserstrahls detektierbar ist. Hierdurch kann in unaufwendiger Weise die Winkelabweichung bestimmt werden.
Ebenso weist die Vorrichtung bevorzugt einen Detektor auf, welcher ausgebildet ist, sowohl einen Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls als auch einen Auftreffpunkt des Messlaserstrahls zu detektieren, um einen unaufwendigen Aufbau zu erzie len.
Bei Verwendung eines solchen Detektors wird vorteilhafterweise zur Bestim mung der Winkelabweichung der Detektor am Ort des Messobjekts oder zumin dest im Bereich des Messobjekts, bevorzugt zwischen Ablenkeinheit und Mess objekt unmittelbar am Messobjekt angeordnet. Auf diese Weise wird die Winkel abweichung zumindest näherungsweise gemäß der später bei der Messung vor liegenden räumlichen Begebenheiten bestimmt.
Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung der Winkelabweichung ein Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls oder des Messlaserstrahls als Referenzpunkt gewählt und mittels der Ablenkeinheit wird der Auftreffpunkt des anderen Laserstrahls zu dem Referenzpunkt nachgeführt. H ierdurch wird in unaufwendiger Weise die Winkelabweichung bestimmt, indem beim Nachführen die notwendige Änderung durch die Ablenkeinheit erfasst wird. Diese bei Nachführen erfolgte Änderung durch die Ablenkeinheit entspricht der notwendigen Kompensation in Verfah rensschritt B1 .
Es kann hierbei in einer vorteilhaften Ausführungsform zunächst der Pilotlaser strahl auf einen Referenzpunkt gerichtet werden. Anschließend wird mittels der Ablenkeinheit der Messlaserstrahl auf diesen Referenzpunkt gerichtet und die hierfür notwendige Änderung, insbesondere Winkeländerung durch die Ablenk einheit, als Winkelabweichung bestimmt. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfin dung, zunächst den Messlaserstrahl auf einen Referenzpunkt zu richten und anschließend mittels Ablenkeinheit den Pilotlaserstrahl auf den Referenzpunkt nachzuführen. Auch hierdurch ergibt sich die Winkelabweichung, wobei zur Kompensation in Verfahrensschritt B1 entsprechend eine gegenläufige Ände rung, das heißt Kompensation um die entgegengesetzte Abweichung, erfolgt.
I nsbesondere ist es vorteilhaft, zur Bestimmung der Winkelabweichung am Ort des Referenzpunktes einen Detektor anzuordnen, mittels dessen zumindest der Messlaserstrahl detektierbar ist. I n einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein solcher Detektor am Ort des Referenzpunktes angeordnet und der Pilotlaser strahl auf den Detektor gerichtet. Anschließend wird der Messlaserstrahl auf den Detektor nachgeführt und hierdurch wie zuvor beschrieben die Winkelabwei chung bestimmt. Das Ausrichten des Pilotlaserstrahls auf den Referenzpunkt wird bevorzugt mittels eines oder mehrerer der folgenden Verfahrensschritte durchgeführt:
- der Pilotlaser wird durch manuelle Steuerung der Ablenkeinheit auf den Referenzpunkt gerichtet;
- der Bereich um den Referenzpunkt wir mittels einer Kamera aufgenom men und der Pilotlaser anhand der Kamerabilder zu dem Referenzpunkt geführt, dies kann manuell oder bevorzugt automatisiert erfolgen;
- der Pilotlaser wird in einem Raster über den Bereich um den Referenz punkt geführt und das Detektorsignal gemessen, die Position mit maxima lem Detektorsignal entspricht dann der Ablenkung des Pilotlasers auf den Referenzpunkt oder dem Rasterpunkt, welcher dem Referenzpunkt am nächsten liegt.
Das Nachführen des Messlaserstrahls kann hierbei automatisiert erfolgen. I ns besondere ist es vorteilhaft, mittels der Ablenkeinheit den Messtrahl in einem Raster über die Detektorfläche zu bewegen und abhängig von den durch die Ablenkeinheit eingestellten Winkeln bzw. Winkelabweichungen die I ntensität am Photodetektor aufzuzeichnen. Aus den Steuerparametern für die Ablenkeinheit bei Richten des Pilotlaserstrahls auf den Detektor einerseits und den Steuerpa rametern, bei welchen bei der vorgenannten Rasterbewegung des Messstrahls die maximale I ntensität aufgenommen wurde (und somit davon ausgegangen werden kann, dass der Messstrahl zumindest teilweise auf den Detektor auf trifft) , kann auf die Winkelabweichung rückgeschlossen werden. I nsbesondere bei Verwenden einer Ablenkeinheit, deren Ablenkverhalten über ein Winkelpaar beschrieben werden kann, beispielsweise eine Ablenkeinheit mit zwei Spiegeln, wird bevorzugt das initiale Ablenkwinkelpaar bei Richten des Pi lotlaserstrahls auf den Detektor und das Ablenkwinkelpaar, bei dem die maxima le I ntensität aufgezeichnet wurde, zur Berechnung der Winkelabweichung zwi schen Pilot- und Messlaserstahl verwendet.
Vorteilhafterweise ist der Dektektor so ausgeführt, dass er sowohl für die Wel lenlänge des Pilotlasers, als auch für die Wellenlänge des Messlasers empfind lich ist. Dies ermöglicht die initale Ausrichtung des Pilotlasers auf den Dektektor automatisiert zu verbessern, indem der Pilotlaserstrahl bei ausgeschaltetem Messlaserstrahl in einem feinen Raster über die Detektrofläche bewegt wird und abhängig von den Ablenkwinkeln die I ntensität aufgezeichnet wird. Die ideale Ausrichtung des Pilotlasers auf den Detektor ist bei maximaler I ntensität er reicht. Beim Abrastern des Messlaserstrahls muss dann der Pilotlaser ausge schaltet sein.
Da die mechanische Ü berlagerung bereits eine gute Übereinstimmung der Rich tungen des Pilotlaserstrahls und des Messlaserstrahls gewährleistet, ist ein Ab rastern nur in einem kleinen Winkelbereich der zu erwartenden restlichen Ab weichung erforderlich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher bevorzugt einen Detektor für zumindest den Messlaserstrahl auf. Ein solcher Detektor ist in einer bevorzug ten Ausführungsform als Photozelle ausgebildet, welche zumindest im Wellen längenbereich des Messlaserstrahls sensibel ist, bevorzugt sowohl im Wellen längenbereich des Messlaserstrahls als auch im Wellenlängenbereich des Pilot laserstrahls sensibel ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit weist in einer bevorzug ten Ausführungsform der Detektor eine Blende, insbesondere eine Lochblende, auf, welche somit den Ort des Referenzpunktes definiert.
Abhängig von der Größe der Lochblende und des Durchmessers des fokussier ten Laserstrahls ist es vorteilhaft möglich, anstelle der Winkelabweichung mit der höchsten I ntensität, alle Winkelabweichungen zu verwenden, welche einen bestimmten I ntensitätswert überschreiten, aus den I ntensitäten und den zugehö rigen Abweichungen lässt sich durch M ittelungsverfahren, insbesondere durch eine Schwerpunktsberechnung die Winkelabweichung bestimmen, die optimal der M itte des Laserstrahls zugeordnet werden kann. I nsbesondere ist dies vor teilhaft, wenn die Größe der Lochblende und der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls nicht übereinstimmen.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, den Detektor als Pin-Photodiode oder als ortsauflösenden Detektor auszubilden, bevorzugt als PSD-Detektor (PSD= Position sensitive device) , als Quadranten-Photodiode oder als CCD- oder CMOS-Kamera oder als Photodioden-Array. Bevorzugt ist der ortsauflösende Detektor zur Detektion sowohl des Pilotlaserstrahls, als auch des Messlaser strahls ausgebildet. M ittels solch eines Detektors kann die zuvor beschrieben Nachführung in einfacher Weise erfolgen.
Vorteilhafterweise wird die Winkelabweichung abhängig von einem Ortsunter schied eines Auftreffpunkts des Messlaserstrahls und eines Auftreffpunkts des Pilotlaserstrahls auf einer Referenzfläche bestimmt. I n dieser vorteilhaften Aus führungsform ist somit ein Nachführen des Mess- oder Pilotlaserstrahls zu ei nem zuvor von dem anderen Laserstrahl definierten Referenzpunkts nicht zwin gend notwendig.
Vorteilhafterweise wird zur Bestimmung der Winkelabweichung eine I R- Wandlerfläche verwendet, welche die Strahlung des Messlaserstrahls am Auf treffpunkt in den sichtbaren Wellenlängenbereich überführt.
Die Verwendung einer solchen Wandlerfläche ist vorteilhaft, da ein zuvor be schriebenes Nachführen in einfacher Weise möglich ist, da sowohl der Auftreff punkt des Messlaserstrahls, als auch des Pilotlaserstrahls, sichtbar sind.
Ebenso ist die Verwendung einer solchen I R-Wandlerfläche vorteilhaft, um wie zuvor beschrieben einen Ortsunterschied zwischen Auftreffpunkt des Pilotlaser strahls und des Messlaserstrahls zur Bestimmung der Winkelabweichung zu verwenden, da der Ortsunterschied in einfacher Weise durch Auswerten der nun im sichtbaren Bereich detektierbaren Auftreffpunkte von Messlaserstrahl und Pilotlaserstrahl erfolgen kann. Vorteilhafterweise wird der Auftreffpunkt des Messlaserstrahls und/oder des Pi lotlaserstrahls mittels eines oder mehrerer ortsaufgelöster Kamerabilder be stimmt. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass der Benutzer anhand der auf einer Anzeigeeinheit wie einem Bildschirm angezeigten Kamerabilder manuell Steuerbefehle an die Ablenkeinheit vorgibt, um die Winkelabweichung zu bestimmen, beispielsweise um wie zuvor ein Nachführen zu einem Referenz punkt durchzuführen oder um Auftreffpunkte zur Bestimmung eines Ortsunter schiedes zu markieren.
I nsbesondere ist es jedoch vorteilhaft, dass die Winkelabweichung automatisiert mittels Auswertung des oder der Kamerabilder bestimmt wird, sodass keine ma nuelle Handlung des Benutzers notwendig ist. Analog zum oben beschriebenen Verfahren mit der Lochblende, kann hier eine hohe Genauigkeit durch Auswer tung mehrerer benachbarter Kamerapixel , insbesondere durch Schwerpunktbe rechnung aller Pixel, die einen Schwellwert überschreiten erzielt werden. I nsbe sondere ist es vorteilhaft die Kameraempfindlichkeit und Shutterzeiten soweit zu reduzieren, dass keine Ü bersteuerung der durch den Laser beleuchteten Pixel auftritt.
Alternativ wird neben den Kamerabildern mit Laserstrahlen auch mindestens ein Kamerabild ohne Laserstrahlen aufgenommen, um die Position der Laserstrah len durch Auswertung der Differenzbilder mit und ohne Laserstrahlen zu be stimmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher bevorzugt zumindest eine Kame ra auf und weiterhin wie zuvor beschrieben eine Referenzfläche mit I R- Wandlerfunktion, um die Strahlung des Messlasers an dessen Auftreffpunkt auf der Referenzfläche in den sichtbaren Wellenlängenbereich zu überführen. Hier durch kann, wie zuvor beschrieben, in einfacher Weise eine insbesondere auto matisierte Bestimmung der Winkelabweichung erfolgen. Weiterhin sind Kameras mit Detektionsbereichen im sichtbaren Wellenlängenbereich kostengünstig , ha ben eine hohe Auflösung und sind darüber hinaus bei vielen Vorrichtungen zur interferometrischen Schwingungsmessung bereits vorgesehen.
Die Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, abhängig von den Kamerabildern der Kamera den Auftreffpunkt des Messlaserstrahls und/oder des Pilotlaser- Strahls zu einem Referenzpunkt nachzuführen. Hierdurch wird das zuvor be schriebene Nachführverfahren zur Bestimmung der Winkelabweichung automati siert durchgeführt.
I nsbesondere ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung eine Referenzfläche wie zuvor beschrieben mit I R-Wandlerfunktion aufweist und diese in Verbindung mit einer Kamera, insbesondere einer Videokamera der Vorrichtung zu wie folgt zu verwenden: Durch Bildverarbeitungsalgorithmen kann der fokussierte Laser strahl im Videobild Sub-Pixel genau detektiert werden. Hierzu wird das Kamera bild durch Verwendung kurzer Shutterzeiten und / oder kleiner Kamerablenden geeignet abgedunkelt, so dass eine Ü bersteuerung durch den intensiven Laser strahl vermieden wird. Vorteilhafterweise werden beide Laserstrahlen ausge schaltet um ein Hintergrundbild aufzunehmen und danach sowohl Messlaser als auch Pilotlaser einzeln eingeschaltet, um jeweils ein Bild mit dem Laserstrahl aufzunehmen. Durch Differenzbildberechnung erhält man isoliert die Bilder der Laserstrahlen aus denen die Positionen durch Schwerpunktberechnung mit ho her Genauigkeit ermittelt werden können. N un kann der Messlaserstrahl bei ab geschaltetem Pilotlaserstrahl mittels Ablenkeinheit wiederholt leicht bewegt werden und nach jeder Bewegung durch Wiederholung der Bildaufzeichung und Schwerpunktberechnung die Position neu ermittelt werden. Aus der Differenz der Schwerpunkte vor und nach der Bewegung kann der Verschiebungsvektor im Kamerabild ermittelt werden. Durch Vergleich des gemessenen Verschie bungsvektors mit dem zur Nachführung benötigten Verschiebungsvektor kann die Bewegung der Ablenkeinheit so gesteuert werden, dass der Messlaser auf die zuvor ermittelte Position des Pilotlasers gerichtet ist. Dieser Prozess kann iterativ wiederholt werden, bis die Abweichung eine zuvor festgelegte Grenze unterschreitet. M it anderen Worten wird somit bevorzugt eine Regelschleife zur Nachführung des Messlasers gebildet. Die Regelschleife kann entweder so aus gestaltet werden, dass alle I nformationen zur Positionsregelung automatisch während der Nachführung ermittelt werden, oder es können zusätzliche I nforma tionen wie z. B. Lage der Kamera relativ zur Ablenkeinheit, Kamerazoom , etc. verwendet werden, um die Nachführung schneller durchzuführen.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine genaue Ortsbe stimmung des Auftreffpunktes des Messlaserstrahls und des Pilotlaserstrahls vorteilhaft, um eine hohe Genauigkeit bei Bestimmung der Winkelabweichung zu erzielen. Vorteilhafterweise wird bei Bestimmung der Winkelabweichung bei Auswertung des Auftreffpunkts des Messlaserstrahls der Pilotlaserstrahl abge schaltet oder blockiert und/oder bei Auswertung des Auftreffpunktes des Pilotla serstrahles der Messlaserstrahl abgeschaltet oder blockiert. H ierdurch ergibt sich der Vorteil , dass zum einen keine Verwechslung zwischen dem Auftreff punkt von Pilotlaserstrahl und Messlaserstrahl erfolgt. Darüber hinaus ist auch dann die Bestimmung einer Winkelabweichung wünschenswert, wenn sich die Auftreffpunkte von Messlaserstrahl und Pilotlaserstrahl überlappen. I nsbesonde re in solchen Fällen ist die Bestimmung der beiden Auftreffpunkte anspruchsvoll , sofern beide Laserstrahlen angeschaltet sind und somit ein zusammenhängen der Bereich der sich überlappenden Auftreffpunkte vorliegt. H ier ist es insbe sondere vorteilhaft, wie zuvor beschrieben, bei Bestimmung des Auftreffpunktes eines Laserstrahls den anderen Laserstrahl abzuschalten.
Die bestimmte Winkelabweichung wird bevorzugt in der Steuereinheit abgespei chert, sodass sie bei einer Vielzahl von nachfolgenden Messungen jeweils in dem Verfahrensschritt B1 zur Kompensation der Winkelabweichung verwendet werden kann.
Zur Erhöhung der Genauigkeit ist es vorteilhaft, dass eine mehrfache Bestim mung der Winkelabweichung erfolgt und eine gemittelte Winkelabweichung zur Durchführung des Korrekturschrittes B1 verwendet wird.
Der Messlaserstrahl weist eine Wellenlänge im infraroten Bereich größer
700 nm auf, insbesondere bevorzugt im Bereich 1200 nm bis 1700 nm , beson ders bevorzugt zwischen 1530 nm und 1570 nm. Der Pilotlaserstrahl weist eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich auf, insbesondere bevorzugt im Bereich 400 nm bis 700 nm, besonders bevorzugt im Bereich 500 nm bis 650 nm .
Die Strahlungsquellen für den Messlaserstrahl und/oder den Pilotlaserstrahl sind bevorzugt als Halbleiterlaser oder Faserlaser ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere für Messungen geeignet, bei welchen mittels mehrerer Messlaser strahlen, bevorzugt mittels mindestens zweier Messlaserstrahlen , insbesondere mittels dreier Messlaserstrahlen, deren Strahlengänge bevorzugt nicht parallel zueinander verlaufen und die weiter bevorzugt auf einen gemeinsamen Mess punkt auf dem zu vermessenden Objekt auftreffen, eine interferometrische Schwingungsmessung erfolgt.
Bevorzugt wird die I nterferometereinheit in an sich bekannter Weise heterodyn ausgebildet, insbesondere durch Vorsehen eines Frequenzschiebers im Strah lengang des Mess- oder Referenzstrahls, bevorzugt eines akustooptischen Fre quenzschiebers (AOFS = acousto optic frequency shifter), insbesondere einer Bragg-Zelle.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen werden im Folgenden an hand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer I R-Wandlerfläche;
Figur 2 eine Draufsicht auf eine I R-Wandlerfläche zur Verdeutlichung eines
Nachführverfahrens;
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich tung mit einem Detektor mit Lochblende;
Figur 4 eine Draufsicht auf die Lochblende zur Verdeutlichung des Nachführ verfahrens und
Figur 5 in Teilbildern a) und b) schematische Darstellungen bei Ausführungen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Verwendung von zwei Messköpfen.
Die Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. I n den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Ele mente.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich tung zur interferometrischen Schwingungsmessung an einer Mehrzahl von Messpunkten mittels eines Messlaserstrahls. Die Vorrichtung weist zwei Strahlungsquellen zum Erzeugen eines Messlaser strahls 1 und eines Pilotlaserstrahls 2 auf: Mittels einer I R-Strahlungsquelle 3, welche als Faserlaser ausgebildet ist, wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1550 nm und somit einer Wellenlänge im infraroten Wellenlängenbereich erzeugt. Eine I nterferometereinheit 5 weist einen ersten teildurchlässigen Spie gel 5a auf, mittels dessen der Laserstrahl in den Messlaserstrahl 1 und einen Referenzlaserstrahl 1 a aufgeteilt wird. Der von dem Messobjekt zumindest teil weise reflektierte und/oder gestreute Messlaserstrahl 1 wird über einen teil durchlässigen Spiegel 5b der I nterferometereinheit 5 auf eine Detektorfläche eines Detektors 6 geführt. Der Referenzlaserstrahl 1 a wird über einen Spie gel 5c und einen teildurchlässigen Spiegel 5d der I nterferometereinheit 5 auf der Detektorfläche des Detektors 6 mit dem vom Objekt reflektierten und/oder ge streuten Messlaserstrahl 1 zur Ausbildung einer optischen I nterferenz überla gert.
Die Vorrichtung weist weiterhin eine Pilot-Strahlungsquelle 4 auf, welche vorlie gend als Diodenlaser ausgebildet ist und einen Laserstrahl mit Wellenlänge 520 nm und somit einer Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich er zeugt. Der Pilotlaserstrahl 2 wird über einen Einkoppel-Spiegel 7 in den Strah lengang des Messlaserstrahls 1 eingekoppelt. Der Spiegel 7 kann ebenfalls als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet werden, ist aber im konkreten Fall beson ders bevorzugt als dichroitischer Spiegel ausgebildet ist, der das sichtbare Licht des Pilotlasers reflektiert und das infrarote Licht des Messlasers transmittiert.
Messlaserstrahl 1 und Pilotlaserstrahl 2 werden über eine gemeinsame Ablenk einheit 8 abgelenkt, um auf Messpunkte des zu vermessenden Objekts gerichtet zu werden.
Die Vorrichtung weist weiterhin eine vorliegend als Computer ausgebildete Steuereinheit 9 auf, welche mit der Ablenkeinheit 8, der Pilot- Strahlungsquelle 4, dem I nterferenz-Detektor 6 und der I R-Strahlungsquelle 3 verbunden ist. M ittels der Steuereinheit kann somit nicht nur die Ablenkeinheit 8 gesteuert werden. Ebenso können die Strahlungsquellen gesteuert werden, ins besondere ein- und ausgeschaltet werden. Weiterhin dient die Steuereinheit 9 als Auswerteeinheit, um aus den Messdaten des I nterferenz-Detektors 6
Schwingungsdaten auszuwerten.
Die I nterferometereinheit 5 ist in an sich bekannter Weise als heterodyne I nter ferometereinheit ausgebildet, durch Vorsehen eines Frequenzschiebers, bevor zugt eines akustooptischen Frequenzschiebers (AOFS = acousto optic fre- quency shifter) , vorliegend einer Bragg-Zelle, im Strahlengang des Referenz strahls.
Die Vorrichtung weist weiterhin eine Kamera 10 auf, um ortsaufgelöste Kamera bilder der Messumgebung zu erstellen. Die Kamera 10 ist ebenfalls mit der Steuereinheit 9 verbunden, sodass mittels der Steuereinheit 9 die Bilder der Kamera 10 ausgewertet werden können.
Der Einkoppel-Spiegel 7 weist Stellschrauben auf, die schematisch als Justie relemente 7a und 7b dargestellt sind. M ittels der Justierelemente 7a und 7b er folgt herstellerseitig eine Feinjustierung, um nach Einkoppeln des Pilotlaser strahls 2 in den Strahlengang des Messlaserstrahls 1 die beiden Laserstrahlen koaxial und parallel zu führen. Dies ist unter realen Bedingungen jedoch nicht exakt möglich, es verbleibt stets eine - wenn auch geringfügige - Winkelabwei chung zwischen Pilotlaserstrahl 2 und Messlaserstrahl 1 . Diese Winkelabwei chung 1 1 ist in den Figuren aus Gründen der besseren Darstellbarkeit stark übertrieben gezeigt.
Die Winkelabweichung 1 1 bewirkt, dass Pilotlaserstrahl 2 und Messlaserstrahl 1 auf voneinander abweichenden Ortspunkten auf dem Messobjekt auftreffen.
Die Ablenkeinheit 8 ist in an sich bekannter Weise ausgebildet und weist in zwei Achsen drehbare Spiegel auf. Dies kann durch einen in zwei Achsen drehbaren Spiegel realisiert werden. Vorliegend weist die Ablenkeinheit zwei um jeweils eine Achse drehbare Spiegel auf. Diese Ablenkeinheit ist als Galvanometer- Scannereinheit ausgeführt. Die Ablenkung erfolgt vorliegend mittels zweier Spiegel, deren Stellung jeweils durch einen Winkel angegeben werden kann. Eine bestimmte Ablenkstellung der Galvanometer-Scannereinheit kann somit durch ein Ablenkwinkelpaar beschrieben werden. Wesentlich ist, dass die Steuereinheit 9 ausgebildet ist, den Pilotlaserstrahl 2 abhängig von Steuerbefehlen mittels der Ablenkeinheit 8 auf einen Messpunkt eines zu vermessenden Objekts zu richten, in einem Korrekturschritt die Ablen keinheit 8 anzusteuern, um eine Winkelabweichung zwischen Pilotlaserstrahl und Messlaserstrahl 1 zu kompensieren und nach Ausführen des Korrektur schritts eine Schwingungsmessung an dem Messpunkt mittels des Messlaser strahls durchzuführen. Dies wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und Figur 2 näher erläutert:
Die Vorrichtung gemäß Figur 1 weist weiterhin einen Detektor auf, mittels des sen sowohl ein Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls 2 als auch ein Auftreffpunkt des Messlaserstrahls 1 detektierbar ist. Dieser Detektor ist vorliegend als I R- Wandlerfläche 12 ausgebildet. Die an sich bekannte I R-Wandlerfläche weist die Eigenschaft auf, dass der Pilotlaserstrahl 2 ohne Änderung der Wellenlänge re flektiert oder gestreut wird wird, der Messlaserstrahl 1 hingegen eine Wellenlän genänderung erfährt und vorliegend mit einer Wellenlänge von etwa 550 nm und somit einer Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich zurückgeworfen wird. M ittels der Kamera 10 kann somit sowohl der Auftreffpunkt des Pilotlaser strahls 2 als auch der Auftreffpunkt des Messlaserstrahls 1 auf der I R- Wandlerfläche 12 erfasst werden.
I n Figur 2 ist schematisch eine Draufsicht auf die I R-Wandlerkarte 12 dargestellt mit dem gestrichelt dargestellten Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls 2 und dem mit einer durchgezogenen Kreislinie dargestellten Auftreffpunkt des Messlaser strahls 1 . Wie zuvor erläutert, weichen die Auftreffpunkte aufgrund der Winkel abweichung 1 1 voneinander ab, sodass sich eine Ortsdifferenz der Auftreffpunk te auf der I R-Wandlerfläche ergibt.
Zur Bestimmung der Winkelabweichung in dem vorliegend beschriebenen Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst mittels der Steuereinheit 9 lediglich die Pilot-Strahlungsquelle 4 angeschaltet, die I R- Strahlungsquelle 3 hingegen nicht. Anschließend wird ein ortsaufgelöstes Bild mittels der Kamera 10 aufgenommen. Durch an sich bekannte Auswerteverfah ren kann die als Kreislinie in Figur 2 dargestellte Fläche bestimmt werden, wel che den Auftreffpunkt des Pilotlasers 2 wiedergibt. Als Auftreffort wird der Mit telpunkt dieser Fläche angenommen. Anschließend wird die Pilot-Strahlungsquelle 4 abgeschaltet und die I R- Strahlungsquelle 3 angeschaltet. Aufgrund der zuvor beschriebenen Eigenschaft der I R-Wandlerfläche kann nun mittels der Kamera 10 auch die durch den Mess laserstrahl 1 beleuchtete Fläche ermittelt werden und dem Messlaserstrahl 1 das Zentrum dieser Fläche als Auftreffpunkt zugeordnet werden.
Die Kamera 10 der Vorrichtung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels ist eine kalibrierte Kamera, bei welcher eine Ortsdifferenz unmittelbar einer Winkelab weichung zugeordnet werden kann. Diese Kalibration der Kamera kann erfolgen, indem der Laser mittels der Ablenkeinheit auf zumindest 3 Punkte einer Fläche ausgerichtet wird, wobei die 3 Punkte mindestens eine bekannte Winkellage bzgl. der Kamera besitzen und jeweils ein Kamerapixel dem Ablenkwinkelpaar zugeordnet wird. Die 3 Punkte müssen eine Ebene aufspannen, d. h. nicht kol li near sein. Die Zuordnung zwischen Ablenkwinkelpaar und Kamerapixel kann manuell oder durch automatisches Auffinden des Laserstrahls im Kamerabild erfolgen. Vorzugweise wird die Kalibration direkt auf der I R-Wandlerfläche durchgeführt, dann sind Fehler durch Abstandsänderung ausgeschlossen. Be vorzugt befindet sich die Kamera sehr nahe an den Drehpunkten der Ablenkein heit, oder das für sie vorgesehene Licht wird sogar über einen teildurchlässigen oder dichroitischen Spiegel aus dem Strahlengang des Mess- bzw. Pilotlaser strahls ausgekoppelt, um einen die Genauigkeit der Winkelmessungen vermin dernden Parallaxeneffekt zu minimieren oder ganz zu vermeiden.
Die Ortsdifferenz 13 zwischen dem Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls 2 und des Messlaserstrahls 1 kann aufgrund dieser Kalibration somit mittels der Steuer einheit 9 direkt in eine Winkelabweichung umgerechnet werden und ebenso in Steuerbefehle umgewandelt werden, welche an die Ablenkeinheit 8 gesendet werden , um den Messlaserstrahl 1 auf den als gestrichelte Kreislinie dargestell ten Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls 2 zu führen.
Der Benutzer wird somit durch die Steuereinheit (beispielsweise mittels Textan weisung auf einem Bildschirm) aufgefordert, die I R-Wandlerfläche in etwa an dem Ort anzuordnen, an welchem bei der späteren Messung sich das Messob jekt befindet. Anschließend wird der Benutzer durch manuelle Steuerbefehle an der Steuereinheit den Pilotlaserstrahl (während der Messlaserstrahl abgeschal- tet ist) auf einen Punkt auf der Wandlerkarte richten und dies über Benutzerein gabe bestätigen. Die Steuereinheit führt nun eine automatische Bestimmung der Winkelabweichung durch:
H ierzu wird zunächst - wie zuvor beschrieben - bei ausgeschaltetem Messlaser strahl mittels der Kamera 10 der Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls 2 erfasst. Anschließend wird (ohne Änderung der Spiegelstellungen der Ablenkeinheit 8) der Pilotlaserstrahl 2 abgeschaltet und der Messlaserstrahl angeschaltet. M ittels der Kamera 10 wird nun - wie ebenfalls vorangehend beschrieben - der Auf treffpunkt des Messlaserstrahls 1 ermittelt. Durch Vergleich der beiden Kamera bilder kann die Ortsdifferenz und hieraus die Winkelabweichung 1 1 berechnet werden. Die Winkelabweichung wird gespeichert.
Bevorzugt wird die Ermittlung der Winkelabweichung - wie zuvor beschrieben - mehrmals an mehreren leicht unterschiedlichen Punkten auf der I R Wandlerkar te durchgeführt um durch M ittelung der ermittelten Winkelabweichungen einen genaueren Wert für die Ortsdifferenz (13) zu ermitteln.
Dem Benutzer wird nun über dem Bildschirm mitgeteilt, dass die Messung be ginnen kann.
Der Benutzer kann nun beispielsweise die I R-Wandlerfläche 12 entfernen, an dieser Stelle ein Messobjekt anordnen und gegebenenfalls über weitere Steuer befehle den nun angeschalteten Pilotlaserstrahl 2 auf einen gewünschten Mess punkt mittels der Ablenkeinheit 8 richten. Nach Bestätigung durch den Benutzer führt die Vorrichtung eine Schwingungsmessung durch. H ier wird jedoch zu nächst die Winkelabweichung zwischen Pilotlaserstrahl 2 und Messlaserstrahl 1 kompensiert:
I n einem Verfahrensschritt B1 wird vor Durchführen der Schwingungsmessung die Ablenkeinheit 8 mittels der Steuereinheit 9 derart gesteuert, dass die Orts differenz 13 kompensiert wird und somit der Messlaserstrahl 1 nun nach Durch führen von Korrekturschritt B1 auf den als gestrichelte Kreislinie in Figur 2 dar gestellten Ort auftrifft und somit auf denjenigen Ort, den der Benutzer zuvor mit tels des Pilotlaserstrahls 2 als Messpunkt auswählte. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt C die Schwingungsmessung in an sich bekannter Weise durchgeführt.
Wie eingangs erwähnt, ist eine solche Vorrichtung insbesondere geeignet, eine Messung an einer Vielzahl von Messpunkten auf dem Messobjekt durchzuführen und insbesondere anhand der Vielzahl von Schwingungsmessungen auch in- plane- oder 3D-Schwingungen zu berechnen.
I n Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung schematisch dargestellt.
Die Vorrichtung ist weitgehend identisch zu der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und der Darstellung in Figur 1 ausgebildet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend daher lediglich auf die wesentlichen Un- terschiede eingegangen:
Die I R-Strahlungsquelle 3 erzeugt einen linear polarisierten Laserstrahl. Ent sprechend ist der Strahlteiler 5b‘ als PBS (polarizing beam Splitter) ausgebildet. Der PBS 5b‘ wirkt mit einer Lambda/4-Platte 5f zusammen, die vorliegend im Strahlengang des Messstrahls 1 angeordnet ist. H ierdurch wird bei dem zurück laufenden Messstrahl die Polarisation derart verändert, dass dieser am PBS 5b‘ nach unten zu dem teildurchlässigen Spiegel 5d abgelenkt wird.
Weiterhin ist der I nterferenz-Detektor der Vorrichtung gemäß Figur 3 als Interfe- renz-Detektor in der an sich bekannten balanced detector-configuration ausge bildet: Der Detektor weist zwei Interferenz-Teildetektoren 6a und 6b auf, welche mit der Steuereinheit 9 verbunden sind, um die Messdaten nach dem Prinzip der balancierten Detektoren auszuwerten. Ü ber den teildurchlässigen Spiegel 5d gelangen auf jeden der Interferenz-Teildetektoren 6a und 6b jeweils Anteile des rücklaufenden Messstrahls sowie des Referenzstrahls.
Auch die I nterferometereinheit 5‘ weist einen heterodynen Aufbau mit einem als Bragg-Zelle ausgebildeten AOFS 5e auf. Die Ausbildung des I nterferometers mit PBS, Lambda/4-Platte und den balan cierten Detektoren kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel auch in der Vorrichtung gemäß Figur 1 realisiert werden.
Die Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist, wie in Figur 3 dargestellt, einen Laserstrahl-Detektor 14 auf. Der Laserstrahl-Detektor 14 um fasst eine Photodiode 14a und eine Lochblende 14b. Zur Durchführung der Be stimmung der Winkelabweichungen wird der Benutzer nun aufgefordert, den La serstrahl-Detektor in etwa an dem Ort anzuordnen, an welchem sich bei der späteren Messung das Messobjekt befinden wird und den (für den Benutzer sichtbaren) Pilotlaserstrahl 2 mittels der Ablenkeinheit 8 auf die Öffnung der Lochblende 14b zu richten.
Die Photodiode 14a ist vorliegend als PI N-Diode ausgebildet. Mittels der Photo diode 14a kann somit sowohl der Messlaserstrahl 1 als auch der Pilotlaser strahl 2 detektiert werden.
Sobald mittels der Steuereinheit 9, welche mit der Photodiode 14a verbunden ist, ein Auftreffen des Pilotlaserstrahls 2 detektiert wird, wird der Pilotlaser strahl 2 abgeschaltet und der (für den Benutzer nicht sichtbare) Messlaser strahl 1 angeschaltet. Aufgrund der Winkelabweichung 1 1 wird in der Regel der Messlaserstrahl 1 in dieser Situation jedoch nicht auf die Öffnung 14c der Loch blende 14b und somit auch nicht auf die Photodiode 14a auftreffen. Dies ist in Figur 4 dargestellt: Der als Kreis dargestellte Auftreffpunkt des Messlaserstrahls 1 weist eine Ortsdifferenz 13 zu der Öffnung 14c der Lochblende 14b auf. Bei Verwendung einer PI N-Diode kann die Lochblende 14b entfallen, die Öffnung 14c der Lochblende entspricht der aktiven Fläche der PI N-Diode.
Die Steuereinheit führt nun automatisch mittels der Ablenkeinheit 8 den Messla serstrahl 1 nach, bis dieser auf die Öffnung der Lochblende 14b und somit die Photodiode 14a auftrifft. H ierzu wird der Messlaserstrahl in einem kleinen Win kelbereich abgerastert, die I ntensität der Photodiode aufgezeichnet und die Ab lenkeinheit auf das Winkelpaar eingestellt, bei dem die I ntensität der Photodiode maximal ist. Aufgrund der Winkelabweichung 1 1 wird dann der Strahlengang des Pilotlaserstrahls 2, sofern man ihn wieder einschaltet, nicht auf der Öffnung der Lochblende 14b enden. Dieser Zustand nach Nachführen des Messlaserstrahls 1 ist in Figur 3 gezeigt.
Aus den notwendigen Änderungen der Winkelstellungen der Ablenkeinheit 8 zum zuvor beschriebenen Nachführen des Messlaserstrahls 1 ergibt sich die Winkelabweichung 1 1 , welche für die weiteren Messungen abgespeichert wird.
Dem Benutzer wird nun signalisiert, dass die Bestimmung der Winkelabwei chung abgeschlossen ist.
Der Benutzer kann nun den Detektor mit Lochblende 14b und Photodiode 14a entfernen und stattdessen ein Messobjekt anordnen und mittels der Steuerein heit mittels der Ablenkeinheit 8 und Verwendung des Pilotlaserstrahls 2 einen oder eine Mehrzahl von Messpunkten auf dem Objekt vorgeben.
Die Messung erfolgt nun wie zuvor beschrieben: Zum Durchführen einer Mes sung an einem durch den Benutzer durch Anfahren mittels des Pilotlaser strahls 2 vorgegebenen Messpunkts wird vor Durchführen der Messung in einem Verfahrensschritt B1 eine Kompensation durchgeführt, indem die zuvor be stimmte Winkelabweichung kompensiert wird, sodass nach Durchführen des Korrekturschritts B1 zwar nicht der Pilotlaserstrahl 2, jedoch der Messlaser strahl 1 auf den vorgegebenen Messpunkt auftrifft. Anschließend wird die Schwingungsmessung in an sich bekannter Weise durchgeführt.
I n Figur 5 ist schematisch eine Anwendung mehrerer Vorrichtungen gemäß Fi gur 1 zum Durchführen von dreidimensionalen Schwingungsmessungen gezeigt:
Es werden zwei Messköpfe 15a und 15b verwendet, welche angeordnet sind, um einen gemeinsamen Messpunkt auf einem Messobjekt 16 (vorliegend ein Automobil) zu vermessen. Zunächst wird wie zuvor beschrieben für jeden Mess kopf mittels der I R-Wandlerfläche 12 die jeweilige Winkelabweichung bestimmt und gespeichert.
Anschließend werden mittels der Pilotlaserstrahlen 2‘ des ersten Messkopfes und 2“ des zweiten Messkopfes ein gemeinsamer Messpunkt auf dem Messob jekt 16 ausgewählt, auf welchem beide Pilotlaserstrahlen 2‘ und 2“ auftreffen. Wie in Figur 5 dargestellt, würden aufgrund der Winkelabweichungen der Mess köpfe 15a und 15b die Messlaserstrahlen 1‘ und 1“ der Messköpfe jedoch nicht an einem gemeinsamen Punkt auf dem Messobjekt 16 auftreffen. Dies ist in Fi- gur 5a schematisch dargestellt.
Für jeden der Messköpfe 15a und 15b erfolgt durch Durchführen der Messung daher wie zuvor beschrieben ein Korrekturschritt B1 , in welchem jeweils mittels der Ablenkeinheit der Messköpfe die zuvor bestimmte Winkelabweichung korri- giert wird. Der Zustand nach Durchführen der Korrekturschritte ist in Figur 5b dargestellt:
Aufgrund der Korrekturschritte treffen nun die Messlaserstrahlen 1‘ und 1“ auf den zuvor mittels der Pilotlaserstrahlen markierten Messpunkt auf dem Messob- jekt 16 auf.
Bezugszeichenliste
1 Messlaserstrahl
1 a Referenzlaserstrahl
2 Pilotlaserstrahl
3 I R-Strahlungsquelle
4 Pilot-Strahlungsquelle
5, 5‘ I nterferometereinheit
5a, 5b, 5d teildurchlässige Spiegel
5b‘ PBS (polarizing beam Splitter)
5c Spiegel
5e AOFS (acousto optic frequency shifter)
5f Lambda/4 Platte
6, 6a, 6b I nterferenz- Detektor
7 Einkoppel-Spiegel
7a, 7b Justierelemente
8 Ablenkeinheit
9 Steuereinheit
10 Kamera
1 1 Winkelabweichung
12 I R-Wandlerfläche
13 Ortsdifferenz
14 Laserstrahl- Detektor
14a Photodiode
14b Lochblende
14c Öffnung der Lochblende
15a, 15b Messköpfe
16 Messobjekt

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur interferometrischen Schwingungsmessung an einer Mehrzahl von Messpunkten mittels eines Messlaserstrahls (1 ),
mit den Verfahrensschritten
A. Erzeugen des Messlaserstrahls (1 ) mit einer Wellenlänge im infraroten Wellenlängenbereich und eines Pilotlaserstrahls (2) mit einer Wellen länge im sichtbaren Wellenlängenbereich;
B. Ablenken des Messlaserstrahls (1 ) und des Pilotlaserstrahls (2) mit tels einer gemeinsamen optischen Ablenkeinheit (8), und Steuern der Ablenkeinheit (8) , sodass der Pilotlaserstrahl (2) auf den Messpunkt trifft und
C. Durchführen einer Schwingungsmessung mittels des Messlaser
strahls (1 );
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Winkelabweichung (1 1 ) zwischen Pilotlaserstrahl (2) und Mess laserstrahl (1 ) bestimmt wird und
dass in einem Korrekturschritt B1 zwischen Verfahrensschritt B und C die Ablenkeinheit (8) angesteuert wird, um die Winkelabweichung (1 1 ) zwi schen Pilotlaserstrahl (2) und Messlaserstrahl (1 ) zu kompensieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Winkelabweichung (1 1 ) ein Detektor verwendet wird, mittels dessen sowohl ein Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls (2), als auch ein Auftreffpunkt des Messlaserstrahls (1 ) detektierbar ist.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Winkelabweichung (1 1 ) ein Auftreffpunkt des Pilot laserstrahls (2) oder des Messlaserstrahls (1 ) als Referenzpunkt gewählt wird und mittels der Ablenkeinheit (8) der Auftreffpunkt des anderen Laser strahls zu dem Referenzpunkt nachgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Winkelabweichung (1 1 ), am Ort des Referenzpunk tes ein Detektor angeordnet wird, mittels dessen zumindest der Messlaser strahl (1 ) detektierbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Winkelabweichung (1 1 ) abhängig von einem Ortsunterschied eines Auftreffpunkts des Pilotlaserstrahl (2) und eines Auftreffpunktes des Messla serstrahls (1 ) auf einer Referenzfläche bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Winkelabweichung (1 1 ) eine I R-Wandlerfläche (12) verwendet wird , welche die Strahlung des Messlaserstrahls am Auftreffpunkt in den sichtbaren Wellenlängenbereich überführt.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Auftreffpunkt von Messlaserstrahl (1 ) und/oder Pilotlaserstrahl (2) mittels eines oder mehrerer ortsaufgelöster Kamerabilder bestimmt werden, insbesondere, dass die Winkelabweichung (1 1 ) automatisiert mittels Auswer tung des oder der Kamerabilder bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei Bestimmung der Winkelabweichung (1 1 ) bei Auswertung des Auf treffpunktes des Messlaserstrahls (1 ) der Pilotlaserstrahl (2) abgeschaltet oder blockiert ist und/oder bei Auswertung des Auftreffpunktes des Pilotla serstrahls (2) der Messlaserstrahl (1 ) abgeschaltet oder blockiert ist.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Winkelabweichung (1 1 ) in der Steuereinheit (9) abgespeichert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine mehrfache Bestimmung der Winkelabweichung (1 1 ) erfolgt und ei ne gemittelte Winkelabweichung (1 1 ) zur Durchführung des Korrekturschritts B1 verwendet wird.
1 1 . Vorrichtung zur interferometrischen Schwingungsmessung an einer Mehrzahl von Messpunkten mittels eines Messlaserstrahls (1 ),
mit einer oder mehreren Strahlungsquellen zum Erzeugen eines Messlaser strahls (1 ) im infraroten Wellenlängenbereich und eines Pilotlaserstrahls (2) im sichtbaren Wellenlängenbereich,
einer Ablenkeinheit (8), welche im Strahlengang von Messlaserstrahl (1 ) und Pilotlaserstrahl (2) angeordnet ist,
mit einer Steuereinheit (9), welche mit der Ablenkeinheit (8) verbunden ist, um den Messlaserstrahl (1 ) und den Pilotlaserstrahl (2) auf eine Mehrzahl von Messpunkten auf einem Messobjekt (16) zu richten,
einer I nterferometereinheit (5, 5‘), um den zumindest teilweise von dem Messobjekt (16) reflektierten und/oder gestreuten Messstrahl mit einem Re ferenzstrahl unter Ausbildung einer optischen I nterferenz auf einer Detektor fläche eines I nterferenz-Detektors (6) der Vorrichtung zu überlagern, wobei der I nterferenz-Detektor (6) mit der Steuereinheit (9) zur Auswertung von Schwingungsdaten verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, den Pilotlaserstrahl (2) abhängig von Steuerbefehlen mittels der Ablenkeinheit (8) auf einen Messpunkt zu richten,
in einem Korrekturschritt die Ablenkeinheit (8) anzusteuern, um eine Winkel abweichung (1 1 ) zwischen Pilotlaserstrahl (2) und Messlaserstrahl (1 ) zu kompensieren und nach Ausführen des Korrekturschritts eine Schwingungs messung an dem Messpunkt mittels des Messlaserstrahls (1 ) durchzuführen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung einen Detektor aufweist, welcher ausgebildet ist, so wohl einen Auftreffpunkt des Pilotlaserstrahls (2), als auch einen Auftreff- punkt des Messlaserstrahls (1 ) zu detektieren.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung einen Detektor für den Messlaserstrahl (1 ) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung zumindest eine Kamera (10) aufweist und
dass die Vorrichtung weiterhin eine Referenzfläche mit I R-
Wandlerfunktion aufweist, um die Strahlung des Messlaserstrahls (1 ) an dessen Auftreffpunkt auf der Referenzfläche in den sichtbaren Wellenlän genbereich zu überführen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, abhängig von Kamerabildern der Kamera (10) den Auftreffpunkt des Messlaserstrahls (1 ) und/oder des Pilot laserstrahls (2) zu einem Referenzpunkt nachzuführen.
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