+

WO1992003698A1 - Device for detecting the position of laser beams - Google Patents

Device for detecting the position of laser beams Download PDF

Info

Publication number
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
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
reference beam
mirror system
sensitive
measuring
Prior art date
Application number
PCT/DE1991/000654
Other languages
German (de)
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/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/0018Measuring 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.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

The description relates to a device for detecting the position of laser beams, e.g. for straightness measurement with a laser, the beam of which impinges on a position-sensitive sensor, the output signal from which is applied to an evaluation unit which determines position deviations in relation to the laser beam. The feature of the invention is that in the path of the laser beam there is a beam divider (RS1) which splits the laser beam into the actual measuring beam (M) and a reference beam (R), there are in the path of the reference beam a mirror system (S1, S2) which multiply deflects the reference beam and, downstream thereof, a second position-sensitive sensor (PSD) on which the reference beam impinges and from the output signal of which the evaluation unit detects spatial directional changes in the laser beam and with that knowledge the position of the beam in the useful branch is corrected.

Description

Vorrichtung zur Erfassung der Strahllage von Laserstrahlen  Device for detecting the beam position of laser beams
B e s c h r e i b u n g Description
Technisches Gebiet Technical field
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.  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.
Stand der Technik State of the art
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.  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.
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. A known device for straightness measurement is the laser straightness meter from Vialog, Hanover. In this device for straightness measurement, 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. Since the directional stability of the laser beam depends on the mechanical stability of the laser tube and the position of the resonator mirrors with respect to one another, 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. For this purpose, it is necessary, among other things, to use special lasers which, for example, have resonator mirror carriers made from a piece of Zerodur. The known device for straightness measurement is therefore comparatively complex and therefore expensive to manufacture.
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. 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. With such a device for straightness measurement it is possible to make more reliable statements than without beam position correction, but this known device has some serious disadvantages which have a decisive influence on the measurement uncertainty sen. On the one hand, it is disadvantageous that pitching, yawing and rolling movements of the movable machine part are included in the measurement result of the straightness measurement and falsify it accordingly.
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. Furthermore, a device for beam detection is known from the patent publication DE 34 00 151. In this publication, 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.
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 However, just like the Trapetian arrangement, this device has enormous disadvantages in practical use, which affect beam position fluctuations due to fluctuations in the refractive index of the air (turbulence) and due to refractive index gradients of the air perpendicular to the direction of beam propagation. It has been shown that from the dissertation by H. Schüßler "The Suitability of Laser Beam and Photoelectric Detectors for Measuring the Deviation of Straightness and Flatness in Mechanical Engineering" it follows that a refractive index gradient, which can be caused, for example, by a temperature gradient of 1 degree per Meters, a change in beam radiation of 0.5 µm multiplied by the square of that of the La air gap (in meters). This means, for example, a beam deviation of 12.5 µm for an air distance of 5 m, or a beam deviation of 50 µm for the air line of 10 m from the ideal straight line. Since the second reference detector is positioned at the end of the measuring section in both Trapet and Schüßler, beam position fluctuations due to air turbulence and due to refractive index gradients have a full effect on the measuring results of the reference section. Since Schüßler uses a triple reflector on the moving machine part, the
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. When the beam is reflected back parallel to itself, the length of the measuring section doubles, but this also doubles the errors due to turbulence, which even quadruples the errors due to refractive index gradients. A further disadvantage of both of the above-mentioned methods in practical terms is that in the event that the space behind the measuring detector is not accessible to a second reference detector because it is covered, for example, by the machine itself, no beam position control can be carried out. Another disadvantage of the large distance from the second reference detector is that deflections of the machine part which carries the second reference detector, for example under load, due to thermal influences or vibrations, are also fully included in the measured values.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
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. 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 According to the invention, therefore, no attempt is made to stabilize the laser beam with complex measures with regard to its direction; rather, the directional fluctuations of the laser beam that occur in conventional lasers are accepted and measured, and the beam position is corrected arithmetically with the measured values. For this purpose, the laser beam is split into two partial beams by a beam splitter, namely the actual useful laser beam and a reference beam.
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. In the stationary reference branch, which is preferably encapsulated from external air influences, 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.
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. Since beam position fluctuations have a greater effect at a greater distance from the laser, 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.
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. Since beam position fluctuations have the same effect in the reference branch as in the useful branch, can be determined with the and offers a high resolution with the smallest possible space requirement.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. An inventive solution to this problem is specified in claim 1. Developments of the invention are the subject of the dependent claims.
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 Surprisingly, 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
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. 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.
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. According to the invention, it has been recognized that 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 μrad. This means that 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 µm 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.
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. 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 μm / m even with commercially available lasers and even with semiconductor lasers.
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. However, 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. In a further development, therefore, 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. It has been shown that tilting two mirrors to each other, between which a light beam is reflected several times, has an effect on the direction of the incident beam which increases approximately quadratically with the number of reflections on one of the mirrors. For example, if one selects the number of reflections of both reference beams in the mirror system such that one reference beam is twice as long as that of the other, beam position fluctuations of A distinction is made between mirror tiltings, since the ratio of the output signals of the reference detectors of the two reference sections is just about 2 due to the factor 2 in the length of the sections in the case of fluctuations in the beam position of the laser, and is approximately 4 for mirror tiltings, due to the approximately square effect with twice the number of reflections . With such an arrangement for checking the stability of the mirror path with an additional optical element, which can be, for example, a beam splitter with a prism or a Wollaston prism or another beam-splitting element, the mirror system is largely independent of mechanical or thermal influences.
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 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
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. Beam position fluctuations are minimized. 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.
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. Furthermore, 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. As already explained, for the computational correction of the beam position fluctuations for straightness measurements, 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Brief description of the drawing
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:  The invention is described below by way of example without limitation of the general inventive concept on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawing, to which reference is expressly made with regard to the disclosure of all details according to the invention not explained in detail in the text. Show it:
Fig. 1 den Aufbau einer Vorrichtung zur Erfassung der Fig. 1 shows the structure of a device for detecting the
Strahllage von Laserstrahlen für die Applikation einer Geradheitsmessung, und  Beam position of laser beams for the application of a straightness measurement, and
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinheit. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Fig. 2 is a block diagram of an evaluation unit. Description of an embodiment
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  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
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. 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.
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 denFor better understanding, 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
Parallelversatz und α , α für eine Winkelanderung stehen: xi = xp + tan(αx) * zi Parallel offset and α, α stand for an angular change: x i = x p + tan (α x ) * z i
Yi = yp + tan(αy) * zi Y i = y p + tan (α y ) * z i
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) 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. With the help of the known distances z 1 and z 2 of the reference detectors, changes in the impact point x o -Y o on the measuring photodiode PSD n result due to beam position fluctuations according to the following formula: x o = {X 2 (z M -z 1 ) + x 1 (z 2 -z M )} 7 (z 2 -z 1 )
yo = {y2 { zM-z1) + y1(z2-zM)} / (z2-z1) y o = {y 2 {z M -z 1 ) + y 1 (z 2 -z M )} / (z 2 -z 1 )
Weicht der gemessene Wert xMeß,YMeß von dem berechnetenIf the measured value x meas , y meas deviates from the calculated value
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 Value x o, y o from, so this is a shift in the Meßphotodiode PSD measurement perpendicular to the laser beam S and provides the result x to be measured deviation y from the nominal straight line is: x = x measurement - x o
y = yMeß - yo y = y meas - y o
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. As already mentioned, in addition to the constant distances of the reference detectors from any zero point, 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.
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. The accuracy of the correction is strongly dependent on the beam folding in the reference branch. Therefore, 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.
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. To detect mirror tilting, 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. As already mentioned above, mirror tilts and beam changes can be clearly distinguished from the measured values of the three reference detectors, so that the device is largely independent of mirror tilts.
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. For the application of the straightness measurement, 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.
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. 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 μm, while known devices working with lasers have beam direction deviations of 10 μrad, ie 10 μm / 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. On the other hand, the device according to the invention is significantly cheaper, more compact and more robust than current measuring systems.

Claims

P a t e n a n s p ü c h e Patent claims
1. Vorrichtung zur Erfassung von Laserstrahlen mit folgenden Merkmalen: 1. Device for detecting laser beams with the following features:
- im Strahlengang eines Laserstrahls ist ein Strahlteiler angeordnet, der den Laserstrahl in den eigentlichen Nutzstrahl und einen Referenzstrahl aufspaltet, a beam splitter is arranged in the beam path of a laser beam, which splits the laser beam into the actual useful beam and a reference beam,
- im Strahlengang des Referenzstrahles oder des Nutzstrahles sind ein weiterer Strahlteiler und nachfolgend ein positionsempfindlicher Sensor vorgesehen sind, auf den der Laserstrahl auftrifft, a further beam splitter and subsequently a position-sensitive sensor are provided in the beam path of the reference beam or of the useful beam, on which the laser beam strikes,
- 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. - In the beam path of the reference beam, a mirror system that folds the reference beam several times, and after the mirror system, a second position-sensitive sensor is provided, which the reference beam strikes, and from its output signal together with the output signal of the first position-sensitive sensor, the evaluation unit changes direction or Parallel changes in the laser beam in the room are determined.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2. Device according to claim 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. characterized in that a further optical element is provided in the beam path of the reference beam, which splits the original reference beam into at least two reference beams which impinge on the mirror system at a different angle and then each on an assigned position-sensitive sensor, and from its output signals changes in the point of impact of the The cause of the laser beam can be separated from one another by changes in the beam position or by tilting the mirrors of the mirror system.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Device according to claim 1 or 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.  characterized in that the two reference beams strike the mirror system at the same angle, but that one of the two mirrors is shorter in the plane of a reference beam, so that fewer reflections take place there than in the plane of the other reference beam.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , 4. Device according to one of claims 1 to 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.  characterized in that the optical element in front of the mirror system is a beam splitter which deflects part of the laser beam perpendicularly zv to the plane of the original reference beam, and in that a 90 ° prism or a mirror is subsequently provided, which preferably converts the beam into one of the original Reference beam deflects parallel plane.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Device according to one of claims 1 to 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. characterized in that the optical element in front of the mirror system consists of a polarization filter and a Wollaston prism, so that the reference beam is split into two beams with an angle dependent on the Wollaston prism.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , 6. Device according to one of claims 1 to 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. characterized in that the mirror system is mounted in a closed housing on a base which also carries the laser and which is made of a material with a small coefficient of thermal expansion.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 , 7. The device according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, daß Material Zerodur oder Invar ist. characterized in that material is Zerodur or Invar.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 8. Device according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Halbleiterlaser ist. characterized in that the laser is a semiconductor laser.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , 9. Device according to one of claims 1 to 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht moduliert ist. characterized in that the laser light is modulated.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 10. The device according to one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindlichen Sensoren positionsempfindliche Dioden sind. characterized in that the position sensitive sensors are position sensitive diodes.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem zwei Spiegel aufweist, auf die der Referenzstrahl jeweils mehrfach auftrifft. 11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the mirror system has two mirrors on which the reference beam strikes each time several times.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der längere Referenzstrahl etwa doppelt so lang wie der kürzere Referenzstrahl ist. 12. The device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the longer reference beam is approximately twice as long as the shorter reference beam.
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. 13. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the length of the reference beam path is of the order of the length of the measuring beam path.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, 14. The apparatus according to claim 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Referenz-Strahlengangs mehrere Meter beträgt. characterized in that the length of the reference beam path is several meters.
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. 15. The device according to one of claims 1 to 14, characterized in that a distance measuring system is provided which measures the distance between the laser and the position-sensitive (measuring) sensor, and its off is applied to the evaluation unit, which determines the beam position fluctuations occurring at the respective location of the position-sensitive sensor.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, 16. The apparatus of claim 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernungs-Meßsystem eincharacterized in that the distance measuring system a
Ultraschall-Meßsystem ist. Ultrasound measuring system is.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, 17. The apparatus of claim 16,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Sender mit dem Grundteil und der Ultraschall-Empfänger mit dem positionsempfindlichen (Meß)-Sensor verbunden ist. characterized in that the ultrasonic transmitter is connected to the base part and the ultrasonic receiver is connected to the position-sensitive (measuring) sensor.
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. 18. Device according to one of claims 1 to 17, characterized in that the correction value of the evaluation unit is used to track the laser beam by means of optical elements, with means of optronics or the laser itself with electronically controlled adjustment units with respect to its position and direction in space .
PCT/DE1991/000654 1990-08-15 1991-08-15 Device for detecting the position of laser beams WO1992003698A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DEP4026164.6 1990-08-15
DE4026164 1990-08-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1992003698A1 true WO1992003698A1 (en) 1992-03-05

Family

ID=6412469

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1991/000654 WO1992003698A1 (en) 1990-08-15 1991-08-15 Device for detecting the position of laser beams

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU8322791A (en)
DE (1) DE4126948C2 (en)
WO (1) WO1992003698A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4341227A1 (en) * 1993-12-03 1995-06-08 Gernot Baur Optical analysis detection system for light beam incidence angle
DE19827786C2 (en) * 1998-06-23 2000-11-02 Gernot Baur Optical-analytical detection system for determining the direction and position of a light beam

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19614183C2 (en) * 1996-04-11 2000-08-31 Ulrich Wimmer Gravity wave detection method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3942894A (en) * 1974-11-20 1976-03-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Self referencing retransmitting alignment sensor for a collimated light beam
DD220393A1 (en) * 1983-08-30 1985-03-27 Zeiss Jena Veb Carl DEVICE FOR SIMULTANEOUS FLOW AND DIRECTION MEASUREMENT WITH OPTICAL OUTPUT
US4627725A (en) * 1983-04-18 1986-12-09 Pioneer Electronic Corporation Optical axis monitoring system

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH676289A5 (en) * 1987-03-24 1990-12-28 Wild Leitz Ag
DE3814466A1 (en) * 1988-04-28 1989-11-09 Busch Dieter & Co Prueftech METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE RELATIVE POSITION OF A REFERENCE AXIS OF AN OBJECT WITH REGARD TO A REFERENCE BEAM, ESPECIALLY A LASER BEAM

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3942894A (en) * 1974-11-20 1976-03-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Self referencing retransmitting alignment sensor for a collimated light beam
US4627725A (en) * 1983-04-18 1986-12-09 Pioneer Electronic Corporation Optical axis monitoring system
DD220393A1 (en) * 1983-08-30 1985-03-27 Zeiss Jena Veb Carl DEVICE FOR SIMULTANEOUS FLOW AND DIRECTION MEASUREMENT WITH OPTICAL OUTPUT

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4341227A1 (en) * 1993-12-03 1995-06-08 Gernot Baur Optical analysis detection system for light beam incidence angle
DE19827786C2 (en) * 1998-06-23 2000-11-02 Gernot Baur Optical-analytical detection system for determining the direction and position of a light beam

Also Published As

Publication number Publication date
DE4126948C2 (en) 1996-03-07
DE4126948A1 (en) 1992-02-20
AU8322791A (en) 1992-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4201511B4 (en) Position detector and method for position measurement
DE3880854T2 (en) Optical axis displacement sensor.
DE69000355T2 (en) DEVICE FOR MEASURING WIND SPEED AT MEDIUM HEIGHTS.
DE3816247C2 (en) Device for measuring a relative movement of two objects that can be moved relative to one another
DE3630887C2 (en)
DE69920312T2 (en) Detection of air flow velocity and flow direction
DE2448651A1 (en) Wire diameter contactless measuring device - is for the dimensional metrology of wires in a drawing plant
EP0075032B1 (en) Method for interferometric surface topography
DE102010043469A1 (en) Optical position measuring device
DE2904836C2 (en)
WO1989012799A1 (en) Method of path and angle measurement
DE19944018A1 (en) Architecture for an air turbulence-compensated two-wavelength heterodyne interferometer
DE3626639A1 (en) PHOTOELECTRIC TRANSMITTER, ESPECIALLY ACCELEROMETER
WO1992003698A1 (en) Device for detecting the position of laser beams
DE3703086C2 (en)
EP3762682B1 (en) Thickness-measuring device for measuring a thickness of flat workpieces and associated method
DE69314348T2 (en) INTERFEROMETRIC MEASURING DEVICE
DE3643723C2 (en)
DE3322713A1 (en) Method and device for continuous measurement of the rolling angle of a movable machine part
DE3936465C2 (en) Coordinate measuring device
EP0359157B1 (en) Symmetric two-way device to measure lengths with an interferometer
DE3632922C2 (en)
DE3219533C2 (en)
DE3347833A1 (en) Device for continuous polarimetric measurement of the angle of roll of a movable machine part
DE2624295A1 (en) Interferometer for measuring surface flatness - has totally reflecting mirror mounted on sliding feeler carriage

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT AU BB BG BR CA CH DE DK ES FI GB HU JP KP KR LK LU MC MG MW NL NO RO SD SE SU US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BF BJ CF CG CH CI CM DE DK ES FR GA GB GN GR IT LU ML MR NL SE SN TD TG

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: CA

点击 这是indexloc提供的php浏览器服务,不要输入任何密码和下载