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WO1992003698A1 - Vorrichtung zur erfassung der strahllage von laserstrahlen - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung der strahllage von laserstrahlen Download PDF

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WO1992003698A1
WO1992003698A1 PCT/DE1991/000654 DE9100654W WO9203698A1 WO 1992003698 A1 WO1992003698 A1 WO 1992003698A1 DE 9100654 W DE9100654 W DE 9100654W WO 9203698 A1 WO9203698 A1 WO 9203698A1
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WO
WIPO (PCT)
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laser
reference beam
mirror system
sensitive
measuring
Prior art date
Application number
PCT/DE1991/000654
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen THIEL
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO1992003698A1 publication Critical patent/WO1992003698A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/0018—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring key-ways

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting the beam position of laser beams, for example for straightness measurements with a laser, in which the laser beam impinges on a position-sensitive sensor, the output signal of which is applied to an evaluation unit that determines positional deviations with respect to the laser beam
  • the aim is to detect fluctuations in the beam position of the laser source in order to eliminate errors that arise due to beam position fluctuations.
  • Devices for straightness measurement which are also referred to as straightness measuring systems, are used, for example, in production measurement technology, where they are used to check the straightness of guides, traversing slides, movements of machine slides, robot movements etc. or for alignment measurements.
  • a known device for straightness measurement is the laser straightness meter from Vialog, Hanover.
  • the laser beam from a HeNe laser is used as a straightness reference, that is to say as an "optical ruler", and the offset to this beam is measured with the aid of a position-sensitive photodiode.
  • the photodiode is shifted in the laser beam direction and the point of impact of the beam on the photodiode is measured in one or two dimensions.
  • the outlay on equipment is great in order to reduce the deviations of the laser beam from the “straight line” below a value of a few micrometers / meters (um / m) hold.
  • the known device for straightness measurement is therefore comparatively complex and therefore expensive to manufacture.
  • a device for detecting the beam position is also known, for example, from the dissertation by E. Trapet "A contribution to reducing the measurement uncertainty of laser-based alignment measuring systems". Trapet describes in connection with possibilities of a beam position correction, among other things, a device for straightness measurement, in which the laser beam emanating from a position-stabilized laser head and aligned parallel to the direction of movement is first passed through a fixed beam splitter arranged at the beginning of the measuring section, to which a first reference detector is assigned. The beam entering the measuring section hits another beam splitter on the movable machine part, to which the measuring detector for the straightness measurement is assigned. The beam part running straight through the beam control of the movable machine part strikes a third detector at the end of the measuring section, namely the second reference detector.
  • a device for beam detection is known from the patent publication DE 34 00 151.
  • a device is described in which a partially transparent triple reflector is used on parts of the beam splitter on the movable machine part, with which the beam is positioned on the one hand at a position at the beginning of the measuring section Reference detector is reflected back, on the other hand runs through the partially transparent triple reflector and strikes a second reference detector attached to the end of the measuring section.
  • This arrangement has the advantage over the Trapet solution that pitching, yawing and rolling movements leave the measurement result unaffected by the use of the triple reflector, and in addition straightness deviations are displayed with a double parallel offset.
  • the invention is based on the object of specifying a device for beam position control, for measuring tasks which use a laser beam as a reference line, which detects beam position fluctuations of a laser beam and which are largely independent of disruptive influences caused by air turbulence and refractive index gradients
  • a device for beam position control for measuring tasks which use a laser beam as a reference line, which detects beam position fluctuations of a laser beam and which are largely independent of disruptive influences caused by air turbulence and refractive index gradients
  • the laser beam is split into two partial beams by a beam splitter, namely the actual useful laser beam and a reference beam.
  • two position-sensitive sensors which can be position-sensitive diodes, for example, measure the point at which the beam strikes at two different distances from the laser, so that beam position fluctuations are recognized and their size and direction determined can.
  • the reference branch should be as long as possible in order to obtain the largest possible correction signal. It is particularly preferred if the length of the reference beam path is in the order of the length of the useful beam path, which can be, for example, several meters. For this reason, the beam path is folded several times and shielded from external influences, so that changes in the point at which the laser beam strikes the position-sensitive sensors, which are not caused by beam position fluctuations, are small compared to the changes caused by beam position fluctuations.
  • the object of the invention can be achieved in that a beam splitter is arranged in the beam path of the laser beam, which splits the laser beam into the actual useful laser beam and a reference beam, and that another beam in the beam path of the reference beam or the useful beam
  • a beam splitter is provided with an associated first reference detector, which detects the beam position at the beginning of the reference path, and which has a mirror system in the beam path of the reference beam that folds the reference beam several times and a second position-sensitive sensor is provided after the mirror system, which the reference beam strikes; From the output signals of both position-sensitive sensors, the evaluation unit determines changes in position of the laser beam in space, with the knowledge of which the beam position in the useful branch can be corrected.
  • each laser beam is subject to parallel shifts on the one hand and changes in direction on the other hand, the latter being in the range of typically 10 ⁇ rad.
  • the position of the laser beam at a distance of one meter in a plane perpendicular to the beam direction can already fluctuate by ⁇ 10 ⁇ m relative to the ideal reference.
  • Beam position fluctuations taking into account the distance between laser and position-sensitive sensor in the useful branch, the position of the laser beam in the room can be corrected by calculation.
  • the design according to the invention makes it possible to keep the (corrected) beam position fluctuation of the laser in the order of magnitude of 1 ⁇ m / m even with commercially available lasers and even with semiconductor lasers.
  • an arrangement according to claim 1 has the disadvantage that beam position correction is only sensibly possible if the stability of the reference path is guaranteed, in particular the stability of the mirror path with respect to tilting of the mirrors with respect to one another.
  • a further optical element is provided in the reference beam path, which The reference beam is split into two beams, with the original reference beam remaining unchanged in its direction, for example, and the second reference beam striking the mirror system at an angle different from the original reference beam, and a third position-sensitive reference detector is provided after the mirror system, the output signal of which is used to tilt the Mirror to each other.
  • the mirror system is largely independent of mechanical or thermal influences.
  • a further embodiment, in which the mirror system is attached to a base part, which can also carry the laser, and which consists of a material with a small coefficient of thermal expansion - for example Zerodur, Invar or a fiber composite material - has the advantage that changes in the impact of the Laser beam on the position sensitive sensor that is not from
  • the modulation of the laser light significantly reduces interference from light, particularly when working with light in the visible range, which can also be emitted by semiconductor lasers, for example.
  • the mirror system can have two mirrors, each of which the reference beam strikes several times.
  • This design not only provides a simple structure, but also a structure that is largely free of interferences, such as those caused by thermal expansion, shocks, etc.
  • the laser / position-sensitive sensor distance in addition to the (known) laser / position-sensitive reference sensor distances, it is also necessary to know the laser / position-sensitive sensor distance in the measuring branch, which is generally variable. Therefore, in a further development, a distance measuring system is provided, which measures the distance between the laser and the position-sensitive (measuring) sensor, and whose output signal is applied to the evaluation unit, which determines the beam position fluctuations occurring at the respective location of the position-sensitive sensor.
  • This distance measuring system can in particular be an ultrasonic measuring system in which the ultrasonic transmitter is connected to the base part, for example, and the ultrasonic receiver is connected to the position-sensitive (measuring) sensor.
  • Fig. 1 shows the structure of a device for detecting the
  • Fig. 2 is a block diagram of an evaluation unit. Description of an embodiment
  • FIG. 1 shows the structure of a device according to the invention for detecting the beam position of laser beams, in which the laser beam is split into a reference beam R and a measuring beam M with the aid of a beam splitter BS1.
  • the reference beam R is with the help of a
  • Beam splitter BS2 split into the reference beams R1 and R2.
  • the reference beam R1 strikes a position- sensitive photodiode PSD Ref1 .
  • the reference beam R2 (dashed) is folded several times by two mirrors S1 and S2 and strikes a position- sensitive photodiode PSD Ref2 , which, like PSD Ref1, registers the deviation of the beam beam from the central position, so that beam position fluctuations of the laser beam in the reference beam branch can be detected.
  • the virtual position of the two reference photodiodes is shown in dashed lines in FIG.
  • the penetration points of the laser beam on these fixed reference detectors define the position of the straight lines spanned by the laser beam in space and can be described by the following formula, where x p , y p for the
  • the measuring beam M strikes a measuring photodiode PSD measuring which on the one hand registers the straightness deviation to be measured and on the other hand also the beam position fluctuations.
  • a measuring photodiode PSD measuring which on the one hand registers the straightness deviation to be measured and on the other hand also the beam position fluctuations.
  • y o ⁇ y 2 ⁇ z M -z 1 ) + y 1 (z 2 -z M ) ⁇ / (z 2 -z 1 )
  • the distance of the measuring detector from this zero point must also be known, since a change in direction of the beam has a greater effect at a greater distance than at a smaller one.
  • the reference branch R with the mirrors S1 and S2 is housed in a stable, closed housing G, which preferably a mounting plate made of a material with a low coefficient of thermal expansion, such as. B. Zerodur, Invar or fiber composite material.
  • the reference beam R2 can be used, for example, with the aid of a beam splitter BS3 (Fig. 1) are divided such that the original reference beam R2 remains unchanged in its direction (dashed beam) and the other beam is reflected perpendicular to the plane of the drawing and deflected with a prism or mirror so that it is at a different angle to R2 strikes the mirror system (solid beam) so that fewer reflections take place.
  • the planes of both beams are (not necessary) preferably parallel.
  • This beam strikes a third position- sensitive reference detector PSD Ref3 , which registers the point of impact of the beam.
  • the ultrasound signal and the signals of the reference diodes and the measuring diode are simultaneously recorded, amplified and, after A / D conversion by an A / D converter, processed digitally by means of a computer, which can be, for example, a commercially available microcomputer.
  • the computer determines the correction value, determines the straightness deviation in the usual way and creates a measurement report etc.
  • the invention has the advantage, on the one hand, that with the correction of the beam position of the laser described above, it is possible to advance into the accuracy class of 1 ⁇ m, while known devices working with lasers have beam direction deviations of 10 ⁇ rad, ie 10 ⁇ m / m. Beam position fluctuations are thereby corrected, so that the accuracy of the measuring system only depends on the accuracy of the position-sensitive photodiode or the electronic circuit and additionally is independent of the measuring distance.
  • the device according to the invention is significantly cheaper, more compact and more robust than current measuring systems.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen, beispielsweise zur Geradheitsmessung, mit einem Laser, dessen Laserstrahl auf einem positionsempfindlichen Sensor PSD auftrifft, dessen Ausgangssignal an eine Auswerteeinheit angelegt ist, die Lageabweichungen in bezug auf den Laserstrahl ermittelt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß im Strahlengang des Laserstrahls ein Strahlteiler (RS1) angeordnet ist, der den Laserstrahl in den eigentlichen Meß-Laserstrahl (M) und einen Referenzstrahl (R) aufspaltet, daß im Strahlengang des Referenzstrahles ein Spiegelsystem (S1, S2), das den Referenzstrahl mehrfach faltet, und nach dem Spiegelsystem ein zweiter positionsempfindlicher Sensor (PSD) vorgesehen sind, auf den der Referenzstrahl auftrifft, und aus dessen Ausgangssignal die Auswerteeinheit Richtungsänderungen des Laserstrahls im Raum ermittelt, mit deren Kenntnis die Strahllage im Nutzzweig korrigiert wird.

Description

Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen, beispielsweise für Geradheitsmessungen mit einem Laser, bei denen der Laserstrahl auf einen positionsempfindlichen Sensor auftrifft, dessen Ausgangssignal an eine Auswerteeinheit angelegt ist, die Lageabweichungen in Bezug auf den Laserstrahl ermittelt, mit dem Ziel, Strahllageschwankungen der Laserquelle zu erfassen um somit di- aufgrund von Strahllageschwankungen entstehenden Fehler zu eliminieren.
Stand der Technik
Vorrichtungen zur Geradheitsmessung, die auch als Geradheitsmeßsysteme bezeichnet werden, werden beispielsweise in der Fertigungs-Meßtechnik eingesetzt, wo sie zur Überprüfung der Geradlinigkeit von Führungen, Verfahrschlitten, Bewegungen von Maschinenschlitten, Roboterbewegungen etc. bzw. für Fluchtungsmessungen dienen.
Eine bekannte Vorrichtung zur Geradheitsmessung ist der Lasergeradheitsmesser der Fa. Vialog, Hannover. Bei dieser Vorrichtung zur Geradheitsmessung wird der Laserstrahl eines HeNe-Lasers als Geradheitsreferenz, also sozusagen als "optisches Lineal" benutzt und die Ablage zu diesem Strahl mit Hilfe einer positionsempfindlichen Photodiode gemessen. Die Photodiode wird dabei in Laserstrahlrichtung verschoben und der Auftreffort des Strahles auf der Photodiode ein- oder zweidimensional gemessen. Da die RichtungsStabilität des Laserstrahls von der mechanischen Stabilität der Laserröhre und der Lage der Resonatorspiegel zueinander abhängig ist, ist der apparative Aufwand groß, um die Abweichungen des Laserstrahls von der "Sollgeraden" unterhalb eines Wertes von wenigen Mikrometern/Meter (um/m) zu halten. Hierzu ist es u.a. erforderlich, spezielle Laser einzusetzen, die beispielsweise aus einem Stück Zerodur gefertigte Resonatorspiegelträger aufweisen. Damit ist die bekannte Vorrichtung zur Geradheitsmessung vergleichsweise aufwendig und damit teuer in der Herstellung.
Eine Vorrichtung zur Strahllageerfassung ist ferner beispielsweise aus der Dissertationsschrift von E. Trapet "Ein Beitrag zur Verringerung der Meßunsicherheit von Fluchtungsmeßsystemen auf Laserbasis" bekannt. Trapet schildert im Zusammenhang mit Möglichkeiten einer Strahllagekorrektur unter anderem eine Einrichtung zur Geradheitsmessung, bei dem der von einem lagestabilisierten Laserkopf ausgehende parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichtete Laserstrahl zunächst durch einen zu Beginn der Meßstrecke angeordneten ortsfesten Strahlteiler geleitet wird, dem ein erster Referenzdetektor zugeordnet ist. Der in die Meßstrecke einlaufende Strahl trifft auf dem beweglichen Maschinenteil auf einen weiteren Strahlteiler, dem der Meßdetektor für die Geradheitsmessung zugeordnet ist. Der geradlinig durch den Strahlteuer des beweglichen Maschinenteils hindurchlaufende Strahlteil trifft am Ende der Meßstrecke auf einen dritten Detektor, und zwar den zweiten Referenzdetektor. Mit einer derartigen Einrichtung zur Geradheitsmessung lassen sich zwar schon zuverlässigere Aussagen als ohne Strahllagekorrektur machen, jedoch weist diese bekannte Vorrichtung einige gravierende Nachteile auf, die die Meßunsicherheit entscheidend beeinflus sen. Nachteilig ist zum einen, daß Nick-, Gier- und Rollbewegungen des beweglichen Maschinenteils mit in das Meßergebnis der Geradheitsmessung eingehen und dieses entsprechend verfälschen.
Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Strahliageerfassung aus der Patentveröffentlichung DE 34 00 151 bekannt, In dieser Druckschrift ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der ansteile des Strahlteilers auf dem beweglichen Maschinenteil ein teildurchlässigen Tripelreflektor verwendet wird, mit dem der Strahl einerseits zu einem am Beginn der Meßstrecke positionierten Referenzdetektor zurückreflektiert wird, andererseits durch den teildurchlässigen Tripelreflektor hindurchläuft und auf einen am Ende der Meßstrecke angebrachten zweiten Referenzdetektor trifft. Diese Anordnung besitzt gegenüber der Trapet'schen Lösung den Vorteil, daß Nick-, Gier- und Rollbewegungen durch die Verwendung des Tripelreflektors das Meßergebnis unberührt lassen, und zudem Geradheitsabweichungen mit doppeltem Parallelversatz angezeigt werden.
Diese Vorrichtung hat jedoch genau wie die Trapet'sche Anordnung enorme Nachteile im praktischen Einsatz, die Strahllageschwan-kungen aufgrund von Brechungsindexschwankungen der Luft (Turbulenzen) sowie aufgrund von Brechungsindesgradienten der Luft senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung betreffen. Es hat sich nämlich gezeigt, wie aus der Dissertation von H. Schüßler "Die Eignung von Laser-Strahl und photoelektrischen Detektoren zur Messung der Abweichung der Geradlinigkeit und Ebenheit im Maschinenbau" hervorgeht, daß ein Brechungsindexgradient, der beispielsweise durch einen Temperaturgradienten von 1 Grad pro Meter hervorgerufen wird, eine Änderung der Strahliage von 0,5 um multipliziert mit dem Quadrat der von dem La serstrahl durchlaufenden Luftstrecke (in Metern) verursacht. Das bedeutet beispielsweise für eine Luftstrecke von 5m eine Strahlabweichung von 12,5 um, bzw. für eine Lufstrecke von 10m eine Strahlabweichung von 50 um von der idealen Geraden. Da bei Trapet sowie bei Schüßler der zweite Referenzdetektor am Ende der Meßstrecke -positioniert ist, wirken sich Strahllageschwankungen aufgrund von Luftturbulenzen sowie aufgrund von Brechungsindexgradienten in jedem Fall voll auf die Meßergebnisse der ReferenzStrecke aus. Da bei Schüßler ein Tripelreflektcr auf dem beweglichen Maschinenteil Verwendung findet, der den
Strahl parallel zu sich selbst zurückreflektiert, verdoppelt sich hierbei die Länge der Meßstrecke, wodurch sich aber ebenso die Fehler aufgrund von Turbulenzen verdoppeln, die Fehler aufgrund von Brechungsindexgradienten sogar vervierfachen. Ein weiterer Nachteil beider obengenannter Verfahren in praktischer Hinsicht ist, daß für den Fall, daß der Raum hinter dem Meßdetektor für einen zweiten Referenzdetektor nicht zugänglich ist, weil er beispielsweise durch die Maschine selbst abgedeckt ist, keine Strahllagekontrolle durchgeführt werden kann. Ein weiterer Nachteil des großen Abstandes zu dem zweiten Referenzdetektor ist, daß Ver-biegungen des Maschinenteils welches den zweiten Referenzdetektor trägt, beispielsweise unter Last, durch thermische Einflüsse oder Schwingungen, ebenso voll in die Meßwerte eingehen.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Strahllagekontrolle, für Meßaufgaben die einen Laserstrahl als Bezugsgerade benutzen, anzugeben, die Strahllageschwankungen eines Laserstrahles erfaßt und die weitgehend unabhängig von störenden Einflüssen, hervorgerufen durch Luftturbulenzen und Brechungsindexgradienten Erfindungsgemäß wird deshalb nicht versucht, den Laserstrahl mit aufwendigen Maßnahmen bezüglich seiner Richtung zu stabilisieren; vielmehr werden die bei herkömlichen Lasern auftretenden RichtungsSchwankungen des Laserstrahls hingenommen und gemessen und mit den Meßwerten die Strahllage rechnerisch korrigiert. Hierzu wird der Laserstrahl durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen, nämlich den eigentlichen Nutz-Laserstrahl und einen Referenzstrahl aufgespalten.
In dem stationären Referenzzweig, der vorzugsweise vor äußeren Lufteinflüssen gekapselt ist, messen zwei positionsempfindliche Sensoren, die beispielsweise positionsempfindliche Dioden sein können, den Auftreffort des Strahles in zwei in Bezug auf den Laser unterschiedlichen Entfernungen, so daß Strahllageschwankungen erkannt und ihre Größe und Richtung bestimmt werden können.
Da sich Strahllageschwankungen in einem größeren Abstand vom Laser stärker auswirken, sollte der Referenzzweig möglichst lang sein, um ein möglichst großes Korrektursignal zu erhalten. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Länge des Referenz-Strahlengangs in der Größenordnung der Länge des Nutz-Strahlengangs liegt, die beispielsweise mehrere Meter betragen kann. Aus diesem Grunde wird der Strahlengang mehrfach gefaltet und von äußeren Einflüssen abgeschirmt, so daß Änderungen des Auftrefforts des Laserstrahls auf den positionsempfindlichen Sensoren, die nicht von Strahllageschwankungen verursacht werden, verglichen mit den durch Strahllageschwankungen hervorgerufenen Änderungen klein sind.
Da sich Strahllageschwankungen im Referenzzweig genauso wie im Nutzzweig auswirken, kann mit den so ermittelten ist, und mit möglichst geringem Platzbedarf eine dennoch hohe Auflösung bietet.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Überraschender Weise kann die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe dadurch gelöst werden, daß im Strahlengang des Laserstrahls ein Strahlteiler angeordnet ist, der den Laserstrahl in den eigentlichen Nutz-Laserstrahl und einen Referenzstrahl aufspaltet, und daß im Strahlengang des Referenzstrahles oder des Nutzstrahles ein weiterer
Strkhlteiler mit einem zugehörigen ersten Referenzdetektor vorgesehen ist, der die Strahllage zu Beginn der Referenzstrecke erfaßt, und das im Strahlengang des Referenzstrahles ein Spiegelsystem, das den Referenzstrahl mehrfach faltet, und nach dem Spiegelsystem ein zweiter positionsempfindlicher Sensor vorgesehen sind, auf den der Referenzstrahl auftrifft; aus den Ausgangssignalen beider positionsempfindlicher Sensoren ermittelt die Auswerteeinheit Lageänderungen des Laserstrahls im Raum, mit deren Kenntnis die Strahllage im Nutzzweig korrigiert werden kann.
Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, daß jeder Laserstrahl einerseits Parallelverschiebungen und andererseits Richtungsänderungen unterworfen ist, wobei letztere im Bereich von typischerweise 10 μrad liegen. Dies bedeutet, daß die Position des Laserstrahls in einem Abstand von einem Meter in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung bereits um ±10 um relativ zur idealen Referenz schwanken kann. Strahllageschwankungen unter Berücksichtigung des Abstandes Laser/positionsempfindlicher Sensor im Nutzzweig rechnerisch die Position des Laserstrahls im Raum korrigiert werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es möglich, auch mit handelsüblichen Lasern und sogar mit Halbleiterlasern die (korrigierte) Strahllageschwankung des Lasers in der Größenordnung von 1 um/m zu halten.
Eine Anordnung gemäß dem Anspruch 1 besitzt jedoch den Nachteil, daß eine Strahllagekorrektur nur dann sinvoll möglich ist, wenn die Stabilität der Referenzstrecke gewährleistet ist, insbesondere die Stabilität der Spiegelstrecke gegenüber Verkippungen der Spiegel zueinander. Bei einer Weiterbildung ist deshalb im Referenzstrahlengang ein weiteres optisches Element vorgesehen, welches den. Referenzstrahl in zwei Strahlen aufspaltet, wobei der ursprüngliche Referenzstrahl in seiner Richtung beispielsweise unverändert bleibt und der zweite Referenzstrahl in einem zum ursprünglichen Referenzstrahl unterschiedlichen Winkel auf das Spiegelsystem auftrifft und nach dem Spiegelsystem ein dritter positionsempfindlicher Referenzdetektor vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal dazu benutzt wird, Verkippungen der Spiegel zueinander festzustellen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß Verkippungen zweier Spiegel zueinander, zwischen denen ein Lichtstrahl mehrfach reflektiert wird, eine Auswirkung bezüglich der Richtung des einfallenden Strahles zur Folge hat, die näherungsweise quadratisch mit der Anzahl der Reflexionen auf einem der Spiegel anwächst. Wählt man beispielsweise die Anzahl der Reflexionen beider Referenzstrahlen in dem Spiegelsystem so, daß der eine Referenzstrahl doppelt so lang ist wie der des anderen, können Strahllageschwankungen von Spiegelverkippungen unterschieden werden, da das Verhältnis der Ausgangssignale der Referenzdetektoren beider Referenzstrecken bei Strahllageschwankungen des Lasers gerade näherungsweise 2 aufgrund des Faktors 2 in der Länge der Strecken ist, und bei Spiegelverkippungen gerade näherungsweise 4 ist, aufgrund der näherungsweise quadratischen Auswirkung bei der doppelten Anzahl von Reflexionen. Mit einer derartigen Anordnung zur Überprüfung der Stabilität der Spiegelstrecke mit einem zusätzlichen optischen Element, welches beispielsweise ein Strahlteiler mit einem Prisma oder ein Wollastonprisma oder aber ein anderes strahlaufspaltendes Element sein kann, wird eine weitgehende Unabhängigkeit des Spiegelsystems von mechanischen oder thermischen Einflüssen gewährleistet.
Eine weitere Ausbildung, bei der das Spiegelsystem an einem Grundteil angebracht ist, das auch den Laser tragen kann, und das aus einem Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten -beispielsweise Zerodur, Invar oder einem Faserverbundwerkstoff besteht - hat den Vorteil, daß Änderungen des Auftrefforts des Laserstrahls auf dem positionsempfindlichen Sensor , die nicht von
StrahllageSchwankungen verursacht werden, minimiert sind. Die Modulation des Laserlichts reduziert insbesondere dann, wenn mit Licht im sichtbaren Bereich, das beispielsweise auch von Halbleiterlasern emittiert werden kann, gearbeitet wird, Stδrlichteinflüsse wesentlich.
Weiterhin kann das Spiegelsystem zwei Spiegel aufweisen, auf die der Referenzstrahl jeweils mehrfach auftrifft. Durch diese Ausbildung erhält man nicht nur einen einfachen Aufbau, sondern auch einen Aufbau, der weitgehend frei von Störeinflüssen ist, wie sie durch thermische Ausdehungen, Stöße etc. hervorgerufen werden. Wie bereits ausgeführt, ist für die rechnerische Korrektur der Strahllageschwankungen für Geradheitsmessungen neben den (bekannten) Abständen Laser/positionsempfindliche Referenzsensoren auch die Kenntnis des Abstandes Laser /positionsempfindlicher Sensor im Meßzweig erforderlich, der in der Regel variabel ist. Deshalb ist bei einer Weiterbildung ein Entfernungs-Meßsystem vorgesehen, das den Abstand zwischen dem Laser und dem positionsempfindlichen (Meß) -Sensor mißt, und dessen Ausgangssignal an die Auswerteeinheit angelegt ist, die die am jeweiligen Ort des positionsempfindlichen Sensors auftretenden Strahllageschwankungen ermittelt. Diese Entfernungs-Meßsystem kann insbesondere ein Ultraschall-Meßsystem sein, bei dem der Ultraschall-Sender beispielsweise mit dem Grundteil und der Ultraschall-Empfänger mit dem positionsempfindlichen (Meß) -Sensor verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau einer Vorrichtung zur Erfassung der
Strahllage von Laserstrahlen für die Applikation einer Geradheitsmessung, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinheit. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen, bei der der Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers BS1 in einen Referenzstrahl R und einen Meßstrahl M aufgespalten wird. Der Referenzstrahl R wird mit Hilfe eines
Strahlteilers BS2 in die Referenzstrahlen R1 und R2 aufgespalten. Der Referenzstrahl R1 trifft auf eine positionsempfindliche Photodiode PSDRef1 auf. Der Referenzstrahl R2 (gestrichelt) wird von zwei Spiegeln S1 und S2 mehrfach gefaltet und trifft auf eine positionsempfindliche Photodiode PSDRef2 auf, die ebenso wie PSDRef1 die Abweichung der Strahliage von der Mittellage registriert, so daß Strahllageschwankungen des Laserstrahls im ReferenzstrahlZweig erfaßt werden können.
In Figur 1 ist zum besseren Verständnis die virtuelle Lage der beiden Referenzphotodioden gestrichelt eingezeichnet. Die Durchstoßpunkte des Laserstrahles auf diesen ortsfesten Referenzdetektoren definieren die Lage der von dem Laserstrahl aufgespannten Geraden im Raum und können durch folgende Formel beschrieben werden, wobei xp, yp für den
Parallelversatz und α , α für eine Winkelanderung stehen: xi = xp + tan(αx) * zi
Yi = yp + tan(αy) * zi
Der Meßstrahl M trifft auf eine Meßphotodiode PSDMeß auf, die einerseits die zu messende Geradheitsabweichung und andererseits ebenfalls die Strahllageschwankungen registriert. Mit Hilfe der bekannten Abstände z 1 und z2 der Referenzdetektoren ergeben sich Änderungen des Auftreffortes xo-Yo auf die Meßphotodiode PSD n aufgrund von Strahilage- schwankungen nach folgender Formel: xo = {X2(zM-z1) + x1(z2-zM)} 7 (z2-z1)
yo = {y2 { zM-z1) + y1(z2-zM)} / (z2-z1)
Weicht der gemessene Wert xMeß,YMeß von dem berechneten
Wert xo,yo ab, so ist dies auf eine Verschiebung der Meßphotodiode PSDMeß senkrecht zum Laserstrahl S zurückzuführen und stellt die zu messende Abweichung x,y von der Sollgeraden dar: x = xMeß - xo
y = yMeß - yo
Wie bereits erwähnt, muß für die Korrektur neben den konstanten Abständen der Referenzdektoren von einem beliebigen Nullpunkt auch der Abstand des Meßdetektors von diesem Nullpunkt bekannt sein, da sich eine Richtungsänderung des Strahls in einer größeren Entfernung stärker auswirkt als in einer kleineren.
Die Genauigkeit der Korrektur ist stark von der Strahlfaltiung im Referenzzweig abhängig. Deshalb wird der Referenzzweig R mit den Spiegeln S1 und S2 in einem stabilen, geschlossenen Gehäuse G untergebracht, das bevorzugt eine Montageplatte aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Zerodur, Invar oder Faserverbundwerkstoff aufweist.
Zur Erfassung von Spiegelverkippungen kann der Referenzstrahl R2 beispielsweise mit Hilfe eines Strahlteilers BS3 (Fig. 1) derart aufgeteilt werden, daß der ursprüngliche Referenzstrahl R2 in seiner Richtung unverändert bleibt (gestrichelter Strahl) und der andere Teilstrahl senkrecht zur Zeichenebene herausgespiegelt wird und mit einem Prisma oder Spiegel derart umgelenkt wird, daß er unter einem zu R2 unterschiedlichen Winkel auf das Spiegelaystem auftrifft (durchgezogener Strahl), so daß weniger Reflexionen stattfinden. Die Ebenen beider Strahlen sind dabei (nicht notwendig) vorzugsweise parallel. Dieser Strahl trifft auf einen dritten positionsempfindlichen Referenzdetektor PSDRef3, der den Auftreffort des Strahles registriert. Wie bereits oben erwähnt, lassen sich aus den Meßwerten der drei Referenzdetektoren Spiegelverkippungen von Strahliageänderungen eindeutig unterscheiden, so daß die Vorrichtung weitgehend unabhängig von Spiegelverkippungen ist.
Für die Applikation der Geradheitsmessung werden das Ultraschallsignal sowie die Signale der Referenzdioden und der Meßdiode gleichzeitig aufgenommen, verstärkt und nach A/D-Wandlung durch einen A/D-Wandler digital mittels eines Rechners, der beispielsweise ein handelsüblicher Mikrocomputer sein kann, verarbeitet. Der Rechner bestimmt den Korrekturwert, ermittelt die Geradheitsabweichung in der üblichen Weise und erstellt ein Meßprotokoll etc.
Die Erfindung hat zum einen den Vorteil, daß es mit der vorstehend beschriebenen Korrektur der Strahllage des Lasers möglich ist, in die Genauigkeitsklasse von 1 um vorzustoßen,, während bekannte mit Lasern arbeitende Vorrichtungen Strahlrichtungsabweichungen von 10 μrad, d.h. 10 μm/m aufweisen. Strahllageschwankungen werden dadurch korrigiert, so daß die Genauigkeit des Meßsystems nur noch von der Genauigkeit der positionsempfindlichen Photodiode bzw. der elektronischen Schaltung abhängt und zusätzlich unabhängig von der Meßentfernung ist. Zum anderen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung deutlich preiswerter, kompakter und robuster als derzeitige Meßsysteme.

Claims

P a t e n a n s p ü c h e
1. Vorrichtung zur Erfassung von Laserstrahlen mit folgenden Merkmalen:
- im Strahlengang eines Laserstrahls ist ein Strahlteiler angeordnet, der den Laserstrahl in den eigentlichen Nutzstrahl und einen Referenzstrahl aufspaltet,
- im Strahlengang des Referenzstrahles oder des Nutzstrahles sind ein weiterer Strahlteiler und nachfolgend ein positionsempfindlicher Sensor vorgesehen sind, auf den der Laserstrahl auftrifft,
- im Strahlengang des Referenzstrahles sind ein Spiegelsy-stem, das den Referenzstrahl mehrfach faltet, und nach dem Spiegelsystem ein zweiter positionsempfindlicher Sensor vorgesehen, auf den der Referenzstrahl auftrifft, und aus dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten positionsempfindlichen Sensors die Auswerteeinheit Richtungsänderungen bzw. Paralleländerungen des Laserstrahls im Raum ermittelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Referenzstrahles ein weiteres optisches Element vorgesehen ist, welches den ursprünglichen Referenzstrahl in mindestens zwei Referenzstrahlen aufspaltet die in einem unterschiedlichen Winkel auf das Spiegelsystem und anschließend jeweils auf einen zugeordneten positionsempfindlichen Sensor auftreffen, und aus dessen Ausgangssignalen Änderungen der Auftrefforte des Laserstrahles durch Strahllageänderungen oder durch Verkippung der Spiegel des Spiegelsystems ursächlich voneinander separiert werden können.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Referenzstrahlen unter gleichem Winkel auf das Spiegelsystem auftreffen, daß jedoch einer der beiden Spiegel in der Ebene eines Referenzstrahles kürzer ausgebildet ist, so daß dort weniger Reflexionen als in der Ebene des anderen ReferenzStrahles stattfinden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,
dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element vor dem Spiegelsystem ein Strahlteiler ist, der einen Teil des Laserstrahles senkrecht zv der Ebene des ursprünglichen Referenzstrahles ablenkt, und daß nachfolgend ein 90°- Prisma oder ein Spiegel vorgesehen ist, das den Strahl vorzugsweise in eine zum ursprünglichen Referenzstrahl parallele Ebene umlenkt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element vor dem Spiegelsystem aus einem Polarisationsfilter und einem Wollaston-Prisma besteht, so daß der Referenzstrahl in zwei Strahlen mit einem vom Wollaston-Prisma abhängigen Winkel aufgespaltet wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ,
dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem in einem geschlossenen Gehäuse an einem Grundteil angebracht ist, das auch den Laser trägt, und das aus einem Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 ,
dadurch gekennzeichnet, daß Material Zerodur oder Invar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Halbleiterlaser ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ,
dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht moduliert ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindlichen Sensoren positionsempfindliche Dioden sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem zwei Spiegel aufweist, auf die der Referenzstrahl jeweils mehrfach auftrifft.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der längere Referenzstrahl etwa doppelt so lang wie der kürzere Referenzstrahl ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Referenz-Strahlengangs in der Größenordnung der Länge des Meß-Strahlengangs liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Referenz-Strahlengangs mehrere Meter beträgt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entfernungs-Meßsystem vorgesehen ist, das den Abstand zwischen dem Laser und dem positionsempfindlichen (Meß)-Sensor mißt, und dessen Aus gangssignal an die Auswerteeinheit angelegt ist, die die am jeweiligen Ort des positionsempfindlichen Sensors auftretenden Strahllageschwankungen ermittelt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernungs-Meßsystem ein
Ultraschall-Meßsystem ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Sender mit dem Grundteil und der Ultraschall-Empfänger mit dem positionsempfindlichen (Meß)-Sensor verbunden ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert der Auswerteeinheit dazu benutzt wird, den Laserstrahl mittels optischer Elemente, mit Mitteln der Optronik oder aber den Laser selbst mit elektronisch angesteuerten Justageeinheiten bezüglich seiner Lage und Richtung im Raum nachzuführen.
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