Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur optoelektronischen Weg- und Winkelmessung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Firmenschrift "Hewlett-Packard-Journal", Nr. 3, April 1983, ist eine elektrooptische Präzisions-Entfernungs- und Winkelmeß-^orrichtung be¬ kannt, bei der die Weginformation über den Doppler-Effekt erhalten wird. Es ist ein Laser vorgesehen, der zwei optische Strahlungen mit unterschiedlichen Frequenzen und unterschiedlichen Polarisations¬ richtungen bereitstellt. Die überlagerten Strahlungen gelangen so¬ wohl auf einen ersten Strahlungsempfänger als auch auf einen Strahl¬ teiler, der eine der beiden Strahlungen ablenkt und die andere Strahlung passieren läßt. Die vom Strahlteiler abgelenkte Strahlung trifft auf zwei Umlenkspiegel und gelangt zum Strahlteiler zurück. Dabei durchläuft sie eine vorgegebene optische Strecke. Die vom Strahlteiler durchgelassene Strahlung mit der anderen Frequenz trifft ebenfalls auf zwei Umlenkspiegel und wird auf diejenige Stel¬ le im Strahlteiler zurückgeworfen, auf die auch die abgelenkte zu¬ rückgeworfene Strahlung trifft. Die im Strahlteiler überlagerten zu¬ rückgeworfenen Strahlungen treffen auf einen zweiten optischen Strahlungsempf nger.

Die beiden Umlenkspiegel im Strahlengang der vom Strahlteiler durch¬ gelassenen Strahlung sind beweglich angeordnet. Bei einer Bewegung vergrößert oder verkleinert sich die von der durchgelassenen Strah¬ lung durchlaufene optische Strecke. Die Bewegung führt zu einer Er¬ höhung oder Herabsetzung der Frequenz der reflektierten Strahlung (Doppler-Effekt) .

Der erste Strahlungsempfänger stellt ein AusgangsSignal bereit, des¬ sen Frequenz proportional zur Frequenzdifferenz der beiden vom Laser erzeugten Strahlungen ist. Der zweite optische Strahlungsempfänger gibt ein Ausgangssignal ab, dessen Frequenz proportional ist zur Frequenzdifferenz der beiden vom Laser erzeugten Strahlungen vermin¬ dert oder erhöht um die Doppler-Frequenz. Die beiden AusgangsSignale gelangen zu einem Frequenzzähler, der die Differenz der beiden Si¬ gnale ermittelt, wobei als Ergebnis die Doppler-Frequenz erhalten wird, die ein Maß für die Geschwindigkeit der beweglichen Umlenk¬ spiegel ist. Aus der Geschwindigkeit wird der zurückgelegte Weg bzw. ein Winkel ermittelt.

Vorteile der Erfindung

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur optoelektronischen Weg- und Winkelmessung ist vorgesehen, daß eine erste optische Strahlung und eine zweite optische Strahlung, die gegenüber der ersten Strah¬ lung eine Phasenmodulation aufweist, mit vorgebbaren Einfallswinkeln auf das Objekt gerichtet werden, wobei wenigstens jeweils Teile der beiden Strahlungen denselben Auftreffort am Objekt aufweisen. Am Auftreffort der beiden Strahlungen findet eine Diffraktion und Interferenz statt, weil die Oberfläche des Objekts stets eine Rauhigkeit aufweist, die die Wirkung eines op- tischen Gitters hat.

Die diffraktierten Strahlungsanteile interferieren und gelangen auf einen ersten Strahlungssensor. Eine Phasenänderung des Sensoraus-

gangssignals in bezug auf die Phase eines Referenzsignals wird als Maß für den zurückgelegten Weg- oder die Winkellage des Meßobjekts ausgewertet. Mit diesen Maßnahmen, in Verbindung mit einem konstan¬ ten Abstand zwischen Meßobjekt und Meßvorrichtung, wird der Einfluß von Umgebungsbedingungen wie Luftdruck, Feuchte und Temperatur auf das Meßergebnis reduziert. Weitere Vorteile sind die hohe Auflösung des Meßergebnisses sowie die Stabilität des trägheitslosen und be¬ rührungslosen Meßverfahrens.

Eine weitere Reduzierung der Umgebungseinflüsse wird erreicht, wenn der Einfallswinkel der ersten, auf das Meßobjekt gerichteten op¬ tischen Strahlung gleich dem negativen Einfallswinkel der zweiten, ebenfalls auf das zu vermessende Objekt gerichteten optischen Strah¬ lung festgelegt wird, und daß der erste optische Sensor in Lotrich¬ tung zur Oberfläche des zu vermessenden Objekts ausgerichtet ist, wobei die Einfallswinkel der beiden Strahlungen auf gegenüberliegen¬ den Seiten des Lots liegen. Mit dieser Maßnahme durchlaufen die bei¬ den Strahlungen gleichlange optische Wege und Umgebungseinflüsse wirken sich in beiden Strahlengängen gleich aus.

In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Referenzsignal aus den beiden Strahlungen abgeleitet, indem jeweils ein Teil der beiden, auf das zu vermessende Objekt gerichte¬ ten Strahlungen ausgekoppelt und auf einen weiteren Strahlungssensor gerichtet wird, dessen AusgangsSignal als Referenzsignal dient. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels ist vorgesehen, daß die beiden ausgekoppelten Strahlungen auf eine Mattscheibe gerichtet werden und daß die durch diese Mattscheibe ge¬ beugten Strahlungen auf den weiteren Sensor treffen. Dadurch wird zunächst eine Anpassung der Intensitäten der beiden, auf den weite¬ ren Sensor auftreffenden Strahlungen an die Intensitäten der beiden, auf den ersten Sensor auftreffenden Strahlungen erreicht, so daß die weitere Signalverarbeitung vereinfacht wird. Durch eine Angleichung

der optischen Wege im Referenzsignalzweig im Vergleich zum Meßsi¬ gnalzweig ergibt sich eine weitere Erhöhung der Symmetrie des Auf¬ baus und somit eine weitere Reduzierung der Umgebungseinflüsse auf das Meßergebnis.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens ist vorgesehen, daß die beiden ausgekoppelten Strahlungen auf die Oberfläche eines Referenzobjekts gerichtet werden und daß die am Auftreffort diffraktierten Strahlungen von wenigstens einem weiteren Strahlungssensor erfaßt werden, wobei die beiden, auf das zu vermes¬ sende Objekt gerichteten Strahlungen und die auf das Referenzobjekt gerichteten Strahlungen sowie die am zu vermessenden Objekt diffrak¬ tierten Strahlungen und die am Referenzobjekt diffraktierten Strah¬ lungen jeweils bis zum Au treffen auf die beiden Sensoren dieselben optischen Wege zurücklegen. Das zweite Ausführungsbeispiel weist den Vorteil eines vollständig symmetrischen Aufbaus des Meßsignal- und des Referenzsignalzweigs auf.

In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Laser vorgesehen, der eine Strahlung mit einer vorgegebenen Fre¬ quenz erzeugt. Die zweite, von der ersten Frequenz unterschiedlichen Frequenz wird von einem akustooptischen Modulator erzeugt, der an geeigneter Stelle in einem der Strahlengänge angeordnet ist.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein in der Frequenz modulierbarer Laser vorgesehen. Um in dieser Ausgestaltung ein auswertbares Phasensignal zu erhal¬ ten, ist in einem der beiden Strahlengänge eine optische Wegverlän¬ gerung vorgesehen. Als modulierbarer Laser eignet sich besonders gut ein Halbleiterlaser.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders leicht realisie¬ ren, wenn der Meßaufbau in integrierter Optik realisiert wird, wobei auch faseroptische Bauelemente verwendbar sind.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung.

Zeichnung

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Anordnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein zu vermessendes Objekt 10, das in der angegebenen Richtung 11 bewegbar ist. Auf die Oberfläche 12 des Objekts 10 wer¬ den eine erste und zweite optische Strahlung 13, 14 gerichtet, die mit einem auf der Oberfläche 12 errichteten Lot 15 einen Einfalls¬ winkel QL bzw. ηs bilden. Die beiden Einfallswinkel σ und _ liegen beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Lots 15. Beispiels¬ weise parallel zum Lot 15 liegt eine an der Oberfläche 12 des zu vermessenden Objekts 10 diffraktierte Strahlung 17, die auf einen ersten Strahlungssensor 18 trifft. Die Sichtachse des Sensors 18 ist in diesem speziellen Fall parallel zum Lot 15 ausgerichtet.

Die beiden Strahlungen 13, 14 werden von einem Laser 19 abgeleitet, dessen Strahlung 20 von einem Strahlteiler 21 in eine erste und zweite Teilstrahlung 22, 23 aufgeteilt wird. Die erste Teilstrahlung 22 gelangt in einen von einem Generator 24 gesteuerten akustoop- tischen Modulator 25. Die den Modulator 25 verlassende Strahlung 26 weist eine Phasenmodulation gegenüber der zweiten Teilstrahlung 23 auf. Die Phasenmodulation beinhaltet auch den speziellen Fall einer gegen unendlich strebenden Phasenmodulations-Periodendauer, so daß die Strahlungen 23, 26 eine unterschiedliche Frequenz aufweisen. Die Strahlung 26 trifft nach einer Reflexion an einem Umlenkspiegel 27 auf einen Strahlteiler 28, von dem die erste Strahlung 13 und eine erste Referenzstrahlung 29 ausgehen. Die zweite Teilstrahlung 23 trifft nach der Reflexion an einem Umlenkspiegel 30 ebenfalls auf

einen Strahlteiler 31 von dem die zweite Strahlung 14 und eine zweite Referenzstrahlung 32 ausgehen.

Die erste Referenzstrahlung 29 trifft unter einem Winkel Q und die zweite Referenzstrahlung 32 unter einem Winkel O auf eine Matt¬ scheibe 33. Die Winkel Q und 0 sind bezogen auf ein auf der Ober¬ fläche 34 der Mattscheibe 33 errichtetes ^" Lot 35. Die an der Matt¬ scheibe 33 diffraktierte und durchgelassene Strahlung 36, die bei¬ spielsweise parallel zum Lot 35 ist, gelangt auf einen weiteren Strahlungssensor 37. Die Sichtachse des Sensors 37 ist in diesem speziellen Fall .parallel zum Lot 35 ausgerichtet.

Die AusgangsSignale des ersten und des weiteren Strahlungssensors 18, 37 werden einem Phasenvergleicher 38 zugeführt, der ein Aus¬ gangssignal an einen Zähler 39 abgibt»

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der in Figur 1 gezeigten Anordnung näher erläutert. Die Oberfläche 12 des zu vermessenden Teils 10 weist stets eine gewisse Rauhigkeit auf, die für eine op¬ tische Strahlung als Gitter wirkt, sofern die Abmessung der mikros¬ kopischen Oberflächenstruktur größer oder wenigstens gleich der Wel¬ lenlänge der Strahlung ist. Diese Voraussetzung ist für alle tech¬ nisch herstellbaren Oberflächen erfüllt. Die unter einem Winkel auf die Oberfläche 12 treffende erste optische Strahlung mit einer vorgegebenen Frequenz wird an der Oberfläche 12 diffraktiert und ge¬ langt auf den ersten Sensor 18. Da vorausgesetzt werden kann, daß die Oberfläche 12 Strukturanteile aufweist, deren Abmessungen größer als die der Wellenlänge der ersten Strahlung 13 sind, treten viele Beugungs- bzw. Diffraktionsordnungen auf. Die diffraktierte Strah¬ lung 17 hat auf jeden Fall eine Ordnung ungleich Hüll. Eine Bewegung des Objekts 10 in der angegebenen Richtung 11 ändert die Phasenlage der diffraktierten Strahlung 17, die vom ersten Sensor 18 aufgenom¬ men wird. Eine Verschiebung des Objekts 10 führt zu einer Phasen-

änderung. Eine Verschiebung um eine Wellenlänge führt bei vorgegebe¬ nen Winkeln <~ < und y beispielsweise zu einer Phasenänderung von 360°. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist es, daß der Ab¬ stand zwischen der Oberfläche 12 und dem ersten Sensor 18 konstant ist. Auswertbar sind die Geschwindigkeiten des Objekts 10 sowie der zurückgelegte Weg. Anstelle eines in der Figur 1 gezeigten ebenen Objekts 10 kann auch ein Objekt 10 mit einer gekrümmten Oberfläche 12 vermessen werden. Ein derartiges Objekt ist beispielsweise eine kreisförmige Scheibe, deren Winkellage und/oder Winkelgeschwindig¬ keit bestimmt werden kann.

Die Phasenverschiebung der diffraktierten Strahlung 17 läßt sich er¬ mitteln durch einen Vergleich mit einer Referenzphase. Von der Strahlung 26 wird mit dem Strahlteiler 28 deshalb neben der ersten Strahlung 13 eine erste Referenzstrahlung 29 abgeleitet. Die erste Referenzstrahlung 29 trifft unter einem Winkel o auf die Mattscheibe 33, in der eine Diffraktion stattfindet. Die diffraktierte Strahlung 36, die nicht der nullten Ordnung entspricht, gelangt auf den weite¬ ren Sensor 37. Der weitere Sensor 37 stellt an seinem Ausgang ein Referenzsignal zur Verfügung.

Mit der soweit beschriebenen Anordnung ist ein Phasenvergleich des¬ halb noch nicht möglich, weil die Frequenz der optischen Strahlungen 13, 29 von den beiden Sensoren 18, 37 sowie von dem Phasenver- gleicher 38 direkt verarbeitet werden müßte. Die diffraktierten Strahlung 17, 36 werden deshalb mit einer- zweiten optischen Strah¬ lung 14 bzw. mit einer zweiten ReferenzStrahlung 32 überlagert und interferieren. Diese beiden Strahlungen werden von der zweiten Teil¬ strahlung 23 abgeleitet, deren Frequenz sich von der der Strahlung 26 unterscheidet. Der Frequenzunterschied der beiden Strahlungen 26, 23 wird beispielsweise von einem akustooptischen Modulator 25 be¬ wirkt, der von einem Generator 24 gesteuert ist. Der Generator 24 erzeugt eine ausreichend niedrige Frequenz, die von den Strahlungs-

sensoren 18, 37 und vom Phasenvergleicher 38 problemlos verarbeitet werden kann. Der akustooptische Modulator 25 kann auch im Strahlen¬ gang der zweiten Teilstrahlung 23 angeordnet sein.

Die zweite optische Strahlung 14 wird unter einem Winkel*j auf die Oberfläche 12 des zu vermessenden Objekts 10 gerichtet. Wenigstens Teile der ersten und der zweiten Strahlung 13, 14 weisen denselben Auftreffort auf der Oberfläche 12 auf, damit eine Interferenz der beiden Strahlungen stattfinden kann. Die diffraktierte Strahlung 17, die nicht der nullten Ordnung entspricht, wird demnach aus der Über¬ lagerung der diffraktierten ersten und zweiten Strahlung 13, 14 ge¬ bildet.

Die zweite Referenzstrahlung 32 triff unter einem Winkelo auf die Oberfläche 34 der Mattscheibe 33, in der sie diffraktiert wird. Die gebeugte Strahlung 36, die der weitere Sensor 37 empfängt, ist somit eine Überlagerung der diffraktierten Strahlungsanteile der ersten und zweiten Referenzstrahlung 29, 32.

Die von den Sensoren 18, 37 abgegebenen Signale weisen eine Frequenz auf, die der Differenz der Frequenzen der optischen Strahlungen 23, 26 bzw. der Frequenz des Generators 24 entspricht. Beide Signale sind beispielsweise sinusförmig und haben einen Phasenunterschied, der von der Verschiebung des Objekts 10 linear abhängt. Für den Phasenunterschied <Δ Y gilt:

Δ f = ^■ lU . A L - (/yCvi c T /-AVX. ^r ß)

^* V ϊ Wellenlänge der Strahlung 23 _ : Verschiebung des Objekts 10

Der Phasenvergleicher 38 gibt ein Ausgangssignal ab, das proportio¬ nal ist zu einer Verschiebung des Objekts 10 in die eine oder in die

andere Richtung. Vielfache einer Phasenverschiebung von 360° werden beispielsweise mit dem Zähler 39 ermittelt, in dem auch eine Umrech¬ nung in Weg und/oder Winkeleinheiten vornehmbar ist.

Ein vorteilhafter symmetrischer Aufbau ergibt sich, wenn wenigstens die Einfallswinkel-ö<i' ^* "V3 und/oder die Winkel o und— jeweils gleich sind. Vollkommene Symmetrie wird erreicht, wenn die Beträge aller Winkel gleich sind. Der Vorteil liegt darin, daß die optischen Wege, die Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind, gleich lang sind, so daß die Strahlungsüberlagerung und die anschließende Differenzbildung der Ausgangssignale der Sensoren 18, 37 die Fehlereinflüsse weit¬ gehend kompensieren.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diejenigen Teile, die mit den in der Figur 1 gezeigten Teilen übereinstimmen, tragen in Figur 2 dieselben Bezugszahlen wie in Figur 1. Der wesentliche Un¬ terschied bei der in Figur 2 gezeigten Anordnung liegt in der ande¬ ren Ausgestaltung des Referenzsignalszweiges, der in Figur 1 im we¬ sentlichen die beiden Referenzstrahlungen 29, 32, die Mattscheibe 33 sowie den weiteren Sensor 37 enthält. Anstelle der Mattscheibe 33 ist ein Referenzobjekt 40 angeordnet. Die beiden Referenzstrahlen 29, 32 sind auf etwa denselben Auftreffort in der Oberfläche 41 des Referenzobjekts 40 gerichtet. Beide Referenzstrahlungen 29, 32 wer¬ den am Auftreffort diffraktiert und überlagern sich zur diffraktier¬ ten Referenzstrahlung 42, die von einem weiteren Sensor 43 aufgenom¬ men wird. Der Sensor 43 entspricht dem Sensor 37 in Figur 1. Der Vorteil der in Figur 2 gezeigten Anordnung gegenüber der in Figur 1 gezeigten liegt im wesentlichen darin, daß die Anordnung vollkommen symmetrisch aufgebaut ist. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Oberfläche 41 des Referenzobjekts 40 eine der Oberfläche 12 des zu vermessenden Objekts 10 ähnliche Oberflächenstruktur aufweist und die WinkelO ,"*jß, ζ und—<jübereinstimmen und wenn der Abstand zwi-

- lo ¬

schen der Oberfläche 12 und dem ersten Sensor 18 und der Abstand zwischen der Oberfläche 41 und dem weiteren Sensor 43 gleich sind. Die Erhöhung der Symmetrie der Anordnung verringert weiter die Umge¬ bungseinflüsse auf das Meßergebnis.

In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung der in Figur 1 gezeigten Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ange¬ geben. Diejenigen Teile der Figur 3, die mit den in der Figur 1 ge¬ zeigten Teilen übereinstimmen, tragen dieselben Bezugszahlen. Der wesentliche Unterschied der in Figur 3 im Vergleich zu der in Figur 1 gezeigten Anordnung liegt in der unterschiedlichen Ausgestaltung zur Erzeugung der unterschiedlichen Frequenzen der ersten und zwei¬ ten optischen Strahlung 13, 14. Anstelle des in Figur 1 gezeigten Lasers 19, der eine weitgehend monochromatische Strahlung 20 abgibt, ist ein modulierbarer Laser 50 vorgesehen, der eine Strahlung 51 ab¬ gibt, deren Frequenz mit einem Generator 52 veränderbar ist. Die beiden Teilstrahlungen 53, 54 weisen dieselbe Frequenz auf, die sich zeitlich ändert. Die erste Teilstrahlung 53 gelangt in einen op¬ tischen Umweg 55, der beispielsweise mit vier Umlenkspiegeln 56 - 59 realisiert ist. Die den optischen Umweg 55 verlassende Strahlung 60 weist gegenüber der zweiten Teilstrahlung 54 eine Phasenverschiebung auf, deren Betrag von der Frequenzänderung der vom Laser 50 abge¬ gebenen Strahlung 51 abhängt. Die Strahlung 60 wird vom Strahlteiler 28 in eine erste einfallende Strahlung 61 und in eine erste Refe¬ renzstrahlung 62 aufgeteilt. Die zweite Teilstrahlung 54 wird vom Strahlteiler 31 in eine zweite einfallende Strahlung 63 und in eine zweite Referenzstrahlung 64 aufgeteilt. Im Gegensatz zu den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Strahlungen 13, 14 und ReferenzStrahlungen 29, 32 weisen die in Figur 3 eingezeichneten Strahlungen 61, 63 und die Referenzstrahlungen 62, 64 dieselbe zeitlich sich ändernde Fre¬ quenz auf. Die vom optischen Umweg 55 verursachte zeitabhängige Pha¬ senverschiebung führt dazu, daß die beiden Sensoren 18, 37 Ausgangs¬ signale abgeben, die dieser zeitlich veränderlichen Phasenverschie-

bung entsprechen. Bei ruhendem Objekt 10 ist die zusätzliche Diffe¬ renz der vom Phasenvergleicher 38 festgestellten Phasenlage der Aus¬ gangssignale der Sensoren 18, 37 Null. Eine Bewegung des zu vermes¬ senden Objekts 10 führt in der bereits beschriebenen Weise zu einer meßbaren zusätzlichen Phasendifferenz, die in eine Weg- oder in eine Winkelangabe umgerechnet wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der in Figur 3 gezeigten Anordnung ist in Figur 4 angegeben. Diejenigen Teile, die mit den in Figur 3 angegebenen Teilen übereinstimmen, tragen in Figur 4 dieselben Be¬ zugszahlen wie in Figur 3. Die vom Laser 50 abgegebene Strahlung 51 wird in einem Lichtleiter 70 geführt. Der Lichtleiter 70 enthält ei¬ nen integrierten Strahlteiler 71, der die vom Laser kommende Strah¬ lung 51 in die beiden Teilstrahlungen 53, 54 aufteilt. Der optische Umweg 55 ist beispielsweise als eine Lichtleiterschleife realisiert. Die Strahlungsführung im Lichtleiter 70 hört jeweils bei den Strahl¬ teilern 28, 31 auf. In einer weiteren Ausgestaltung der Anordnung ist es möglich, auch den verbleibenden Aufbau mit Lichtleitern und integrierter Optik zu realisieren. Der Vorteil der integrierten Optik mit Lichtleiter-Strahlungsführung besteht hauptsächlich in der Miniaturisierungsmϋglichkeit der gesamten Anordnung. Ferner ist man durch die Führung der Strahlung im Lichtleiter 70 nicht mehr auf die geradlinige Ausbreitung der optischen Strahlung in einem Medium mit homogenem optischen Brechungsindex, wie beispielsweise Luft, ange¬ wiesen.

Der in Figur 4 gezeigte optische Aufbau mit dem Lichtleiter 70 ist auch in den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Anordnungen verwendbar. Ferner ist die in der Figur 2 gezeigte vollständig symmetrische An¬ ordnung auch bei den in den Figuren 3 und 4 vorgeschlagenen Anord¬ nungen verwendbar, wobei die Mattscheibe 33 durch das Referenzobjekt 40 ersetzt wird.