DD156287B1 - Optoelektrische anordnung zur praezisionsfluchtung und geradheitsmessung - Google Patents

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Präzisionsfluchtung sowie der Geradheits- und Ebenheitsmessung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Unter den bekannten technischen Lösungen spielen bei der optischen Geradheitsmessung, bei der ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, das Geradheitsnormal bildet, Quadrantenphotoempfänger, Vollflächendioden sowie Dachkantprismen mit diskreten Photoelementen als Detektoren eine dominierende Rolle. Ihr Einsatz ist in vielen Fällen den meßtechnischen Anforderungen gut angepaßt und ermöglicht eine vollautomatische Durchführung der Messungen.

Die prinzipielle Funktionsweise dieser Anordnungen besteht in der optoelektrischen Bewertung der einzelnen Leistungsanteile, in die der Laserstrahl durch den Meßempfänger entsprechend ihrer relativen Lage zerlegt wird. Alle bekannten derartigen technischen Ausführungen besitzen den Nachteil, daß die Vorrichtung zur geometrischen Strahlteilung und die optoelektrischen Detektoren eine kompakte Einheit bilden (insbesondere bei Photoquadrantenempfängern und Vollflächendioden). In diesem Fall sind elektrische Kabelverbindungen zur Auswerteeinheit erforderlich, die sich in der Regel als hinderlich erweisen. Die Anforderungen derPraxis orientieren daher in erster Linie auf ein elektrisch verbindungsloses Element, das eine Geradheits- und Ebenhettsmessung in gleicher Weise gestattet.

Eine bekannte technische Lösung bildet in diesem Zusammenhang ein 90°-Spiegel bzw. 90°-Prisma, der bzw. das anstelle des Empfängers bei orthogonaler Verschiebung zu einem doppelten Versatz des gesamten reflektierten Strahls führt, der am Anfang des Verfahrensbereiches wiederum durch die bekannte optoelektrische Empfängereinheit gemessen wird. Eine derartige Anordnung besitzt den Nachteil, daß der vom Lichtstrahl durchlaufene Weg die doppelte Länge besitzt, was bei vorhandenen Strahldivergenzen zu größeren entfernungsabhängigen Fehlern führt. Darüber hinaus ist auf Grund auftretender Turbulenzen des durchstrahlten optischen Mediums bei doppelter Wegstrecke ebenfalls mit größeren Fehlern zu rechnen. In der DT-OS 2208004 wird eine Geradheitsmeßvorrichtung beschrieben, die unter Verwendung einer Schattenblende arbeitet, die als elektrisch verbindungsloses Element entsprechend ihrer relativen Lage zum Referenzstrahl einen Teil der Strahlleistung ausblendet. Die am Ende des Verfahrensbereiches gemessene Leistung ist der Verschiebung gegenüber dem Geradheitsnormal proportional. Diese Vorrichtung besitzt den Nachteil, daß nicht die gesamte Strahlleistung zur Auswertung genutzt wird, wodurch die Meßempfindlichkeit vermindert wird. Daneben ist in diesem Fall eine gleichzeitige Messung vertikaler und horizontaler Verschiebungen nicht möglich.

In der DT-AS 1673846 wird eine Anordnung beschrieben, deren Funktionsprinzip darin besteht, daß einem Laserstrahl mittels Phasenkonverter ein Intensitätsminimum aufgeprägt wird, das die Geradheitsreferenz bildet. Die Messung des relativen Abstands zum Referenznormal erfolgt mit einer einfachen Lochblende, indem ihr lageabhängiges Beugungsbild mit Hilfe von optoelektrischen Aufnehmern ausgewertet wird. Im Rahmen dieser Anordnung wird die Messung der orthogonalen Verschiebungen durch ein einfaches optisches Element, die Lochblende, realisiert. Das zugrunde liegende technische Prinzip beruht jedoch im Unterschied zu der in dieser Erfindung vorgeschlagenen Methode auf der Abtastung eines zentralen Intensitätsminimums. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß nur ein geringer Teil der Strahlleistung zur elektronischen Signalverarbeitung genutzt werden kann, so daß entweder eine hohe Gesarntstrahlleistung erforderlich ist oder hohe Anforderungen an die Photoelemente einschließlich Auswerteelektronik zu stellen sind.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer den Anforderungen der Praxis Rechnung tragenden Anordnung zur Präzisionsfluchtung und Geradheitsmessung, die einen Strahlteiler zur Messung orthogonaler Verschiebungen gegenüber dem Referenzstrahl verwendet, der keine elektrischen Verbindungen zur Auswerteeinheit besitzt, darüber hinaus die gesamte Strahlleistung zur Signalverarbeitung zum Empfänger leitet und die vom Referenzstrahl durchlaufene Luftstrecke auf ein Minimum reduziert.

-2-Darlegung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer Laserlichtquelle einschließlich zugehöriger Optik, die ein Geradheitsnormal festlegt, einem frei beweglichen Strahlteiler mit einer den Laserstrahlen und Koordinatenrichtungen entsprechenden Anzahl von optischen Kanten zur lageabhängigen geometrischen Strahlteilung, der entsprechend seiner Ausbildung eine räumliche oder physikalische Trennung der einzelnen Strahlanteile hervorruft und diese parallel an das Ende des Verfahrensbereiches führt, wo sich fest eingerichtete optische Mittel befinden, die eine Zuordnung und Fokussierung der einfallenden Lichtanteile auf Photoelemente realisieren, an die sich die bekannte elektronische Auswertung anschließt.

Die auf die einzelnen optischen Kanten des Strahlteilers fallenden Laserstrahlen erfahren entsprechend seiner relativen Lage zum Geradheitsnormal eine geometrische Teilung. Entsprechend der Ausbildung des optischen Strahlteilers werden die einzelnen Strahlanteile, die bereits an dieser Stelle in leistungsmäßig codierter Form die Information über die orthogonale Verschiebung gegenüber dem Referenznormal enthalten, durch optische Reflexion oder Brechung räumlich oder unter Verwendung polarisationsdrehender Mittel physikalisch getrennt.

Die weitere Ausbildung des Strahlteilers ist so beschaffen, daß die getrennten Teilstrahlen parallel an das Ende des Verfahrensbereiches gerichtet werden. Das geschieht vorzugsweise auf der Grundlage der optischen Brechung, indem die zur geometrischen Teilung und räumlichen Trennung geeigneten Dachkantprismen durch ähnliche Prismen mit bezüglich der Strahlrichtung entgegengesetzter Orientierung ergänzt werden, so daß jeder eingangsseitigen Prismenfläche eine parallele Austrittsfläche zugeordnet ist und jeder Teilstrahl somit einen Parallelversatz erfährt.

Die auf diese Weise parallel an das Ende des Verfahrensbereiches geführten Strahlanteile werden mittels der dort fest eingerichteten optischen Mittel, insbesondere Linsen, auf entsprechend zugeordnete Photoelemente fokussiert. Im Fall einer durch den Strahlteiler bewirkten polarisationsmäßigen Trennung der einzelnen Teilstrahlen laufen diese räumlich ineinander und sind daher am Ende des Verfahrensbereiches zunächst unter Verwendung eines Polarisationsteilers räumlich zu trennen. Die bekannten elektronischen Verstärker- und Verknüpfungsschaltungen liefern schließlich das lageproportionale Meßsignal. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß die Geradheitsmessung entlang des Verfahrensbereiches mit einem Strahlteiler durchgeführt werden kann, der keine unmittelbare elektrische Kopplung an die elektronische Auswerteeinheit besitzt. Darüber hinaus ist der Vorteil der Nutzung der Gesamtleistung zur elektronischen Verarbeitung gesichert. Die Forderung einer minimalen Distanz zwischen Strahlungsquelle und Meßempfänger wird erfüllt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an 5 Ausführungsbeispielen erläutert werden.

In Fig. 1 wird der Strahlteiler durch eine prismenförmige Ausbildung (1) realisiert. Die räumliche Trennung der durch geometrische Teilung an der optischen Kante entstandenen Teilstrahlen wird auf der Grundlage der Totalreflexion bewirkt. Die parallel an das Ende des Verfahrensbereiches geführten Teilstrahlen werden dort mittels fest eingerichteten Linsen (2) auf Photoelemente (3) fokussiert, worauf sich die bekannte elektronische Signalverarbeitung anschließt.

In Fig. 2 wird der Strahlteiler durch ein Dachkantprisma (4) mit einer entsprechenden symmetrischen Fortsetzung (5) erzeugt. Die geometrische Teilung sowie die Trennung durch Parallelversatz jedes Strahlanteils wird durch optische Brechung hervorgerufen,

Eine gleichzeitige Messung in 2 Koordinatenrichtungen kann in der Weise realisiert werden, indem an Stelle des eindimensionalen Prismas (4) ein zweidimensional Dachkantprisma (6) mit einer symmetrischen Ergänzung durch ein weiteres zweidimensionales Prisma (7) entgegengesetzter Orientierung Fig. 3 verwendet wird. Der auf das Dachkantprisma fallende Lichtstrahl wird in 4 Teilstrahlen zerlegt, von denen jeder einen Parallelversatz zur ursprünglichen Strahlrichtung erfährt und so räumlich getrennt am Ende des Verfahrensbereiches auf ein Photoelement fokussiert werden kann.

In Fig. 4 wird der Strahlteiler durch ein Material (8) realisiert, dessen Eigenschaft darin besteht, die Polarisationsebene des Lichtes um 90° zu drehen. Unter Verwendung eines linear polarisierten Laserstrahls wird der Teil des Lichtbündels, der durch das optisch aktive Material hindurchtritt, gegenüber dem anderen Teil in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedreht. Die auf diese Weise lageabhängig codierten Strahlleistungsanteile werden am Ende des Verfahrensbereiches unter Verwendung eines Polarisationsteilers (9) räumlich getrennt und einzeln auf Photoelemente fokussiert.

In Fig. 5 ist ein Strahlteiler (10) dargestellt, der im Fall eines durch 2 Laserstrahlen definierten Geradheitsnormals eine ' geometrische Teilung beider Strahlen hervorruft, die einzelnen Strahlanteile durch optische Brechung räumlich trennt und parallel versetzt. Jeweils 2 entsprechende Teilstrahlen können dabei räumlich zusammengeführt werden, so daß diese mittels einer Linse auf ein Photoelement fokussiert werden können.

Claims (4)

1. -1-Erfindungsanspnich:

   1. Optoelektrische Anordnung zur Präzisionsfluchtung und Geradheitsmessung, in der ein oder mehrere Licht- insbesondere Laserstrahlen, die eine Referenzgerade definieren, eine lageabhängige geometrische Teilung erfahren und bei der jeder Teilstrahl auf ein Photoelement fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler ein zwischen der Lichtquelle und den am Ende des Verfahrensbereiches fest eingerichteten Photoelementen frei beweglich angeordnetes optisches Element ist.
2. 2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlenteilende optische Element reflektierende Flächen sind.
3. 3. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlenteilende optische Element ein Prisma ist.
4. 4. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlenteilende optische Element ein optisch aktives Material ist.