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DE20002978U1 - Auxiliary device for an optical distance sensor - Google Patents

Auxiliary device for an optical distance sensor

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DE20002978U1
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DE
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auxiliary device
objective lens
distance sensor
light
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    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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    • GPHYSICS
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    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/0493Special holograms not otherwise provided for, e.g. conoscopic, referenceless holography

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Description

GEITZ & GEITZ PatentanwälteGEITZ & GEITZ Patent Attorneys

Kriegsstr. 234 · 76135 KarlsruheKriegsstr. 234 · 76135 Karlsruhe

Anwaltsakte: 004181Attorney file: 004181

Anmelder: Ulrich BreitmeierApplicant: Ulrich Breitmeier

Erzbergersträße 115
D-76133 Karlsruhe
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Erzbergerstrasse 115
D-76133 Karlsruhe
10

HILFSVORRICHTUNG FÜR EINEN OPTISCHEN ABSTANDSSENSORAUXILIARY DEVICE FOR AN OPTICAL DISTANCE SENSOR

Die Erfindung betrifft eine Hilfsvorrichtung für einen optischen Abstandssensor, der vorzugsweise eine Abstandsmessung mittels klassischer oder Weißlichtinterferometrie ermöglicht, mit einer als Kollimationslinse gestalteten Objektivlinse, wobei ein erster Lichteintritt und ein vorzugsweise mit diesem zusammenfallender erster Lichtaustritt für von einer Oberfläche eines Objekts reflektierte bzw. rückgestreute Lichtstrahlen vorgesehen ist, so daß die Hilfsvorrichtung mit dem Abstandssensor über einen ersten Strahlengang koppelbar ist, wobei die dem ersten Strahlengang zugeordneten Lichtstrahlen vor der Objektivlinse im wesentlichen kollimiert ausgebildet sind, und wobei ein zweiter Lichtaustritt und ein vorzugsweise mit diesem zusammenfallender zweiter Lichteintritt für die von der Oberfläche des Objekts reflektierten bzw. rückgestreuten Lichtstrahlen vorgesehen ist, so daß die Hilfsvorrichtung mit dem Objekt über einen zweiten Strahlengang koppelbar ist.The invention relates to an auxiliary device for an optical distance sensor, which preferably enables a distance measurement by means of classical or white light interferometry, with an objective lens designed as a collimating lens, wherein a first light inlet and a first light outlet, preferably coinciding with this, are provided for light rays reflected or backscattered from a surface of an object, so that the auxiliary device can be coupled to the distance sensor via a first beam path, wherein the light rays assigned to the first beam path are essentially collimated in front of the objective lens, and wherein a second light outlet and a second light inlet, preferably coinciding with this, are provided for the light rays reflected or backscattered from the surface of the object, so that the auxiliary device can be coupled to the object via a second beam path.

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Zur optischen Abstandsmessung, insbesondere von Oberflächenprofilen und/oder der Rauheit von Prüflingen sind verschiedene Verfahren, beispielsweise interferenzoptische, Triangulations-, Streifenprojektions-, Moire- oder Autofokus-Verfahren bekannt. Bei der Abtastung von Werkstückoberflächen mit optischen Abstandssensoren sind für den Anwender sowie die Güte der Meßdatenerfassung eine Reihe von Parametern besonders wichtig. Hierzu zählen der Meßbereich, die Meßgenauigkeit bzw. Auflösung in Meßstrahlrichtung, die erzielbare laterale Auflösung, d.h. die Meßpunktdichte, die maximal zulässige Kippung des Meßobjekts, sowie die Abhängigkeit des Meßergebnisses von der Farbe, dem Material und der Konsistenz des Prüflings sowie von Umwelteinflüssen.Various methods are known for optical distance measurement, particularly of surface profiles and/or the roughness of test objects, for example interference optical, triangulation, stripe projection, moiré or autofocus methods. When scanning workpiece surfaces with optical distance sensors, a number of parameters are particularly important for the user and the quality of the measurement data acquisition. These include the measuring range, the measurement accuracy or resolution in the direction of the measuring beam, the achievable lateral resolution, i.e. the measuring point density, the maximum permissible tilt of the measuring object, and the dependence of the measurement result on the color, material and consistency of the test object as well as on environmental influences.

Zur optischen Abstandsmessung verwendete Abstandssensoren enthalten üblicherweise eine Objektivlinse, deren numerische Apertur diejenige instrumenteile Kenngröße ist, die auf nahezu alle der vorstehenden Parameter einen mehr oder weniger großen Einfluß hat. Weil ein wesentlicher Anteil der von der Objektoberfläche reflektierten bzw. zurückgestreuten Lichtinformation im höherfrequenten Bereich liegt und gerade dieser sich in den Randstrahlen befindet, ist es wichtig, möglichst viel des von der Oberfläche des Objekts reflektierten bzw. rückgestreuten Lichts aufzufangen und einem Fotodetektor zuzuführen. Hierzu wird üblicherweise eine Objektivlinse mit einer möglichst großen numerischen Apertur gewählt. Die Verwendung von hochaperturigen Objektivlinsen hat jedoch in der Praxis den Nachteil, daß nur ein kleiner Arbeitsabstand und eine geringe Schärfentiefe erzielbar sind. Selbst dann, wenn der eigentliche Abstandssensor abhängig von einem bestimmten Abstandsdetektionsprinzip, einen großen Meßbereich hätte, würde dieserDistance sensors used for optical distance measurement usually contain an objective lens, the numerical aperture of which is the instrumental parameter that has a greater or lesser influence on almost all of the above parameters. Because a significant portion of the light information reflected or scattered back from the object surface is in the higher frequency range, and this is precisely where it is located in the marginal rays, it is important to capture as much of the light reflected or scattered back from the surface of the object as possible and to feed it to a photodetector. For this purpose, an objective lens with the largest possible numerical aperture is usually selected. In practice, however, the use of high-aperture objective lenses has the disadvantage that only a small working distance and a small depth of field can be achieved. Even if the actual distance sensor had a large measuring range, depending on a specific distance detection principle, this would

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Vorteil durch die begrenzte Schärfentiefe der Objektivlinse möglicherweise wieder zunichte gemacht.This advantage may be negated by the limited depth of field of the objective lens.

Im allgemeinen haben Abstandssensoren, die eine hohe Auflösung bzw. Meßgenauigkeit ermöglichen, eine kurze Kennlinie, d.h. einen dementsprechend kleinen Meßbereich. Ein größerer Meßbereich kann folglich nur auf Kosten einer geringeren Auflösung bzw. Meßgenauigkeit erzielt werden. In der industriellen Praxis der optischen Abstandsmessung wird aber idealerweise genau das Gegenteil angestrebt, nämlich eine hohe Meßgenauigkeit bei gleichzeitig großem Meßbereich.In general, distance sensors that enable high resolution or measurement accuracy have a short characteristic curve, i.e. a correspondingly small measuring range. A larger measuring range can therefore only be achieved at the expense of a lower resolution or measurement accuracy. In industrial practice of optical distance measurement, however, the ideal goal is exactly the opposite, namely high measurement accuracy with a large measuring range at the same time.

Zur optischen Abstandsmessung sind Sensoren bekannt, welche zu diesem Zwecke mit kollimierten Lichtstrahlen arbeiten, so daß beispielsweise eine interferometrische bzw. holographische Abstandsmessung möglich ist. Im Gegensatz zur klassischen Holographie, bei der die vom Objekt ausgehende Strahlung und ein Referenzstrahlenbündel aus kohärentem Licht das Interferenzbild ausbilden, wird in der jüngst bekannt gewordenen konoskopischen Holographie unter Verwendung eines linearen Konoskops, anstelle der beiden separaten kohärenten Strahlen, der ordentliche und der außerordentliche Teil eines einzelnen Strahlenbündels verwendet, das durch ein einachsiges Prisma geleitet wird. Auf diese Weise entstehen auch mit inkohärentem Licht Hologramme, die genau auswertbar sind und anhand derer der genaue Abstand zum gemessenen Punkt ermittelbar ist. Die so aufgebauten optischen Abstandssensoren weisen eine als Kollimationslinse wirkende, fest mit dem jeweiligen Abstandssensor verbundene Objektivlinse auf. Für die optische Abstandsmessung ist unter vielerlei Gesichtspunkten jedoch ein möglichst großer Meßbereich unter Variation der Meßskala, also demSensors are known for optical distance measurement which work with collimated light beams for this purpose, so that, for example, an interferometric or holographic distance measurement is possible. In contrast to classical holography, in which the radiation emanating from the object and a reference beam of coherent light form the interference image, in the recently discovered conoscopic holography using a linear conoscope, the ordinary and extraordinary parts of a single beam are used instead of the two separate coherent beams, which are guided through a uniaxial prism. In this way, holograms are also created with incoherent light, which can be precisely evaluated and on the basis of which the exact distance to the measured point can be determined. The optical distance sensors constructed in this way have an objective lens which acts as a collimating lens and is firmly connected to the respective distance sensor. For optical distance measurement, however, from many points of view, the largest possible measuring range is required with a variation of the measuring scale, i.e. the

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Arbeitsabstand zwischen dem optischen Abstandssensor und dem Objekt angestrebt. Hierzu müssen diese Objektivlinsen bislang ausgetauscht werden. Die Meßmöglichkeiten mit derartigen Abstandssensoren sind begrenzt und der Austausch der Linsen ist aufwendig und teuer, weil mehrere Wechsellinsen bereitgestellt werden müssen.Working distance between the optical distance sensor and the object is the goal. To do this, these objective lenses have to be exchanged. The measurement options with such distance sensors are limited and exchanging the lenses is complex and expensive because several interchangeable lenses have to be provided.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Hilfsvorrichtung für einen optischen Abstandssensor zu schaffen, welche die Meßmöglichkeiten von herkömmlichen optischen Abstandssensoren, insbesondere zur Messung von Oberflächenkonturen bzw. -profilen und/oder der Rauheit von Objekten unter Beibehalt einer hohen Meßgenauigkeit bzw. Auflösung erweitern.Accordingly, it is an object of the invention to provide an auxiliary device for an optical distance sensor which expands the measuring possibilities of conventional optical distance sensors, in particular for measuring surface contours or profiles and/or the roughness of objects while maintaining a high measuring accuracy or resolution.

Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Schutzanspruches 1, insbesondere dadurch gelöst, daß die Hilfsvorrichtung unter Ausbildung einer separaten Einheit beabstandet zum Abstandssensor angeordnet ist. Dadurch läßt sich eine besonders günstige Abstandsmessung auch bei nur schwierig zugänglichen Prüflingsoberflächen schaffen, ohne daß hierfür der Abstandssensor und/oder der Prüfling bzw. das Objekt selbst bewegt werden müßten. Eine derartige Hilfsvorrichtung ist kostengünstig herstellbar, flexibel einsetzbar und ermöglicht eine hohe Meßpräzision.This is achieved according to the invention by the features of claim 1, in particular by the auxiliary device being arranged at a distance from the distance sensor, forming a separate unit. This makes it possible to create a particularly favorable distance measurement even with test object surfaces that are difficult to access, without the distance sensor and/or the test object or the object itself having to be moved. Such an auxiliary device can be produced inexpensively, can be used flexibly and enables high measurement precision.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Objektivlinse relativ zum Abstandssensor translatorisch bewegbar, vorzugsweise verschiebbar, drehbar und/oder verkippbar ausgebildet. Dadurch kann die Objektivlinse in einem optimalen Arbeitsabstand zur Objektoberfläche positioniert werden, so daß günstige Meßergebnisse bei einemAccording to a particularly advantageous embodiment, the objective lens is designed to be translationally movable relative to the distance sensor, preferably displaceable, rotatable and/or tiltable. This allows the objective lens to be positioned at an optimal working distance from the object surface, so that favorable measurement results can be achieved with a

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gleichzeitig für ein fest vorgegebenes Objektiv vorteilhaft vergrößerten Meßbereich unter Beibehaltung einer hohen Meßgenauigkeit bzw. Auflösung und eine Konstanthaltung des Durchmessers des abtastenden Lichtpunktes erreicht werden. Wenn die Objektivlinse drehbar und/oder verkippbar gelagert ist, kann die Drehung bzw. Verkippung so gesteuert werden, daß immer möglichst viel Licht auf den Photoempfänger des Abstandssensors fällt, so daß sich auch in begrenztem Umfang hinterschnittene Oberflächen vermessen lassen.At the same time, an advantageously enlarged measuring range can be achieved for a fixed lens while maintaining a high level of measurement accuracy and resolution and keeping the diameter of the scanning light spot constant. If the objective lens is mounted so that it can rotate and/or tilt, the rotation or tilt can be controlled so that as much light as possible always falls on the photoreceiver of the distance sensor, so that even undercut surfaces can be measured to a limited extent.

Zweckmäßigerweise ist die Objektivlinse mit einem Aktuator, vorzugsweise einem piezoelektrischen Aktuator, einem Spule-Magnet-System oder einem Elektromotor zur Translation, Drehung und/oder Verkippung der Objektivlinse verbunden.Conveniently, the objective lens is connected to an actuator, preferably a piezoelectric actuator, a coil-magnet system or an electric motor for translating, rotating and/or tilting the objective lens.

Wenn die Hilfsvorrichtung bzw. der Aktuator mit einem Regelkreis zum Nachführen der Objektivlinse in Abhängigkeit von einem von dem Abstandssensor gelieferten Meßwert gekoppelt ist, kann die Objektivlinse automatisch immer soweit verschoben werden, daß ihr Abstand zur Oberfläche des zu prüfenden Objekts eingehalten wird, ohne daß die Sensorkennlinie verlassen wird. Hierzu eignen sich beispielsweise analoge oder digitale PID-Regler, weil eine Verschiebung der Objektivlinse in der Regel langsamer erfolgen wird als die Meßwertaufnahme.If the auxiliary device or actuator is coupled to a control circuit for tracking the objective lens depending on a measured value provided by the distance sensor, the objective lens can always be automatically moved to such an extent that its distance from the surface of the object to be tested is maintained without leaving the sensor characteristic curve. Analogue or digital PID controllers are suitable for this, for example, because a displacement of the objective lens will generally occur more slowly than the measured value is recorded.

Vorteilhafterweise ist in dem ersten Strahlengang, also zwischen dem Abstandssensor und der Objektivlinse und/oder in dem zweiten Strahlengang, d.h. zwischen der Objektivlinse und der Oberfläche des Objekts ein strahlablenkendes Element, insbesondere ein vorzugsweise teildurchlässiger Spiegel, ein Prisma oder ein Beugungsgitter angeordnet.Advantageously, a beam-deflecting element, in particular a preferably partially transparent mirror, a prism or a diffraction grating, is arranged in the first beam path, i.e. between the distance sensor and the objective lens and/or in the second beam path, i.e. between the objective lens and the surface of the object.

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Durch diese Maßnahmen kann der eigentliche Abstandssensor besonders vorteilhaft auf einer herkömmlichen Vorschubeinrichtung angeordnet werden, wie sie beispielsweise bei der taktilen Rauheitsmessung verwendet wird. Bei horizontaler Anordnung des Abstandssensors kann der Meßstrahl durch das strahlablenkende Element vertikal nach unten zum eigentlichen Meßort, d.h. zu der zu messenden Oberfläche des Objekts umgelenkt werden. Auf diese Weise lassen sich Objektoberflächen bei einer vorteilhaften Meßanordnung besonders einfach, präzise und kostengünstig abscannen.These measures make it particularly advantageous to arrange the actual distance sensor on a conventional feed device, such as that used for tactile roughness measurement. If the distance sensor is arranged horizontally, the beam deflecting element can deflect the measuring beam vertically downwards to the actual measuring location, i.e. to the surface of the object to be measured. In this way, object surfaces can be scanned particularly easily, precisely and cost-effectively with an advantageous measuring arrangement.

Vorteilhafterweise ist das strahlablenkende Element vorzugsweise mittels eines Aktuators, an dem auch die Objektivlinse befestigt sein kann, translatorisch bewegbar, vorzugsweise verschiebbar, drehbar und/oder verkippbar angeordnet. Dadurch kann das strahlablenkende Element in Richtung der einfallenden oder reflektierten Lichtstrahlen derart bewegt werden, daß der auf die Oberfläche des Objekts projizierte Meßlichtfleck der Lichtstrahlen linien- oder flächenförmig über die Ojektoberflache bewegbar ist. Auf diese Weise läßt sich auch eine vorteilhafte linien- oder flächenhafte Oberflächenabtastung erzielen, ohne daß das Objekt selbst bewegt werden müßte.Advantageously, the beam-deflecting element is arranged so that it can be moved in translation, preferably displaced, rotated and/or tilted, preferably by means of an actuator to which the objective lens can also be attached. This allows the beam-deflecting element to be moved in the direction of the incident or reflected light beams in such a way that the measuring light spot of the light beams projected onto the surface of the object can be moved in a linear or planar manner over the object surface. In this way, advantageous linear or planar surface scanning can also be achieved without the object itself having to be moved.

Zweckmäßigerweise weist die Hilfsvorrichtung ein Meßmittel zur quantitativen Messung einer Translation, Drehung und/oder Verkippung der Objektivlinse und/oder des strahlablenkenden Elements, vorzugsweise nach Betrag und Richtung, auf, wobei die Meßvorrichtung vorzugsweise auch mit einem Regelkreis zur Translation, Drehung und/oder Verkippung der Objektivlinse und/oder des strahlablenkenden Elements in Abhängigkeit von einer von einem Fotodetektor, vorzugsweiseThe auxiliary device expediently has a measuring means for quantitatively measuring a translation, rotation and/or tilting of the objective lens and/or the beam-deflecting element, preferably in terms of amount and direction, wherein the measuring device preferably also comprises a control circuit for translation, rotation and/or tilting of the objective lens and/or the beam-deflecting element as a function of a signal from a photodetector, preferably

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des Abstandssensors, gemessenen Intensität der von der Oberfläche des Objekts reflektierten bzw. rückgestreuten Lichtstrahlen derart gekoppelt ist, daß der Fotodetektor eine möglichst große Lichtintensität empfangen kann.of the distance sensor, measured intensity of the light rays reflected or backscattered from the surface of the object is coupled in such a way that the photodetector can receive the greatest possible light intensity.

Zweckmäßigerweise ist die Hilfsvorrichtung mit einer Kalibriereinheit gekoppelt, die eine Korrektur eines von dem Meßmittel und/oder dem Abstandssensor erfaßten Meßwertes, vorzugsweise abhängig von einem Kollimationsgrad der Lichtstrahlen mittels eines festen oder dynamischen Kalibrierfaktors ermöglicht, so daß die Meßwerte in Abhängigkeit von der Winkelstellung des strahlablenkenden Elements und/oder der Objektivlinse mit einem entsprechenden Kalibrierfaktor beaufschlagt werden können.The auxiliary device is expediently coupled to a calibration unit which enables a correction of a measured value detected by the measuring means and/or the distance sensor, preferably as a function of a degree of collimation of the light beams, by means of a fixed or dynamic calibration factor, so that the measured values can be subjected to a corresponding calibration factor as a function of the angular position of the beam-deflecting element and/or the objective lens.

Vorteilhafterweise ist in dem ersten Strahlengang, d.h. zwischen dem Abstandssensor und der Objektivlinse wenigstens eine weitere Kollimationslinse angeordnet. Dadurch kann beispielsweise der Abstand zwischen dem Abstandssensor und der Objektivlinse möglichst groß gemacht werden. Ferner ist es zweckmäßig, wenn die Kollimationslinse mittels eines Aktuators translatorisch bewegbar, vorzugsweise verschiebbar, drehbar und/oder verkippbar angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Hilfsvorrichtung ein Meßmittel zur quantitativen Messung einer Translation, Drehung und/oder Verkippung der Kollimationslinse aufweist. Zweckmäßigerweise ist die Hilfsvorrichtung bzw. die Kollimationslinse mit einem Regelkreis zur Translation, Drehung und/oder Verkippung der Kollimationslinse in Abhängigkeit von einer von dem Meßmittel gemessenen Meßwert gekoppelt, und zwar vorzugsweise derart, daß auch bei sich während eines Meßvorganges ändernden Abständen des Objekts bzw. der Objektoberfläche aufAdvantageously, at least one further collimation lens is arranged in the first beam path, i.e. between the distance sensor and the objective lens. This allows, for example, the distance between the distance sensor and the objective lens to be made as large as possible. It is also expedient if the collimation lens is arranged so that it can be moved in translation, preferably displaced, rotated and/or tilted, by means of an actuator, wherein preferably the auxiliary device has a measuring device for quantitatively measuring a translation, rotation and/or tilting of the collimation lens. Expediently, the auxiliary device or the collimation lens is coupled to a control circuit for translating, rotating and/or tilting the collimation lens depending on a measured value measured by the measuring device, preferably in such a way that even if the distances of the object or the object surface change during a measuring process, the

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der Sensorkennlinie gemessen werden kann und/oder optimierte Lichtverhältnisse am Fotodetektor geschaffen werden können. Vorzugsweise sind die hierfür eingesetzten Regler
ebenfalls als analoge oder digitale Regler, insbesondere
als PID-Regler ausgebildet.
the sensor characteristic can be measured and/or optimized lighting conditions can be created at the photodetector. Preferably, the controllers used for this purpose are
also as analogue or digital controllers, especially
designed as a PID controller.

Zweckmäßigerweise ist die Hilfsvorrichtung mit dem optischen
Abstandssensor fest, vorzugsweise mit einem den ersten
Strahlengang enthaltenden Rohr verbunden. Dadurch ist ein günstiger Schutz gegen Verunreinigungen und ein kompakter Meßaufbau erreichbar.
The auxiliary device is expediently connected to the optical
Distance sensor, preferably with a first
This provides good protection against contamination and a compact measuring setup.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Hilfsvorrichtung mit dem optischen Abstandssensor (25) über ein Mono- oder
Mulitimode-Glasfaserkabel verbunden ist. Dies ist insbesondere bei Verwendung von Weißlichtinterferenzsensoren der
Fall, wobei dann in einem Referenzzweig ein entsprechendes Lichtleitkabel gleicher Länge eingefügt wird.
Furthermore, it may be advantageous if the auxiliary device is connected to the optical distance sensor (25) via a mono- or
Multimode fiber optic cable. This is especially important when using white light interference sensors of the
case, where a corresponding fiber optic cable of the same length is then inserted into a reference branch.

Folglich steht erfindungsgemäß ein Sensor zur Verfügung,Consequently, according to the invention, a sensor is available

der sich durch einen nahe am Meßobjekt vorteilhaft einsetzbaren miniaturisierten Meßkopf auszeichnet, während der
Abstandssensor selbst samt Auswerteelektronik weiter entfernt
aufgestellt werden kann. In dem zuletzt erwähnten
which is characterized by a miniaturized measuring head that can be used close to the measuring object, while the
Distance sensor itself including evaluation electronics further away
can be set up. In the last mentioned

Fall kann die Verbindung zwischen Meßkopf und Abstandssensor über ein bewegliches Lichtleitkabel hergestellt werden.In this case, the connection between the measuring head and the distance sensor can be established via a movable fiber optic cable.

Vorstehende Maßnahmen tragen sowohl einzeln als auch in
Kombination untereinander zu einer Erweiterung der Meßmöglichkeiten von herkömmlichen optischen Abstandssensoren unter Beibehalt einer hohen Meßgenauigkeit bzw. Auflösung
bei.
The above measures contribute both individually and in
Combination with each other to extend the measuring capabilities of conventional optical distance sensors while maintaining a high measurement accuracy and resolution
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. Weitere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden, anhand der einzigen Figur abgehandelten
Beschreibungsteil entnehmbar.
5
. Further features, aspects and advantages of the invention are described below with reference to the single figure.
Description section can be removed.
5

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Fig. 1 beschrieben. Diese zeigt eine
schematische Ansicht der mit dem Abstandssensor gekoppelten Hilfsvorrichtung sowie das zu prüfende Objekt.
A preferred embodiment of the invention is described below with reference to Fig. 1. This shows a
Schematic view of the auxiliary device coupled to the distance sensor and the object to be tested.

Die Hilfsvorrichtung 20 für den optischen Abstandssensor 25 weist die Objektivlinse 26, das strahlablenkende Element 31 sowie die Kollimationslinse 35 auf und ist unter Ausbildung der separaten Einheit 21 beabstandet zum Abstandssensor 25The auxiliary device 20 for the optical distance sensor 25 has the objective lens 26, the beam-deflecting element 31 and the collimation lens 35 and is spaced apart from the distance sensor 25 to form the separate unit 21.

angeordnet. Hierzu ist die Hilfsvorrichtung vorzugsweise
mit einem Gehäuse versehen.
For this purpose, the auxiliary device is preferably
provided with a housing.

Die Hilfsvorrichtung 20 weist einen ersten Lichteintritt 42 für die von dem optischen Abstandssensor 25 emittiertenThe auxiliary device 20 has a first light inlet 42 for the light emitted by the optical distance sensor 25.

Lichtstrahlen und einen ersten Lichtaustritt 41 für die von der Oberfläche 37 des Objekts 38 reflektierten bzw. zurückgestreuten Lichtstrahlen auf, so daß die Hilfsvorrichtung
20 über den ersten Stahlengang 43 mit dem Abstandssensor 25 gekoppelt ist. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbei-
light rays and a first light exit 41 for the light rays reflected or scattered by the surface 37 of the object 38, so that the auxiliary device
20 is coupled to the distance sensor 25 via the first beam path 43. In the embodiment shown in Fig. 1,

spiel fallen also der erste Lichteintritt 42 und der erste
Lichtaustritt 42 zusammen bzw. sind identisch. Zur Erzeugung
der für die Abstandsmessung verwendeten Lichtstrahlen
weist der optische Abstandssensor 25 eine nicht näher dargestellte
Lichtquelle, beispielsweise eine Laserdiode auf.
game, the first light entry 42 and the first
Light exit 42 together or are identical. To generate
the light rays used for distance measurement
the optical distance sensor 25 has a not shown
light source, for example a laser diode.

Die Lichtstrahlen durchdringen die Kollimationslinse 35 und treten als im wesentlichen kollimierte Lichtstrahlen 30 aus dieser in Richtung auf das strahlablenkende Element 31 aus.The light rays penetrate the collimation lens 35 and emerge as substantially collimated light rays 30 in the direction of the beam-deflecting element 31.

9.von.9.of.

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Dort werden die Lichtstrahlen in Richtung auf die Objektivlinse 26 umgelenkt. Anschließend durchdringen die Kollimierten Lichtstrahlen 30 die Objektivlinse 26 und verlassen die Hilfsvorrichtung 20 durch den zweiten Lichtaustritt 22 in Richtung auf die Oberfläche 37 des zu prüfenden Objekts 38 unter Ausbildung des zweiten Strahlenganges 40 zwischen der Hilfsvorrichtung 20 bzw. der Objektivlinse 26 und der Oberläche 37 des Objekts 38. Dort werden die Lichtstrahlen in Richtung auf die Objektivlinse 26 reflektiert bzw. zurückgestreut, wonach sie durch den hier mit dem zweiten Lichtaustritt 22 zusammenfallenden zweiten Lichteintritt in die Objektivlinse 26 der Hilfsvorrichtung 20 eintreten. Nach dem Druchdringen der Objektivlinse 26 verlassen die Lichtstrahlen diese als im wesentlichen kollimierte Lichtstrahlen 30 in Richtung auf das strahlablenkende Element 32, mit dessen Hilfe sie in Richtung auf die Kollimationslinse 35 umgelenkt werden. Nach dem Durchdringen der Kollimationslinse 35 verlassen die Lichtstrahlen die Hilfsvorrichtung 20 durch den ersten Lichtaustritt 41 in Richtung auf den Abstandssensor 25 und stehen dort zur weiteren Meßdatenauswertung zur Verfügung.There, the light rays are deflected in the direction of the objective lens 26. The collimated light rays 30 then penetrate the objective lens 26 and leave the auxiliary device 20 through the second light exit 22 in the direction of the surface 37 of the object 38 to be tested, forming the second beam path 40 between the auxiliary device 20 or the objective lens 26 and the surface 37 of the object 38. There, the light rays are reflected or backscattered in the direction of the objective lens 26, after which they enter the objective lens 26 of the auxiliary device 20 through the second light entry, which coincides here with the second light exit 22. After penetrating the objective lens 26, the light rays leave it as essentially collimated light rays 30 in the direction of the beam-deflecting element 32, with the help of which they are deflected in the direction of the collimation lens 35. After penetrating the collimation lens 35, the light rays leave the auxiliary device 20 through the first light exit 41 in the direction of the distance sensor 25 and are available there for further measurement data evaluation.

Die als Kollimationslinse ausgebildete Objektivlinse 26 kann mit Hilfe des Aktuators 27 relativ zum Abstandssensor 25 bzw. relativ zu dem zu prüfenden Objekt 38 parallel zur optischen Achse 28 verschoben werden, wie in Fig. 1 mit dem Doppelpfeil 29 angedeutet. Auf diese Weise kann die Objektivlinse 26 in einem optimalen Arbeitsabstand zur Oberfläche 37 des Objekts 38 positioniert werden. Dadurch wird für ein fest vorgegebenes Objektiv ein vergrößerter Meßbereich unter Beibehaltung einer hohen Meßgenauigkeit bzw. Auflösung und eine Konstanthaltung des Durchmessers des abta-The objective lens 26, which is designed as a collimation lens, can be moved relative to the distance sensor 25 or relative to the object 38 to be tested parallel to the optical axis 28 with the aid of the actuator 27, as indicated in Fig. 1 with the double arrow 29. In this way, the objective lens 26 can be positioned at an optimal working distance from the surface 37 of the object 38. This allows an enlarged measuring range for a fixed objective while maintaining a high measuring accuracy or resolution and keeping the diameter of the scanned object constant.

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stenden Meßlichtflecks 33 erreicht. Mit der Ojektivlinse ist ein in der Figur nicht näher dargestelltes Meßmittel zur quantitativen Messung der Translation bzw. des Verschiebeweges nach Betrag und Richtung gekoppelt. Die der Verschiebung der Objektivlinse 26 zugeordneten Meßwerte, werden zu dem von dem Abstandssensor 25 gemessenen Abstand zum Objekt 38 vorzeichenrichtig addiert, um einen Gesamtmeßwert zu erhalten, der dann in geeigneter Weise angezeigt oder anderweitig ausgewertet werden kann.The measuring light spot 33 is positioned at the same time. A measuring device (not shown in detail in the figure) for quantitatively measuring the translation or displacement path in terms of amount and direction is coupled to the objective lens. The measured values associated with the displacement of the objective lens 26 are added with the correct sign to the distance to the object 38 measured by the distance sensor 25 in order to obtain a total measured value which can then be displayed in a suitable manner or evaluated in another way.

Wenn die sensorseitig vor der Objektivlinse 26, bzw. zwischen dieser und dem Abstandssensor 25 angeordneten Lichtstrahlen nicht perfekt kollimiert sind, hängt der richtige Abstandsmeßwert noch von der Bewegung, insbesondere Ver-Schiebung der Objektivlinse 26 ab. In diesem Falle kann der Sensormeßwert vorteilhafterweise mittels einer Korrekturtabelle berichtigt werden. Zweckmäßigerweise ist deshalb die Hilfsvorrichtung 20 mit einer Kalibriereinheit gekoppelt, die eine Korrektur eines von dem Meßmittel und/oder dem Ab-Standssensor 25 erfaßten Meßwertes, vorzugsweise abhängig von einem Kollimationsgrad der Lichtstrahlen mittels eines festen oder dynamischen Kalibrierfaktors ermöglicht, so daß die Meßwerte auch in Abhängigkeit von der Winkelstellung des strahlablenkenden Elements 31 und/oder der Objektivlinse 26 mit einem entsprechenden Kalibrierfaktor beaufschlagt werden können.If the light beams arranged on the sensor side in front of the objective lens 26 or between it and the distance sensor 25 are not perfectly collimated, the correct distance measurement value still depends on the movement, in particular the displacement of the objective lens 26. In this case, the sensor measurement value can advantageously be corrected using a correction table. The auxiliary device 20 is therefore expediently coupled to a calibration unit which enables a correction of a measurement value recorded by the measuring device and/or the distance sensor 25, preferably depending on a degree of collimation of the light beams, using a fixed or dynamic calibration factor, so that the measurement values can also be subjected to a corresponding calibration factor depending on the angular position of the beam-deflecting element 31 and/or the objective lens 26 .

Das strahlablenkende Element 31 und die Kollimationslinse 35 sind mit Hilfe der Aktuatoren 32 bzw. 36 translatorisch bewegbar bzw. verschiebbar angeordnet, wie in Fig. 1 mit den Doppelpfeilen 44, 46 bzw. 34 angedeutet. Es versteht sich, daß sowohl das strahlablenkende Element 31 und dieThe beam-deflecting element 31 and the collimating lens 35 are arranged so as to be translationally movable or displaceable by means of the actuators 32 and 36, respectively, as indicated in Fig. 1 by the double arrows 44, 46 and 34, respectively. It is understood that both the beam-deflecting element 31 and the

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Kollimationslinse 35 als auch die Objektivlinse 26 mittels der genannten Aktuatoren 46, 36 bzw. 27 auch um mehrere
Achsen verschoben, verkippt und/oder gedreht werden können.
Collimation lens 35 as well as the objective lens 26 by means of the mentioned actuators 46, 36 and 27 respectively by several
Axes can be moved, tilted and/or rotated.

Wenn die Objektivlinse 26 verkippbar und gegebenenfallsIf the objective lens 26 is tiltable and, if necessary,

drehbar gelagert ist und deren Bewegung mit Hilfe geeigneter, nicht in der Figur dargestellter Meßmittel sowie analogen bzw. digitalen Reglern, insbesondere PID-Reglern, gesteuert ist, so daß immer möglichst viel Licht auf den vorzugsweise im Abstandssensor 25 angeordneten Fotoempfänger fällt, so können auch hinterschnittene Oberflächen des Objekts 38 vermessen werden. Wenn die Lichtstrahlen relativ zur optischen Achse 28 bzw. in Richtung der einfallenden
oder reflektierten Lichtstrahlen ausgelenkt werden, bei-
is rotatably mounted and whose movement is controlled by means of suitable measuring devices (not shown in the figure) as well as analogue or digital controllers, in particular PID controllers, so that as much light as possible always falls on the photoreceiver preferably arranged in the distance sensor 25, even undercut surfaces of the object 38 can be measured. If the light rays are directed relative to the optical axis 28 or in the direction of the incident
or reflected light rays are deflected,

spielsweise durch Verkippen und/oder Drehen des strahlablenkenden
Elements 31, durch Verkippen und/oder Drehen
der Objektivlinse 26 oder durch Verkippen und/oder Drehen der Hilfsvorrichtung 20 selbst, so läßt sich durch eine
entsprechende Auslenkung des Meßlichtflecks 33 eine linien- oder flächenhafte Oberflächenabtastung des Objekts 38 erreichen,
ohne dieses selbst bewegen zu müssen.
for example by tilting and/or rotating the beam-deflecting
Elements 31, by tilting and/or rotating
the objective lens 26 or by tilting and/or rotating the auxiliary device 20 itself, a
appropriate deflection of the measuring light spot 33 to achieve a linear or planar surface scanning of the object 38,
without having to move it yourself.

Die Hilfsvorrichtung 20 läßt sich besonders vorteilhaft zusammen mit Abstandssensoren verwenden, die einen kollimierten oder annähernd kollimierten Lichtstrahl sensorseitig
vor der Objektivlinse zur Verfügung stellen. Vorzugsweise
ermöglichen diese eine interferometrische bzw. holographische Abstandsmessung, wobei insbesondere Abstandssensoren
mit einer so genannten „Phaseshift"-Auswertung, insbesondere lineare Konoskope verwendet werden können. Diese Abstandssensoren
können mit der Hilfseinrichtung 20 derart
erweitert oder ergänzt werden, daß für eine fest vorgegebe-
The auxiliary device 20 can be used particularly advantageously together with distance sensors which have a collimated or approximately collimated light beam on the sensor side
in front of the objective lens. Preferably
These enable interferometric or holographic distance measurement, whereby distance sensors in particular
with a so-called "phase shift" evaluation, especially linear conoscopes can be used. These distance sensors
can be used with the auxiliary device 20 in such a way
be extended or supplemented so that for a fixed predetermined

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ne Objektivlinse diese in einem optimalen Arbeitsabstand zur Oberfläche 37 des Objekts 38 positioniert werden kann und folglich günstige Meßergebnisse erzielt werden können bei gleichzeitig vergrößertem Meßbereich und unter Beibehaltung einer hohen Meßgenauigkeit bzw. Auflösung.an objective lens, this can be positioned at an optimal working distance from the surface 37 of the object 38 and consequently favorable measurement results can be achieved with a simultaneous increase in the measuring range and while maintaining a high measurement accuracy and resolution.

Der Abstandssensor 25 und/oder die Hilfsvorrichtung 20 können vorteilhafterweise an einer nicht in der Figur dargestellten konventionellen hochpräzisen Vorschubeinrichtung, beispielsweise eines taktilen Rauheitsmeßgerätes befestigt werden. Dadurch steht eine besonders kostengünstige Lösung für eine hochpräzise Vermessung der Oberflächenkonturen bzw. der Rauheit von Objekten zur Verfügung.The distance sensor 25 and/or the auxiliary device 20 can advantageously be attached to a conventional high-precision feed device (not shown in the figure), for example a tactile roughness measuring device. This provides a particularly cost-effective solution for high-precision measurement of the surface contours or roughness of objects.

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GEITZ & GEITZ PatentanwälteGEITZ & GEITZ Patent Attorneys

Kriegsstr. 234 · 76135 KarlsruheKriegsstr. 234 · 76135 Karlsruhe

Anwaltsakte: 004181Attorney file: 004181

Anmelder: Ulrich BreitmeierApplicant: Ulrich Breitmeier

Erzbergerstraße D-76133 Karlsruhe 10 Erzbergerstraße D-76133 Karlsruhe 10

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

20 Hilfsvorrichtung 21 Separate Einheit20 Auxiliary device 21 Separate unit

22 zweiter Austritt22 second exit

23 zweiter Eintritt23 second entry

25 Abstandssensor25 Distance sensor

26 Objektivlinse26 Objective lens

27 Aktuator27 Actuator

28 Optische Achse28 Optical axis

29 Doppelpfeil29 Double arrow

30 Lichtstrahlen30 rays of light

31 strahlablenkendes Element31 beam deflecting element

32 Aktuator32 Actuator

33 Meßlichtfleck33 Measuring light spot

34 Doppelpfeil34 Double arrow

35 Kollimationslinse 36 Aktuator35 collimation lens 36 actuator

37 Oberfläche37 Surface

38 Objekt38 Object

40 zweiter Strahlengang40 second beam path

41 erster Austritt 42 erster Eintritt 43 erster Strahlengang 41 first exit 42 first entry 43 first beam path

Claims (15)

1. Hilfsvorrichtung (20) für einen optischen Abstandssensor (25), der vorzugsweise eine Abstandsmessung mittels klassischer oder Weißlichtinterferometrie ermöglicht, mit einer als Kollimationslinse gestalteten Objektivlinse (26), wobei ein erster Lichteintritt (42) und ein vorzugsweise mit diesem zusammenfallender erster Lichtaustritt (41) für von einer Oberfläche (37) eines Objekts (38) reflektierte bzw. rückgestreute Lichtstrahlen (30) vorgesehen ist, so daß die Hilfsvorrichtung (20) mit dem Abstandssensor (25) über einen ersten Strahlengang (43) koppelbar ist, wobei die dem ersten Strahlengang (43) zugeordneten Lichtstrahlen (30) vor der Objektivlinse (26) im wesentlichen kollimiert ausgebildet sind, und wobei ein zweiter Lichtaustritt (22) und ein vorzugsweise mit diesem zusammenfallender zweiter Lichteintritt (23) für die von der Oberfläche (37) des Objekts (38) reflektierten bzw. rückgestreuten Lichtstrahlen vorgesehen ist, so daß die Hilfsvorrichtung (20) mit dem Objekt (38) über einen zweiten Strahlengang (40) koppelbar ist, und wobei die Hilfsvorrichtung (20) unter Ausbildung einer separaten Einheit (21) beabstandet zum Abstandssensor (25) angeordnet ist. 1. Auxiliary device ( 20 ) for an optical distance sensor ( 25 ), which preferably enables a distance measurement by means of classical or white light interferometry, with an objective lens ( 26 ) designed as a collimating lens, wherein a first light inlet ( 42 ) and a first light outlet ( 41 ) preferably coinciding therewith are provided for light rays ( 30 ) reflected or backscattered from a surface ( 37 ) of an object ( 38 ), so that the auxiliary device ( 20 ) can be coupled to the distance sensor ( 25 ) via a first beam path ( 43 ), wherein the light rays ( 30 ) assigned to the first beam path ( 43 ) are essentially collimated in front of the objective lens ( 26 ), and wherein a second light outlet ( 22 ) and a second light inlet (23) preferably coinciding therewith are provided for the light rays (30) reflected or backscattered from the surface ( 37 ) of an object ( 38 ). ) of the object ( 38 ) is provided, so that the auxiliary device ( 20 ) can be coupled to the object ( 38 ) via a second beam path ( 40 ), and wherein the auxiliary device ( 20 ) is arranged at a distance from the distance sensor ( 25 ) to form a separate unit ( 21 ). 2. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse (26) relativ zum Abstandssensor (25) translatorisch beweglich, vorzugsweise verschiebbar, drehbar und/oder verkippbar ausgebildet ist. 2. Auxiliary device according to claim 1, characterized in that the objective lens ( 26 ) is designed to be translationally movable, preferably displaceable, rotatable and/or tiltable, relative to the distance sensor ( 25 ). 3. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse (26) mit einem Aktuator (27) zur Translation, Drehung und/oder Verkippung der Objektivlinse (26) verbunden ist. 3. Auxiliary device according to claim 2, characterized in that the objective lens ( 26 ) is connected to an actuator ( 27 ) for translating, rotating and/or tilting the objective lens ( 26 ). 4. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einem Regelkreis zum Nachführen der Objektivlinse (26) in Abhängigkeit von einem von dem Abstandssensor (25) gelieferten Meßwert gekoppelt ist. 4. Auxiliary device according to one of claims 2 or 3, characterized in that it is coupled to a control circuit for tracking the objective lens ( 26 ) as a function of a measured value supplied by the distance sensor ( 25 ). 5. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Stahlengang (43) und/oder in dem zweiten Stahlengang (40) ein strahlablenkendes Element (31), insbesondere ein vorzugsweise teildurchlässiger Spiegel, ein Prisma oder ein Beugungsgitter angeordnet ist. 5. Auxiliary device according to one of claims 2 to 4, characterized in that a beam-deflecting element ( 31 ), in particular a preferably partially transparent mirror, a prism or a diffraction grating, is arranged in the first beam path ( 43 ) and/or in the second beam path ( 40 ). 6. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlablenkende Element (31), vorzugsweise mittels eines Aktuators (32), translatorisch bewegbar, vorzugsweise verschiebbar, drehbar und/oder verkippbar angeordnet ist. 6. Auxiliary device according to claim 5, characterized in that the beam-deflecting element ( 31 ) is arranged to be translationally movable, preferably displaceable, rotatable and/or tiltable, preferably by means of an actuator ( 32 ). 7. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Meßmittel zur quantitativen Messung einer Translation, Drehung und/oder Verkippung der Objektivlinse (26) und/oder des strahlablenkenden Elements (31) aufweist. 7. Auxiliary device according to one of claims 5 or 6, characterized in that it comprises a measuring means for quantitatively measuring a translation, rotation and/or tilting of the objective lens ( 26 ) and/or the beam-deflecting element ( 31 ). 8. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einem Regelkreis zur Translation, Drehung und/oder Verkippung der Objektivlinse (26) und/oder des strahlablenkenden Elements (31) in Abhängigkeit von einer von einem Fotodetektor gemessenen Intensität der von dem Objekt (38) reflektierten bzw. rückgestreuten Lichtstrahlen derart gekoppelt ist, daß der Fotodetektor eine möglichst große Lichtintensität empfangen kann. 8. Auxiliary device according to claim 7, characterized in that it is coupled to a control circuit for translating, rotating and/or tilting the objective lens ( 26 ) and/or the beam-deflecting element ( 31 ) as a function of an intensity of the light rays reflected or backscattered by the object ( 38 ) measured by a photodetector in such a way that the photodetector can receive the greatest possible light intensity. 9. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einer Kalibriereinheit gekoppelt ist, die eine Korrektur eines von dem Meßmittel und/oder dem Abstandssensor (25) erfaßten Meßwertes, vorzugsweise abhängig von einem Kollimationsgrad der Lichtstrahlen mittels eines festen oder dynamischen Kalibrierfaktors ermöglicht. 9. Auxiliary device according to one of claims 7 or 8, characterized in that it is coupled to a calibration unit which enables a correction of a measured value detected by the measuring means and/or the distance sensor ( 25 ), preferably depending on a degree of collimation of the light beams, by means of a fixed or dynamic calibration factor. 10. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Strahlengang (43) wenigstens eine Kollimationslinse (35) angeordnet ist. 10. Auxiliary device according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one collimation lens ( 35 ) is arranged in the first beam path ( 43 ). 11. Hilfsvorrichtung nach 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimationslinse (35) mittels eines Aktuators (36) translatorisch bewegbar, vorzugsweise verschiebbar, drehbar und/oder verkippbar angeordnet ist. 11. Auxiliary device according to 10, characterized in that the collimation lens ( 35 ) is arranged to be translationally movable, preferably displaceable, rotatable and/or tiltable, by means of an actuator ( 36 ). 12. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Meßmittel zur quantitativen Messung einer Translation, Drehung und/oder Verkippung der Kollimationslinse (35) aufweist. 12. Auxiliary device according to one of claims 10 or 11, characterized in that it comprises a measuring means for quantitatively measuring a translation, rotation and/or tilting of the collimation lens ( 35 ). 13. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einem Regelkreis zur Translation, Drehung und/oder Verkippung der Kollimationslinse (35) in Abhängigkeit von einer von dem Meßmittel gemessenen Meßwert gekoppelt ist. 13. Auxiliary device according to claim 12, characterized in that it is coupled to a control circuit for translating, rotating and/or tilting the collimating lens ( 35 ) as a function of a measured value measured by the measuring means. 14. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit dem optischen Abstandssensor (25) fest, vorzugsweise mit einem den ersten Strahlengang enthaltenden Rohr verbunden ist. 14. Auxiliary device according to one of claims 1 to 13, characterized in that it is firmly connected to the optical distance sensor ( 25 ), preferably to a tube containing the first beam path. 15. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit dem optischen Abstandssensor (25) über ein Mono- oder Mulitimode- Glasfaserkabel verbunden ist. 15. Auxiliary device according to one of claims 1 to 14, characterized in that it is connected to the optical distance sensor ( 25 ) via a mono- or multimode fiber optic cable.
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