Title:
Messkopf für ein Laserinterferometer und betreffendes Messverfahren
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft einen Messkopf eines faseroptischen, phasenmodulierten Laserinterferometers, bei dem ein durch einen Retroreflektor eingebrachter Parallelversatz des Laserstrahls, der größer ist als der Radius des Kollimators des Messkopfes, durch einen im Messkopf integrierten Planspiegel, der orthogonal zum eintreffenden Laserstrahl angeordnet ist, ausgeglichen wird. embedded image




Inventors:
Kortschack, Axel (26121, Oldenburg, DE)
Bendlin, Christoph (26123, Oldenburg, DE)
Application Number:
DE102017101580A
Publication Date:
07/26/2018
Filing Date:
01/26/2017
Assignee:
Picofine GmbH, 26135 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE112015003734T5N/A2017-06-14
DE102014209379A1N/A2014-11-27
DE69227902T2N/A1999-06-17



Foreign References:
201402043632014-07-24
201501033562015-04-16
44576251984-07-03
WO1998038475A11998-09-03
Other References:
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Attorney, Agent or Firm:
Eisenführ Speiser Patentanwälte Rechtsanwälte PartGmbB, 28217, Bremen, DE
Claims:
Messkopf für ein faseroptisches, phasenmoduliertes Laserinterferometer, gekennzeichnet durch eine Reflektionseinrichtung zur Reflektion eines vom Messkopf ausgestrahlten und vom zu vermessenden Objekt mit einem Parallelversatz reflektierten Laserstrahls entlang des vorherigen Strahlengangverlaufs zurück zum Objekt, so dass der vom Objekt mit Parallelversatz, der Reflektionseinrichtung und erneut vom Objekt mit erneutem Parallelversatz reflektierte Laserstrahl zur Interferenzmessung genutzt werden kann.

Messkopf nach Anspruch 1, wobei die Reflektionseinrichtung einen Spiegel aufweist oder daraus besteht, insbesondere einen Planspiegel oder einen parabolischen Spiegel.

Messkopf nach Anspruch 2, wobei der Spiegel direkt auf eine optische Komponente des Messkopfs aufgebracht ist, insbesondere auf diese aufgedampft ist.

Messkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Reflektionseinrichtung eine Apertur aufweist, die dazu ausgestaltet ist, dass durch sie jeweils ein vom Messkopf im Betrieb zum Objekt ausgehender Laserstrahl und ein nach einer Reflektion an der Reflektionseinrichtung vom Objekt reflektierter Laserstrahl hindurchtreten.

Messkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Interferometer ein Michelson-Interferometer oder eines Fabry-Perot-Interferometer ist.

Messkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Reflektionseinrichtung ausrichtbar vorgesehen ist, insbesondere um zwei rotatorische Freiheitsgrade ausrichtbar, deren Drehachsen orthogonal zu der aus der Reflektionseinrichtung austretenden Strahlrichtung verlaufen.

Messkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflektionseinrichtung eine Detektionseinrichtung zur Positionsbestimmung des auftreffenden Laserstrahls auf der Reflektionseinrichtung aufweist und/oder die Reflektionseinrichtung hinsichtlich des auftreffenden Laserstrahls teildurchlässig ausgestaltet ist.

Messkopf nach Anspruch 7, wobei die Detektionseinrichtung eine Strahlenteilungseinrichtung aufweist und die Positionsbestimmung abseits der Reflektionseinrichtung, vorzugsweise auf einem Schirm, erfolgt.

Messkopf nach einem der Ansprüche 7 oder 8, mit einem optischen und/oder elektronischen Sensor, insbesondere einem CCD-Chip, einem CMOS-Chip oder einer 4-Quadrantendiode, zur direkten oder indirekten Positionsbestimmung des auf die Reflektionseinrichtung auftreffenden Laserstrahls.

Messkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflektionseinrichtung von anderen Bestandteilen des Messkopfs trennbar ist und/oder separat von diesen angeordnet ist.

Faseroptisches, phasenmoduliertes Laserinterferometer mit mindestens einem Messkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche.

Lasertracker mit mindestens einem Messkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Lasertracker insbesondere ausgestaltet ist, eine Information hinsichtlich einer Position des auftreffenden Laserstrahls auf der Reflektionseinrichtung als Stellgröße für eine Nachführung des Messkopfes zu einem beweglichen Retroreflektor genutzt wird.

Messanordnung mit mindestens einem Messkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einem Retroreflektor, der dazu ausgestaltet ist, zum Reflektieren des Laserstrahls an dem Objekt angebracht zu werden, wobei der Messkopf einen Einkoppungsbereich zur Einkopplung des reflektierten Laserstrahls in eine Lichtleiterfaser aufweist, dessen Radius kleiner als ein durch den Retroreflektor eingebrachter Parallelversatz ist, wobei der Einkopplungsbereich insbesondere durch einen Kollimator gebildet ist.

Messanordnung zur Messung der Verschiebung eines Objekts in mehreren linearen und/oder rotatorischen Freiheitsgraden, mit einer der Anzahl von Freiheitsgraden entsprechenden Anzahl von Messköpfen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und mehreren Retroreflektoren, die jeweils dazu ausgestaltet sind, zum Reflektieren von Laserstrahlem an dem Objekt angebracht zu werden, wobei die Messköpfe derart angeordnet sind, dass die Laserstrahlen linear unabhängig ausgerichtet sind und je zwei Messköpfe gemeinsam auf einen Retroreflektor gerichtet sind.

Verfahren zur Durchführung von faseroptischen, phasenmodulierten Laserinterferenzmessungen, mit den Schritten,
Richten eines Laserstrahl von einem Messkopf auf ein zu vermessendes Objekt,
Reflektieren des Laserstrahls an dem Objekt in Richtung des Messkopfes,
Reflektieren des vom Objekt reflektierten Laserstrahls an einer Reflektionseinrichtung in Richtung des Objekts,
Reflektieren des von der Reflektionseinrichtung reflektierten Laserstrahls an dem Objekt in Richtung des Messkopfes,
Nutzen des derart reflektierten Laserstrahls zur Laserinterferenzmessung.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Messkopf eines faseroptischen, phasenmodulierten Laserinterferometers, bei dem ein durch einen Retroreflektor eingebrachter Parallelversatz des Laserstrahls, der größer ist als der Radius beispielsweise des Kollimators des Messkopfes, durch eine im oder am Messkopf integrierte Reflektionseinrichtung (z.B. einem Planspiegel, der orthogonal zum eintreffenden Laserstrahl angeordnet ist) ausgeglichen wird.

Im Wesentlichen beruht ein Interferometer darauf, dass ein emittierter Lichtstrahl in mindestens zwei Teile aufgeteilt wird, die unterschiedlich lange optische Strecken (im folgenden Strecken genannt) durchlaufen, bevor diese wieder zusammengeführt werden. Am Ort der Zusammenführung kommt es aufgrund der unterschiedlich langen Strecken und der sich daraus ergebenden Phasenverschiebung zu Interferenzen. In den Bereichen, in denen die Wellen in Phase sind, addieren sich die Amplituden der Wellen, was „konstruktive Interferenz“ genannt wird. Hier ist die Intensität besonders hoch. Sind die Wellen gegenphasig, so spricht man von einer „destruktiven Interferenz“.

Aufgrund einer Bewegung des zu vermessenden Objektes kommt es zu einer Änderung im Interferenzmuster, welche mittels entsprechender Detektoren (z.B. Photodetektoren) gemessen werden kann. Es zeigt sich, dass sich die gemessenen Intensitäten aufgrund einer Verschiebung des zu vermessenden Objektes periodisch ändern, und zwar mit einer Periode, die abhängig von der Wellenlänge ist. Im Idealfall ergibt sich dabei ein Sinus. Diese einfache Art der Lagedetektion hat jedoch entscheidende Nachteile. Das sich aufgrund der Verschiebung ergebende sinusförmige Messsignal hat nahe den Extremstellen Bereiche mit sehr geringer Steigung, was bedeutet, dass Änderungen im zu messenden Abstand nur sehr geringe Änderungen im Messsignal zur Folge haben. Im schlechtesten Fall bewirkt eine kleine Änderung im Abstand dann keine detektierbare Änderung im Messsignal. Man spricht hierbei von sog. „blinden“ Punkten. Ein weiterer entscheidender Nachteil ist, dass anhand des einfachen Sinussignals nicht bestimmt werden kann, in welche Richtung eine Verschiebung erfolgt.

Um über den gesamten Bereich eine hohe Auflösung zu erzielen und um die Richtung, in die eine Verschiebung stattfindet, zu bestimmen, wird häufig ein zweites Messsignal generiert. Dieses zweite Messsignal ist idealer Weise um 90° phasenverschoben zum ersten sinusförmigen Messsignal. In diesem Fall ergibt sich für das zweite Signal eine kosinusförmige Abstandsabhängigkeit. In jedem Messpunkt erhält man demnach ein (Sin/Cos)-Wertepaar. Man nennt diese Messsignale auch Quadratursignale. Das Verfahren der Generierung des zweiten Messsignals kann vielfältig sein. Am einfachsten ist es, das Interferometerlicht mittels eines zweiten zum ersten, örtlich versetzten Detektors zu detektieren. Aufgrund des Wegunterschiedes zwischen den Detektoren kommt es zu einer Phasenverschiebung der beiden Messsignale. Der Wegunterschied kann nun so eingestellt werden, dass die Phasenverschiebung der beiden Signale wie oben beschrieben 90° beträgt. Trägt man diese Quadratursignale in einem gemeinsamen XY-Diagramm auf, ergibt sich eine sog. „Lissajous-Figur“. Eine solche Auftragung besteht darin, dass der Wert der Sinuskurve auf der Abszisse und der Wert der Kosinuskurve auf der Ordinatenachse abgebildet werden, wobei sich im angenommenen Idealfall ein Kreis ergibt. Allgemein spricht man bei dem Ergebnis einer solchen Auftragung auch von „Lissajous-Figur“, unabhängig davon, ob der „Kreis“ ideale Form hat oder nicht. Wird ein heller (im Bereich der konstruktiven Interferenz) und ein dunkler Bereich (im Bereich der destruktiven Interferenz) vollständig überfahren, so ergibt die Abbildung genau einen Kreisdurchlauf. Dieser Kreisdurchlauf entspricht einer inkrementellen Verschiebung um eine zur Wellenlänge des Lichtes proportionalen Strecke. Wird die Verschiebung fortgeführt, so bewegt sich das Messsignal weiterhin auf dem Kreis. Über die Richtung, in der sich das Messsignal auf dem Kreis bewegt, kann die relative Bewegungsrichtung der Verschiebung bestimmt werden. Über den sich ergebenden Winkel des Vektors, der vom Kreisursprung zum aktuellen Messwert zeigt, kann ermittelt werden, in welchem Bereich innerhalb eines Inkrements sich der Spiegel, dessen Verschiebung gemessen wird, befindet. Auf diese Weise kann eine Aussage über die relative Position des Spiegels auch über mehrere Perioden von Hell-Dunkel-Wechsel hinweg erfolgen, indem die Kreisdurchgänge durchgezählt werden (wobei die pro Kreisdurchgang zurückgelegte Strecke als ein Inkrement bekannt ist) und der sich dadurch ergebene Wert dem jeweils aktuellem Messwert hinzugerechnet wird.

Es ist nicht zwingend erforderlich, mit zwei Detektoren zu arbeiten. Es gibt alternative Ansätze, um eine durchgehend hohe Auflösung zu erzielen und auch eine Richtungsbestimmung durchführen zu können. Eine besonders elegante Klasse stellen die sinusförmig phasenmodulierten Interferometer dar. Diese Klasse wird in der Fachwelt oft als SPM-Interferometer bezeichnet, wobei „SPM“ für „Sinusoidial Phase-Modulated“ steht. Im Folgenden wird daher der Begriff „SPM-Interferometer“ verwendet. Bei SPM-Interferometern ergeben sich aufgrund der sinusförmigen Modulation der Wellenlänge und geeigneter Signalverarbeitungen ebenfalls Sinus- und Kosinuskurven, die dann, wie zuvor beschrieben, zur Positionsbestimmung verwendet werden können. Deren Sinus- und Kosinuskurven lassen sich ebenfalls als „Lissajous-Figur“ auftragen. Kennzeichnend für SPM-Interferometer ist, dass eine Referenzwellenlänge sinusförmig moduliert wird (alternativ kann statt der Wellenlänge natürlich auch die Messstrecke, z.B. durch einen vibrierenden Spiegel, moduliert werden), so dass sich zeitabhängige Interferenzen ergeben, über die durch eine geeignete Signalverarbeitung oben stehende Sinus- und Kosinussignale errechnet werden können, mittels derer die Verschieberichtung und Position bestimmt werden kann. Selbstverständlich kann anstatt einer sinusförmigen Modulation eine andere periodische Kurvenform zur Modulation verwendet werden.

Eine frühe Beschreibung eines SPM-Interferometers erfolgt in der Veröffentlichung von O. Sasaki und H. Okazaki: „Sinusoidal phase modulating interferometry for surface profile measurement“, erschienen in Applied Optics, Volume 25, No. 18, vom 15 September 1986. In dieser Beschreibung wird zur sinusförmigen Modulation des Messsignals der Referenzspiegel zur Vibration angeregt.

Es ist möglich, die Modulation schon vor der Optik des Interferometers einzuführen, wie z.B. G. Basile, A. Bergamin, G. Cacagnero und G. Mana in der Veröffentlichung „Phase Modulation in High-resolution Optical Interferometry“, erschienen in Metrologia, 1991/1992, 28, 455-461, beschreiben, wodurch die Modulation weniger empfindlich durch äußere Einflüsse gestört wird.

Eine bereits sehr schnelle Phasenmodulation wird von den Autoren U. Minoni, E. Sardini, E. Gelmini, F. Doccio und D. Marioli in dessen Veröffentlichung „A high-frequency sinusoidal phase-modulation interferometer using an electro-optic modulator: Development and evaluation“, erschienen in Rev. Sei. Instrum. 62, 2579-2583 (1991), beschrieben. Eine hochfrequente Modulation erlaubt z.B. eine hohe Verschiebegeschwindigkeit, was für technische Anwendungen der Interferometer wichtig ist.

Im Wesentlichen hat sich für die Wellenlängenmodulation der Einsatz von sogenannten DFB-Dioden durchgesetzt. Eine erste Beschreibung erfolgte durch O. Sasaki, K. Takahashi und T. Suzuki in der Publikation „Sinusoidal phase modulating laser diode interferometer with feedback control system to eliminate external disturbance“, erschienen in Optical Engineering 29(12), 1511-1515, im Dezember 1990. In der Veröffentlichung wird hergeleitet, wie sich die Modulation der Wellenlänge einer Laserdiode in einem sinusförmig phasenmodulierten Interferometer auf das Interferenzsignal auswirkt. Dabei wird der Diodenstrom über dessen Amplitude und Frequenz moduliert.

Das „DFB“ steht für „Distributed Feedback“. Interessant ist, dass die Wellenlänge von DFB-Dioden einfach durch Änderung des Diodenstroms oder der Temperatur moduliert werden kann. Zum einen führt eine Änderung der Temperatur zu einer Ausdehnung oder Komprimierung der frequenzbestimmenden Struktur. Damit kann der Wellenlängenbereich über einen weiten Bereich verschoben werden. Von Bedeutung ist auch die Eigenschaft, dass eine Änderung des Diodenstroms die Ladungsträgerdichte beeinflusst, was wiederum den Brechungsindex des aktiven Mediums ändert und somit auch die optische Wegstrecke in der Diode. Damit können zwar nicht ganz so weite Bereiche wie per Temperaturänderung verschoben werden, aber dafür kann eine hochfrequente Modulation erzielt werden.

Für viele Anwendungen sind faserbasierte SPM-Interferometer von besonderem Interesse. Beispielsweise erlauben diese einen kompakten Aufbau im Bereich des Messkopfs. Es sind in der Regel keine aktiven Bauteile im Bereich des Messkopfs vorhanden, was dazu führt, dass kaum Wärme eingebracht wird, was z.B. für cryogene Anwendungen sehr wichtig ist. Faserbasierte SPM-Interferometer wurden vielfach beschrieben, wie beispielsweise von S. Venkatesh und W. V. Sorin in „Fibre-Tip Displacement Sensor Using a Sinusoidal FM-Based technique“, Electronic Letters, Seiten 1652-1654, Volume 27, Issue 18, aus dem Jahr 1991. Hier wird ein sogenanntes faseroptisches Fabry-Perot-Interferometer, ausdrücklich mit geringer Finesse, beschrieben.

Auch die Autoren X. Wang, X. Wang, Y. Liu, C. Zhang und D. Yu beschreiben in der Veröffentlichung „A sinusoidal phase-modulating fiber-optic interferometer insensitive to the intensity change of the light source“, erschienen in der Optics & Laser Technology, Volume 3, Issue 3, Seiten 219 bis 222, vom April 2003, ein faserbasiertes SPM-Interferometer.

Es muss bei einem faserbasierten Interferometer mindestens ein Teil des Lichts, welches aus der Faser austritt, auch wieder in die Faser eingekoppelt werden, damit das interferierende Licht an einen Detektor für die Signalverarbeitung und Auswertung weitergeleitet werden kann. Es ist in diesen Fällen notwendig, dass das Licht, welches zum Teil auf das zu messende Objekt gelenkt wird, wieder dort auf die Optik trifft, wo das Licht ursprünglich die Optik verlassen hat.

Wenn das zu messende Objekt z.B. während der Messung verkippt, trifft das Licht, häufig schon bei kleinen Winkeln, nicht mehr auf den Kollimator vor der Faser, so dass keine Interferenz mehr erzeugt werden kann, also auch keine Messung der Position mehr möglich ist. Bei dem Kollimator kann es sich z.B. um klassische Linsen, Grin-Linsen oder auch komplexe optische Baugruppen handeln. Ein solcher Kollimator muss nicht unbedingt direkt vor der Faser angeordnet sein, und es können zwischen dem Kollimator und der Faser auch weitere optische Komponenten, wie z.B. Strahlteiler, Spacer und Linsen angeordnet sein.

Im Bereich der Laserinterferometer hat es sich etabliert, dass im Falle einer zu erwartender Verkippung Retroreflektoren eingesetzt werden.

Solche Retroreflektoren haben die Eigenschaft, dass der Lichtstrahl in einem weiten Winkelbereich unabhängig vom Einstrahlwinkel parallel zur Quelle zurückgeworfen wird.

Anhand 1 wird ein Retroreflektor vom Typ des Tripelreflektors gezeigt. Der Tripelreflektor besteht aus drei orthogonal zueinander stehenden Spiegel (101, 102 und 103). Im dargestellten Beispiel trifft ein Laserstrahl zunächst auf die Spiegelfläche 103, wird von dort auf die Spiegelfläche 101 abgelenkt und trifft dann auf die Spiegelfläche 102, von wo aus der Strahl den Tripelreflektor parallel zum einfallenden Strahl, aber parallelversetzt, verlässt.

Anhand 2 wird ein Retroreflektor vom Typ einer zum Teil spiegelnd beschichteten Lüneburg-Linse gezeigt. Diese besteht aus einer Kugellinse 201, die zum Teil spiegelnd beschichtet ist 202. Trifft nun ein Licht auf die Kugellinse, so wird es beim Eintreten in die Linse gebrochen. Dort trifft das Licht dann auf die spiegelnde Oberfläche 202 und wird dort reflektiert. Beim Austritt aus der Linse wird das Licht wieder gebrochen, von wo aus der Strahl den Retroreflektor parallel zum einfallenden Strahl, aber parallelversetzt, verlässt.

Ein üblicher Tripelreflektor ist entlang der in 1 dargestellten Kanten a, b und c und im Schnittpunkt der drei Kanten üblicherweise „blind“, da hier aufgrund der Fertigungsfehler die Strahlen nicht in nutzbarer Weise reflektiert werden.

Das ist nicht störend, wenn die Detektion der Interferenz nicht an derselben Stelle stattfindet, an der das Licht eingebracht wird. Dann ist nämlich ein Parallelversatz der Strahlen erlaubt, was es ermöglicht, den Strahl nicht exakt auf die Mitte, also in den blinden Bereich des Retroreflektors, zu richten.

Ein solcher Fall ist in der 3 dargestellt. Im dargestellten Beispiel emittiert eine Laserdiode 301 ein Licht, welches mit dem Kollimator 304 kollimiert wird und dann innerhalb eines Strahlteilerwürfels (310,310') auf einen teildurchlässigen Spiegel 305 trifft, der den Stahl zum Teil auf den stationären Retroreflektor 306 und zum Teil auf den stationären Retroreflektor 307 umlenkt. Aufgrund des Parallelversatzes trifft sich das Licht auf einer anderen Stelle des teildurchlässigen Spiegels 305, wo das Licht der beiden Strahlengänge interferiert. Diese Interferenz wird dann mit einer Fotodiode 312 gemessen.

Bei faseroptischen Laserinterferometern ist es notwendig, dass das Licht nach der Reflektion vom zu messenden Objekt möglichst exakt wieder auf die Stelle tritt, an der das Licht ursprünglich die optischen Komponenten verlässt, so dass ein parallelversetzter, reflektierter Strahl unerwünscht ist. Wenn überhaupt, dann ist nur ein Parallelversatz erlaubt, der kleiner ist als der Radius des Kollimators, so dass zumindest ein Teil des Lichts für die zu messende Interferenz genutzt werden kann. Somit wird gemäß dem Stand der Technik versucht, den Strahl möglichst exakt auf die Mitte des Retroreflektors auszurichten.

Es sei darauf hingewiesen, dass mit „Radius des Kollimators“ gemeint ist, dass das Licht wieder auf den Kollimator treffen muss, so dass das Licht, bzw. ein Teil des Lichtes an die Stelle der zu detektierenden Interferenz gelangt. Sollte die Linse nicht rund ausgeführt werden, dann muss lediglich sichergestellt sein, dass das Licht weiterhin auf den Kollimator trifft, Ist dem Kollimator eine Optik vorgeschaltet, die dafür sorgt, dass das Licht in den Kollimator trifft, so muss sichergestellt sein, dass das Licht diese vorgeschaltete Optik trifft.

Ist der Parallelversatz jedoch größer als der Radius des Kollimators, dann trifft der reflektierte Strahl nicht mehr auf die Stelle, an der die Interferenz gemessen werden soll, und eine Messung der Position ist nicht mehr möglich. Als Konsequenz wird bei faserbasierten Interferometern versucht, den Lichtstrahl möglichst mittig auf den Retroreflektor auszurichten. Jedoch aufgrund des „blinden“ Bereichs des Retroreflektors kann der Lichtstrahl nur dann exakt auf die Mitte des Retroreflektors ausgerichtet werden und dabei ein messbares Signal entstehen werden, wenn der Strahldurchmesser größer als der blinde Bereich des Retroreflektors ist. Obwohl damit in der Regel ein großer Teil der Signalstärke verloren geht, können so Messungen durchgeführt werden.

Alternativ kann der Strahl neben den blinden Bereich des Retroreflektors gerichtet werden. Wenn die Divergenz des Stahls nun so gewählt wurde, dass innerhalb eines gewissen Abstandes zwischen Retroreflektor und Messkopf ein Teil des reflektierenden Lichtes aufgrund der Strahlenaufweitung wieder auf den Messkopf trifft, so können trotz des resultierenden Parallelversatzes Messungen durchgeführt werden.

Jedoch häufig ist es erwünscht, mit einem kleinen Strahldurchmesser zu arbeiten. In diesen Fällen kann ein klassischer Retroreflektor nicht genutzt werden. Auch, wenn der Parallelversatz des Strahls zu groß wird, schließt sich aktuell die Kombination des Retroreflektors mit einem faserbasierten Laserinterferometer aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messkopf zu realisieren, der es erlaubt, den Retroreflektor auch deutlich außerhalb des blinden Bereichs zu nutzen und trotz eines erheblichen Parallelversatzes des Laserstrahls sicherzustellen, dass das Licht wieder exakt in den Messkopf zurückläuft, so dass Messungen durchgeführt werden können.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben wird ein Messkopf vorgeschlagen, wie er in Anspruch 1 definiert ist. Zudem sieht die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung von faseroptischen, phasenmodulierten Laserinterferenzmessungen vor, wie es in Anspruch 15 definiert ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Messkopf des faserbasierten Laserinterferometers einen zum Laserstrahl orthogonalen ausgerichteten, integrierten Planspiegel vorgesehen, der einen Parallelversatz der Laserstrahlen, der größer als der Radius des Kollimators ist, kompensiert, indem der Planspiegel den Strahl entlang des vorherigen Strahlengangverlaufs zurück in die Faser lenkt.

Insbesondere die Integration des Planspiegels oder eines entsprechenden Elements in den Sensorkopf erlaubt einen leicht zu handhabenden, kompakten Messkopf, der ohne aufwändige Ausrichtung in Messaufbauten integriert werden kann. Das erlaubt eine wesentlich einfachere Handhabung als es dem Stand der Technik nach bekannt ist. Es genügt schon, einen solchen Messkopf einfach per Hand vor das zu vermessende Objekt zu legen, um Messungen durchführen zu können.

Die große Winkeltoleranz ermöglicht wiederum neue Anwendungen für das faserbasierte, phasenmodellierte Laserinterferometer, wie z.B. extrem kompakter Lasertracker und kompakte Geräte für die Formmessung empfindlicher, reflektierender Objekte. Besonders vorteilhaft ist, dass die Messköpfe sehr einfach für mehrdimensionale Messungen genutzt werden können, wie an einem späten Ausführungsbeispiel gezeigt wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt

  • 1 eine schematische Darstellung eines Tripelreflektors als einem Beispiel eines Retroreflektors,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Lüneburg-Linse als einem weiteren Beispiel eines Retroreflektors,
  • 3 eine schematische Darstellung eines Interferometers, bei dem die Detektion der Interferenz nicht an der Stelle erfolgt, an der das Licht eingebracht wird,
  • 4 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Messkopfs,
  • 5 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Messkopfs mit auf optischen Elementen aufgebrachten Planspiegel,
  • 6 eine schematische Darstellung zur Illustration einer beispielhaften Anordnung für eine Messung von sechs Freiheitsgraden,
  • 7 schematische Skizzen durch Erläuterung der Nutzung eines Retroreflektors für mehrere Messköpfe,
  • 8 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Anordnung für die Messung der Bewegung eines Objektes in sechs Freiheitsgraden,
  • 9 eine schematische Darstellung zur Illustration einer Ausgestaltung, bei der eine Nachführung des Laserstrahls vorgesehen ist,
  • 10 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus zur Sichtbarmachung einer Position, an der der Laserstrahl auftrifft,
  • 11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels in Form eines Lasertrackers,
  • 12 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels in Form eines Lasertrackers mit differenzieller Messung und
  • 13 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem nicht der erfindungsgemäße Messkopf dem zu verfolgenden Retroreflektor folgt, sondern lediglich der Laserstrahl über einen um zwei Achsen schwenkbaren Spiegel nachgeführt wird.

In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente - soweit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind.

Anhand der 4 soll der erfindungsgemäße Messkopf an einem vereinfachten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. 4 a) zeigt ein Ausführungsbeispiel anhand eines faserbasierten Michelson-Interferometers und 4 b) anhand eines faserbasierten Febry-Perot-Interferometers.

In 4 a) ist der Messkopf 401 des Michelson-Interferometers, durch die Strich-Punkt-Punkt-Linie umrandet, dargestellt. Im Wesentlichen besteht der Messkopf 401 aus

  • - einer Faser 402, aus der das Licht austritt,
  • - einem Kollimator 403, der das Licht bündelt, so dass ein kohärenter Laserstrahl geformt wird,
  • - einem Strahlteilerwürfel (404, 404'), der das Licht über einen teiltransparenten Spiegel 405 in zwei optische Pfade aufteilt,
  • - einem Referenzspiegel 406, der in der Regel als Bestandteil des Messkopfes anzusehen ist und mit diesem fest verbunden ist, z.B. indem der Spiegel auf eine Fläche des Strahlteilerwürfels 404 aufgedampft ist. Jedoch kann der Referenzspiegel auch von den sonstigen Komponenten des Messkopfes losgelöst betrachtet werden, was z.B. sinnvoll sein kann, wenn der Referenzspiegel weiter entfernt vom Messkopf 401 montiert werden soll oder wenn der Referenzspiegel womöglich sogar bewegliche sein soll, um z.B. eine differenzielle Messung durchzuführen.

Weitere Komponente des erfindungsgemäßen Messkopfes ist der Planspiegel 407.

Nicht dargestellt sind mögliche Verbindungselemente oder Fügestellen, da es sich bei dem Ausführungsbeispiel lediglich um eine Prinzipienskizze handelt.

Der teiltransparente Spiegel 405 wirft einen ersten Teil des Lichts auf den Referenzspiegel 406, von wo aus der Strahl zurück auf den teiltransparenten Spiegel 405 reflektiert wird.

Ein zweiter Teil des Lichts wird auf einen Retroreflektor 408 geführt, den das Licht mit einem parallelversetzten Strahl verlässt. Dieses Licht trifft dann auf den orthogonal zum Strahl stehenden Planspiegel 407 und wird dann über den vorherigen Strahlengangverlauf über den Retroreflektor 408 zurück auf den teiltransparenten Spiegel 405 geführt, wo die beiden zunächst getrennten Stahlen zusammentreffen und prinzipiengemäß interferieren.

In den meisten Fällen wird die Glasfaser dann über einen faser-optischen Stecker 409 mit den restlichen optischen Komponenten des Interferometers verbunden, so dass der Messkopf ausgetauscht werden kann.

In dem Beispiel wird ein 2x2 Koppler 411 verwendet, um das Licht einer Laserdiode „LD“ 412 - oder einer anderen Lichtquelle - über die Glasfaser 410 in den Strahlteilerwürfel (404, 404') einzukopplen und das Licht, nachdem es durch zwei Pfade durch den Strahlteilerwürfel gelaufen und interferiert ist, wieder über den faser-optischen Stecker 409 in die Faser 410 einzukopplen und an einen Detektor 413, wie z.B. eine Fotodiode „PD“ zu bringen, die dann in der Lage ist, die Interferenzen bzw. Intensitäten zu messen. Es sei darauf hingewiesen, dass statt dem Einsatz des 2x2 Kopplers 411 noch viele alternative Ansätze gewählt werden können und dass die Wahl für den erfinderischen Gedanken unerheblich ist. Wie die Ein- und Auskopplung abläuft, das ist für den erfinderischen Gedanken ebenfalls unerheblich. Ebenfalls für den erfinderischen Gedanken unerheblich ist die Wahl der Lichtquelle.

In 4 b) ist der Messkopf 401b durch die Strich-Punkt-Punkt-Linie umrandet dargestellt. Im Wesentlichen besteht der Messkopf 401b aus

  • - einer Faser 402b, aus der das Licht austritt,
  • - einem Kollimator 403b, der das Licht bündelt, so dass ein kohärenter Laserstrahl geformt wird,
  • - Weitere Komponente des Messkopfes ist der Planspiegel 407b

Nicht dargestellt sind Verbindungselemente oder Fügestellen, da es sich bei dem Ausführungsbeispiel lediglich um eine Prinzipienskizze handelt.

Der Teil des Lichts, der nicht vom Faserende in die Faser 402b zurückreflektiert wird, ist auf einen Retroreflektor 408b gerichtet, den das Licht mit einem parallelversetzten Strahl verlässt. Dieses Licht trifft dann auf den orthogonal zum Strahl stehenden Planspiegel 407b und wird dann über den vorherigen Strahlengangverlauf über den Retroreflektor 408b zurück auf das Faserende der Faser 402b geführt, wo prinzipiengemäß das Licht interferiert.

Die Glasfaser kann dann beispielsweise über einen faser-optischen Stecker 409b mit den restlichen optischen Komponenten des Interferometers verbunden werden, so dass der Messkopf 401b ausgetauscht werden kann.

Wie im vorherigen Beispiel wird hier ein 2x2 Koppler 411b verwendet, um das Licht einer Laserdiode „LD“ 412b - oder einer anderen Lichtquelle - über die Glasfaser 410b und 402b einzukoppeln und das Licht, nachdem es durch zwei Pfade durch den Strahlteilerwürfel gelaufen ist, wieder über den faser-optischen Stecker 409b in die Faser 410b einzukoppeln und an einen Detektor 413b, wie z.B. eine Fotodiode „PD“, zu bringen, der dann in der Lage ist, die Interferenzen bzw. Intensitäten zu messen. Es sei darauf hingewiesen, dass statt dem Einsatz des 2x2 Kopplers 411b noch viele alternative Ansätze gewählt werden können. Wie die Ein- und Auskopplung abläuft, das ist für den erfinderischen Gedanken unerheblich.

In 4c) ist ein beispielhafter Aufbau wie in der ) dargestellt, mit dem Unterschied, dass eine fokussierende Linse 414c in den Messkopf 401c integriert ist, die den Stahl fokussiert.

Es kann von Vorteil sein, wenn der Spiegel 407, 407b bzw. 407c zu den restlichen Komponenten des Messkopfes ausrichtbar integriert wird, so dass der Spiegel so lange ausgerichtet wird, bis ein optimales Signal empfangen wird. Dabei ist erwünscht, dass der Spiegel möglichst orthogonal zum auftreffenden Strahl steht.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Spiegel 407, 407b bzw. 407c als starrer Bestandteil des Messkopfes und gut ausgerichtet integriert wird, so dass keine nachträgliche Ausrichtarbeit nötig ist.

Ein solcher Spiegel kann als zunächst separates Bauteil direkt oder indirekt mit den restlichen Komponenten verbunden werden, wobei die Art der Verbindung für den erfinderischen Gedanken unerheblich ist.

Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der Spiegel 407, bzw. 407b und gegebenenfalls auch der Referenzspiegel 406 direkt auf einen oder mehreren der Komponenten des Messkopfs 401 bzw. 401b aufgebracht wird, was zu einem einfachen Aufbau führt. Eine solche beispielhafte Ausführungsform wird anhand der 5a und 5b erläutert.

5a) zeigt eine spiegelnde Beschichtung 507, die auf eine zum Strahl orthogonal stehenden Fläche des Strahlteilerwürfels 504' des faserbasierten Michelson-Interferometers aufgebracht wird. Diese spiegelnde Beschichtung 507 reflektiert den Strahl zurück in den Retroreflektor 508. In der beispielhaften zwei-dimensionalen Darstellung ist die spiegelnde Fläche sowohl oberhalb als auch unterhalb des Bereichs dargestellt, an der der Stahl den Strahlteiler (504, 504') verlässt. Im Drei-dimensionalen entspricht das einer vollflächigen Beschichtung mit einer Apertur, an der der Laser hindurchtreten kann. Das hat den Vorteil, dass der Retroreflektor in alle Richtungen versetzt und verdreht werden kann und dabei sichergestellt wird, dass Messungen realisiert werden können. Es ist aber auch möglich, nur Segmente neben dem Austrittsbereich spiegelnd auszuführen, was zu einem kompakteren Aufbau führt.

Selbstverständlich kann eine den Strahl ganz oder teilweise umfassende spiegelnde Fläche (z.B., ein Spiegel mit einer Apertur) auch als zunächst separates Bauteil in den Messkopf integriert werden, z.B. indem dieser Spiegel auf den Strahlteiler geklebt wird.

In der 5b wird anhand eines faserbasierten Fabry-Perot-Interferometers beispielhaft gezeigt, wie eine auf die optische Komponente (Kollimators-Linse 503b) aufgebrachte spiegelnde Schicht 507b vorgesehen werden kann, um einen erfindungsgemäßen Messkopf 501b zu erstellen. In der beispielhaften Ausführung hat die Linse einen Kragen mit einer spiegelnd beschichteten Fläche 507b, zu der der auftreffende Strahl des faserbasierten Michelson-Interferometers orthogonal steht. Somit wird ein vom Retroreflektor 508b kommender Strahl direkt in den Retroreflektor reflektiert und geht somit den optischen Pfad zurück. In der beispielhaften zwei-dimensionalen Darstellung ist die spiegelnde Fläche sowohl oberhalb als auch unterhalb der Linse des Kollimators dargestellt. Im Drei-dimensionalen entspricht das einer vollflächigen Beschichtung mit einer Apertur, in der die Linse des Kollimators liegt und durch die der Laser hindurchleuchtet. Das hat den Vorteil, dass der Retroreflektor in alle Richtungen versetzt und verdreht werden kann und dabei sichergestellt wird, dass Messungen realisiert werden können. Es ist aber auch möglich, nur Segmente neben dem Austrittsbereich spiegelnd auszuführen, was zu einem kompakteren Aufbau führt. Selbstverständlich kann eine den Strahl ganz oder teilweise umfassende spiegelnde Fläche (z.B., ein Spiegel mit einer Apertur) auch als zunächst separates Bauteil in den Messkopf integriert werden, z.B. indem dieser Spiegel auf eine ausgerichtete Fläche, wie z.B. den im Beispiel dargestellten Kragen geklebt wird, oder indem die Linse z.B. in eine Apertur eines Spiegels geklebt wird.

In 5c) ist ein beispielhafter Aufbau wie in der 5a) dargestellt, mit dem Unterschied, dass eine fokussierende Linse 514c in den Messkopf 501c integriert ist, die den Stahl fokussiert. In der beispielhaften Ausführung ist die spiegelnde Schicht 507c auf einer Ronde der Linse 514c aufgebracht, so dass der parallelversetzte Strahl zurück zum Retroreflektor reflektiert wird.

Für den erfinderischen Gedanken ist es unerheblich, ob die Strahlführung so, wie in den beispielhaften Ausführungen gezeigt, geführt wird oder ob der Strahlengang anders läuft. Wichtig ist nur, dass der Planspiegel orthogonal zum auftreffenden Strahl ausgerichtet ist und somit sicherstellt wird, dass der Strahl den vorherigen Strahlengangverlauf zurückläuft. Es ist denkbar und vom erfinderischen Gedanken umfasst, dass statt des bisher genannten Planspiegels andere Spiegel, wie z.B. ein parabolischer Spiegel oder eine gut ausgerichtete Lüneburg-Linse. zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft ist jedoch der Einsatz eines Planspiegels.

Alle bisher gezeigten Ausführungsbeispiele sind für eindimensionale Messungen ausgelegt. Wie im Folgenden gezeigt wird, können die Messköpfe auch für mehrdimensionale Messungen genutzt werden. Selbstverständlich können, wenn z.B. drei oder sechs Freiheitsgrade gemessen werden sollen, drei oder sechs der oben beschriebenen Messköpfe genutzt werden, indem jeder der Messköpfe mit jeweils einem zugeordneten Retroreflektor zusammenarbeitet. Dann müssen die Messköpfe und Retroreflektoren lediglich so angeordnet werden, dass alle 3 oder 6 Freiheitsgrade messbar sind. Für jeden zu messenden Freiheitsgrad, egal welcher Anzahl, wird dann entsprechend ein Messkopf eingesetzt.

Anhand der 6 ist eine beispielhafte Anordnung für die Messung von sechs Freiheitsgraden gezeigt. Ein Objekt 16 soll im Raum mit den sechs Freiheitsgraden (linear: x,y,z und rotatorisch: rx,ry,rz) beweglich sein, und die Verschiebung soll mit den aus erfindungsgemäßen Messköpfen austretenden Laserstrahlen 602, 603, 604, 605, 606 und 607 gemessen werden, die jeweils auf einen am Objekt 601 befestigten Retroreflektor (608, 609, 610, 611, 612, 613) gerichtet werden. Die Messköpfe sind in der 6 nicht dargestellt. Stattdessen ist der Austrittpunkt jeweils als Stern an jeweils einem Ende der Strahlen markiert. Die Retroreflektoren (608, 609, 610, 611, 612, 613) sind durch einfache, rechte Winkel schematisch dargestellt.

Wird nun das Objekt 601 entlang der y-Achse bewegt, so kann das mit dem zum Laser 602 gehörenden Messkopf detektiert werden. Eine Bewegung in x-Richtung kann mit den Lasern 603 und 604 detektiert werden. Eine rz-Drehung kann durch die Feststellung der gemessenen Differenz zwischen 603 und 604 unter Berücksichtigt des Strahlenabstands „a“ berechnet werden. Eine Bewegung in z-Richtung kann jeweils mit den Strahlen 605, 606 und 607 gemessen werden. Eine ry-Drehung kann durch die Feststellung der gemessenen Differenz zwischen 605 und 606 unter Berücksichtigung des Strahlenabstands „b“ berechnet werden, und eine rx-Drehung kann durch die Feststellung der gemessenen Differenz zwischen 606 und 607 unter Berücksichtigung des Strahlenabstands „c“ berechnet werden.

Eine vorteilhaftere Anordnung ergibt sich, wenn ein Retroreflektor von mehreren Messköpfen gleichzeitig genutzt wird, um entsprechend mehrere Freiheitsgrade zu messen.

Das Prinzip wird mit der 7 anhand einer zweidimensionalen Skizze erläutert. In der 7 ist oben links ein skizzenhafter Retroreflektor 701 dargestellt, dessen Scheitelpunkt mit dem Kreis 702 markiert ist. Auf den Retroreflektor treffen zwei Laserstrahlen 703 und 704, um zwei translatorische Freiheitsgrade in x- und y-Richtung zu messen. Beide Strahlen treten aus jeweils einem der erfindungsgemäßen Messköpfe aus. Die Messköpfe sind in der 7 nicht dargestellt. Stattdessen ist der Austrittpunkt jeweils als Stern an jeweils einem Ende der Strahlen markiert. Wie zu sehen ist, werden die Strahlen im Retroreflektor reflektiert und treten dann parallelversetzt zum einfallen Strahl aus dem Retroreflektor aus.

Der Einfallwinkel der beiden Strahlen wird so gewählt, dass die Strahlen linearunabhängig zueinander stehen.

Im Fall oben rechts der 7 ist der Retroreflektor relativ zu den Messköpfen um die Strecke „a“ in y-Richtung verschoben worden. Es ist deutlich zu sehen, dass sich die Strecke der Strahlen und auch die Parallelverschiebung verändern. Aufgrund dessen, das die Strahlen linear-unabhängig zueinander stehen, hat die Verschiebung des Retroreflektors um die Strecke „a“ eine jeweils unterschiedlich zu messende Streckenänderung zur Folge. Es liegen somit alle Informationen vor, um die tatsächliche Verschiebung des Scheitelpunktes 702 zu berechnen.

Wenn, ausgehend von der in der 7 oben links dargestellten Situation, der Retroreflektor um die Strecke „b“ entlang der X-Richtung verschoben wird, kommt zum vorherigen Fall wegen der linear-unabhängigen Lage der Strahlen 703 und 704 zu einer unterschiedlich zu messenden Streckenänderung für beide Strahlen. Es liegen somit alle Informationen vor, um die tatsächliche Verschiebung des Scheitelpunktes 702 zu berechnen.

Entsprechend kann mit der in 7 dargestellten Vorrichtung der Retroreflektor in der XY-Ebene verschoben werden und die Bewegung des Scheitelpunktes 702 kann über die tatsächlich gemessenen Streckenänderungen eindeutig gemessen, bzw. berechnet werden.

Wird ein dritter Strahl auf den Retroreflektor gerichtet, der wiederum linear-unabhängig zu den Strahlen 703 und 704 steht, indem dieser nicht in der XY-Ebene und auch nicht parallel zur XY-Ebene verläuft, können mit der Vorrichtung die Verschiebung des Scheitelpunktes des Retroreflektors in den drei translatorischen Freiheitsgraden x,y und z gemessen werden.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung für die Messung der Bewegung eines Objektes in sechs Freiheitsgraden ist in der 8 dargestellt. An einer beweglichen, transparent dargestellten Plattform 801 sind drei Retroreflektoren (802, 803 und 804) befestigt. An einer stationären Basis 805 sind wiederum sechs erfindungsgemäße Messköpfe (806, 807, 808, 809, 810, 811) angeordnet, wobei jeweils zwei Messköpfe auf einen gemeinsam genutzten Retroreflektor gerichtet sind, mit der Folge, dass jedes Paar an Messköpfen eine Ebene aufspannt, entsprechend des anhand der 7 erklärten Prinzips. Dabei ist beim Ausrichten der Messköpfe sicherzustellen, dass die sich ergebenen, aufgespannten Ebenen weder parallel noch ineinander liegen, so dass durch die drei Ebenen ein 3-dimensionaler Raum aufgespannt wird. Wird nun die Pose der beweglichen Plattform geändert, so kann diese Bewegung mit den sechs Messköpfen in allen sechs Freiheitsgraden gemessen werden.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Retroreflektoren an der stationären Basis 805 anzuordnen und die Messköpfe an der beweglichen Plattform 801 zu platzieren. Genauso ist es möglich, einige Messköpfe an der Basis und einige Messköpfe an der beweglichen Plattform anzuordnen und damit selbstverständlich sowohl an der Basis, als auch an der beweglichen Plattform ein oder mehrere Retroreflektoren anzubringen.

Ebenso ist es möglich, weniger oder mehr als zwei Messköpfe auf einen Retroreflektor zu richten. Wichtig ist, damit alle sechs Freiheitsgrade gemessen werden können, dass sechs Strahlen linear-unabhängig zueinander stehen.

Aufgrund der möglichen kompakten Bauform können mit dem erfindungsgemäßen Messkopf sehr kompakter Messsysteme realisiert werden, wie z.B. ein Lasertracker. Ein Lasertracker ist eine Vorrichtung, mit einem Interferometer, welches einem reflektierenden Ziel, z.B. einem Retroreflektor, während dessen Bewegung verfolgen kann, wobei der Laserstrahl über eine Strahllenkvorrichtung dem reflektierenden Ziel nachgeführt wird. Bei der Verfolgung des reflektierenden Ziels wird fortwährend die Positionsänderung gemessen. Es finden sowohl relativ messende aber auch absolut messende Laserinterferometer bei Lasertrackern Einsatz.

Eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Messkopf macht diesen besonders interessant für eine Nutzung in einem Lasertracker, da diese Erweiterung ein Signal zum Nachführen des Laserstrahls bietet. Diese Erweiterung wird anhand der 9 a und b erläutert.

Diese erfindungsgemäße Erweiterung sieht vor, dass die Position des auf den Planspiegel treffenden Laserstrahls auf dem Planspiegel erfasst wird.

Das kann in einem ersten Ausführungsbeispiel erfolgen, indem der in 9 a) gezeigte Spiegel 907 für das Laserlicht teildurchlässig ausgeführt wird, so dass der Strahl auf eine matte Rückseite des Spiegels trifft. An dieser matten Oberfläche wird das Licht gestreut, so dass ein Lichtpunkt 909 für einen Detektor 913 sichtbar wird. Der positionsempfindliche Detektor 913 bestimmt die Position des Lichts auf dem Spiegel 907. Selbstverständlich muss die Rückseite nicht matt sein, wenn der Detektor in der Lage ist, das Licht direkt zu detektieren.

Wird nun beispielsweise der Messkopf dem beweglichen Retroreflektor so nachgeführt, dass die vom positionsempfindlichen Detektor 913a erfasste Position auf dem Planspiegel unverändert bleibt, so ist automatisch sichergestellt, dass der Messkopf dem reflektierenden Ziel korrekt nachgeführt wird.

In 9b ist das Ausführungsbeispiel nochmal gezeigt, jedoch ist der Trippelreflektor 908b etwas in die Y-Richtung verschoben. Es ist deutlich zu sehen, dass die Position des Lichtflecks sich von 909 zu 909b verschiebt, was über den Detektor 913b erfasst werden kann.

In einer zweiten beispielhaft zu nennenden Ausführung der Erweiterung kann die Rückseite fluoreszierend ausgeführt werden, in der Art, dass die fluoreszierende Fläche in den Bereichen leuchtet, die vom Laserstrahl angeregt werden.

In einem dritten Beispiel der Erweiterung kann ein Sensor, wie beispielsweise ein CMOS-Chip oder CCD-Chip hinter dem teildurchlässigen Spiegel positioniert werden, mit der Funktion die Position des Lasers auf dem Spiegel erfassen.

In einem vierten Ausführungsbeispiel der Erweiterung wird eine 4-Quadrantendiode in den teildurchlässigen Spiegel positioniert.

In einem fünften Ausführungsbeispiel wird die Position des Lasers auf dem Spiegel mit einer Kamera detektiert.

Selbstverständlich sind neben den fünf genannten Ausführungsbeispielen der Einsatz weiterer bzw. anderer Techniken und weiterer bzw. anderer positionsempfindlicher Detektoren möglich.

Grundsätzlich gilt, dass die Vorrichtung zum Sichtbarmachen der Position auf dem Spiegel nicht unbedingt auf der Rückseite des Planspiegels liegen muss. Die Position kann auch auf der Vorderseite oder im Spiegel sichtbar gemacht werden. Ebenso kann der Laserstrahl aufgeteilt werden, so dass Teil des Lichtes auf den Planspiegel trifft und ein weiterer Teil auf einen positionsempfindlichen Detektor. 10 zeigt einen beispielhaften Aufbau.

Vom Retroreflektor 1008 wird das Licht in den Strahlteiler 1014, 1014' mit der inneren, teilreflektierenden Schicht 1015 geführt. In diesem Strahlteiler teilt sich das Licht auf. Ein erster Teil des Lichts geht auf das Detektorsystem (Schirm 1007, Visualisierung des Lasers 1009 und Detektor 1013) für die Position vom Strahl relativ zum Strahlteiler (1014, 1014'). Ein zweiter Teil trifft auf den Spiegel 1016, der den Strahl zurück zum Retroreflektor 1008 wirft. Auch hier kann das Detektorsystem in verschiedener Art und Weise, wie z.B. anhand der oben genannten Ausführungsbeispiele, realisiert werden.

Es kann technologisch sinnvoll sein, dass der Laserstrahl mehrfach umgelenkt wird, bevor der Laserstrahl auf den Planspiegel trifft.

Grundsätzlich ist es möglich, dass mehr als ein Messkopf pro reflektierendem Ziel eingesetzt wird.

Die erfindungsgemäßen Messköpfe lassen sich auf vielfältige Weise in einen entsprechenden Lasertracker integrieren.

Eine beispielhafte Ausführung wird anhand der 11 erläutert.

In einer bevorzugten Ausführung für einen Lasertracker wird ein Messkopf 1102 auf eine stationäre, reflektierende Kugel 1101 mit einem bekannten Radius gerichtet, um dessen Mittelpunkt herum der Messkopf 1102 um die y-Achse (also ry) und um die z-Achse (also rz) gedreht werden kann. Ein zweiter, erfindungsgemäßer Messkopf 1103 wird mit dem ersten Messkopf 1102 verbunden (1106), so dass die Messköpfe koaxiale Laserstrahlen in entgegengesetzte Richtungen aussenden. Der Strahl des ersten Messkopfes ist vorzugsweise auf die Mitte der reflektierenden Kugel 1101 gerichtet, während der zweite, erfindungsgemäße Messkopf einen koaxialen Laserstahl von der Kugel weggerichtet aussendet. Dort trifft der Strahl auf einen zu verfolgenden Retroreflektor 1104, der den Laserstrahl parallelversetzt auf den Planspiegel 1105 des erfindungsgemäßen Messkopfes lenkt. Der Retroreflektor 1104 kann vom Anwender frei im Raum bewegt werden, z.B. entlang einer Trajektorie 1107, und das Messkopfpaar wird dabei von nicht dargestellten Motoren so um die Kugel bewegt, dass der Retroreflektor stets vom Messkopf 1103 angepeilt bleibt, so dass die Distanz zwischen dem Messkopf und dem Retroreflektor gemessen werden kann. Die Winkelstellung der Drehung des Messkopfpaars um ry und rz wird durch nicht dargestellte Sensoren gemessen. Aus den Informationen der Winkelstellungen und der durch die Messköpfe (1102 und 1103) gemessenen Distanz, kann die Lage des Retroreflektors 1104 im Raum bestimmt werden.

Die reflektierende Kugel 1101 und der Messkopf 1102 können auch weggelassen werden, wenn der Anwender darauf vertraut, dass der Messkopf 1103 mit ausreichender Präzision um ein Zentrum herum gedreht wird. Dann sollten die eingesetzten Winkelsensoren und die Mechanik entsprechend hochwertig ausgeführt werden.

Grundsätzlich ist es mit dem erfindungsgemäßen Messkopf auch möglich, differentiell zu messen, wie anhand der 12 im Falle des Einsatzes des Messkopfes in einem Lasertracker gezeigt wird. Das Licht trifft in der beispielhaften Ausführung auf einen Strahlteilerwürfel 1208 mit einem teildurchlässigen Spiegel. Dort teilt sich das Licht auf. Ein Teil des Lichtes wird auf den zu verfolgenden Retroreflektor 1204 geführt, von wo aus ein parallelversetzter Stahl auf den Planspiegel 1205 trifft, um dann auf den optischen Pfad zurück geworfen zu werden. Der zweite Teil des Lichts wird über ein Konstrukt von vorzugsweise voll reflektierenden Spiegeln (1209, 1210 und 1211) so geführt, dass ein zum ersten Teil des Lichtes koaxialer Laserstrahl auf den Mittelpunkt der reflektierenden Kugel 1201 gerichtet wird. Von dort aus geht das Licht wieder zurück und interferiert mit dem Licht des ersten Teils im Strahlteiler 1208. Aufgrund der differentiellen Messung, kann mit diesem Aufbau die Veränderung der Strecke zwischen der reflektierenden Kugel 1201 und dem Retroreflektor 1204 direkt mit einem Messkopf gemessen werden, und zwar auch, während der Retroreflektor 1204 verschoben wird oder entlang einer Trajektorie 1207 bewegt wird.

13 zeigt eine beispielhafte Ausführung bei der nicht der erfindungsgemäße Messkopf dem zu verfolgenden Retroreflektor 1304 folgt, sondern lediglich der Laserstrahl über einen um zwei Achsen schwenkbaren Spiegel 1306 nachgeführt wird. Dabei ist es wichtig, dass die Winkelstellung des schwenkbaren Spiegels 1306 über nicht dargestellte Winkelsensoren exakt erfasst wird. Es ist deutlich zu erkennen, dass der aus dem Retroreflektor austretende, parallelversetzte Strahl über den schwenkbaren Spiegel 1306 auf den Planspiegel 1305 trifft, von wo aus das Licht wieder zurückgeworfen wird und den bisherigen optischen Pfad, bis zur Stelle der Interferenz im Stahlteiler 1308 folgt.

Grundsätzlich kann es sinnvoll sein, dass der Planspiegel austauschbar ausgeführt wird, so dass dieser je nach Anwendungsfall mit unterschiedlicher Reflektivität eingesetzt werden kann.

Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutieren Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.

In einer Ausgestaltung ist ein Messkopf eines faseroptischen, phasenmodulierten Laserinterferometers vorgesehen, wobei ein durch einen Retroreflektor eingebrachter Parallelversatz des Laserstrahls, der größer ist als der Radius des Kollimators des Messkopfes, durch einen im Messkopf integrierten Planspiegel, der orthogonal zum auftreffenden Lasterstrahl angeordnet ist, ausgeglichen wird, indem der Planspiegel den Laserstrahl entlang des vorherigen Strahlengangverlaufs über den Retroreflektor und den Kollimator in den Bereich der stattfindenden Interferenz reflektiert, so dass sich ein gegenüber der Verkippung des Retroreflektors unempfindlicher, kompakter Messkopf ergibt.

Bei einem solchen Messkopf kann es sich bei dem Laserinterferometer um ein faseroptisches Fabry-Perot-Interferometer oder ein Michelson - Interferometer handeln.

Es ist zudem ergänzend möglich, dass der Planspiegel direkt auf einer der optischen Komponenten des Laserinterferometer-Messkopfes aufgebracht ist, wobei der Spiegel vorzugsweise auf die optische Komponente aufgedampft ist.

Ferner kann ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass der Planspiegel den Bereich der Optik, aus der der Laser austritt, umschließt, so dass ein Parallelversatz in beliebiger Richtung ausgeglichen werden kann.

Vorteilhafterweise wird der Planspiegel im Verhältnis zu den übrigen Komponenten des Messkopfes ausrichtbar befestigt, wobei es sich bei den Freiheitsgraden zur Ausrichtung vorzugsweise um zwei rotatorische Freiheitsgrade handelt, deren Drehachsen orthogonal zur austretenden Strahlrichtung verlaufen.

An Stelle des Planspiegels kann beispielsweise auch ein parabolischer Spiegel eingesetzt werden.

Es kann vorgesehen sein, dass der Planspiegel bzw. der parabolische Spiegel vom Messkopf getrennt werden können.

Es ist von Vorteil, wenn der Messkopf so ausgestaltet ist, dass die Position des Auftreffens des Lasers auf dem Planspiegel erfasst wird, wobei die Erfassung vorzugsweise elektronisch oder optisch erfolgt. Hierbei kann die Erfassung der Position des Auftreffens des Lasers auf dem Spiegel auch indirekt erfolgen, indem der Laserstrahl vor dem Auftreffen auf den Planspiegel aufgespalten wird, so dass ein Teil des Lichtes auf den Planspiegel und ein weiterer Teil auf einen für die Detektion der Position ausgelegten Sensor geführt werden. Bei dem Sensor für die Detektion der Position kann es sich insbesondere um einen CCD-Chip, einen CMOS-Chip oder eine 4-Quadrantendiode handeln.

Im Rahmen der Erfindung kann eine Vorrichtung zur Messung der Verschiebung eines Objekts in mindestens zwei linearen Freiheitsgraden mit mindestens zwei erfindungsgemäßen Messköpfen realisiert werden, wobei die Laserstrahlen der Messköpfe linear-unabhängig auf einen gemeinsam genutzten Retroreflektor gerichtet werden.

Im Rahmen der Erfindung kann eine Vorrichtung zur Messung der Verschiebung eines Objekts in mindestens drei linearen Freiheitsgraden mit mindestens drei erfindungsgemäßen Messköpfen realisiert werden, wobei die Laserstrahlen der Messköpfe linear-unabhängig auf einen gemeinsam genutzten Retroreflektor gerichtet werden.

Im Rahmen der Erfindung kann eine Vorrichtung zur Messung der Verschiebung eines Objekts in mindestens drei linearen und drei rotatorischen Freiheitsgraden mit mindestens sechs erfindungsgemäßen Messköpfen realisiert werden, wobei die Laserstrahlen der Messköpfe linear-unabhängig ausgerichtet sind und je zwei der Messköpfe auf einen gemeinsam genutzten Retroreflektor orientiert sind.

Vorteilhafterweise kann ein erfindungsgemäßer Messkopf in einem Lasertracker eingesetzt werden. Hierbei kann, sofern der Messkopf entsprechend ausgestaltet ist, die Information über das Auftreffen des Lasers auf dem Planspiegel als Stellgröße für die Nachführung des Messkopfes bzgl. des beweglichen Retroreflektors herangezogen werden.

Es kann vorgesehen sein, dass der Messkopf mit einem Michelson-Interferometer kombiniert wird und eine differentielle Messung erfolgt, indem sowohl ein Trippelreflektor als auch der Referenzspiegel in Relation zum restlichen Messkopf beweglich ausgeführt sind.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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