DE102004061067B4

DE102004061067B4 - Anordnung zur interferometrischen Weg- und Winkelmessung

Info

Publication number: DE102004061067B4
Application number: DE200410061067
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Büchner Hans-Joachim; Dipl.-Ing. Pöschel Wolfgang; Dr.-Ing. Dontsov Denys
Original assignee: SIOS Meßtechnik GmbH; SIOS MESTECHNIK GmbH
Current assignee: SIOS MESSTECHNIK GMBH, 98693 ILMENAU, DE
Priority date: 2004-12-18
Filing date: 2004-12-18
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2024-12-19
Also published as: DE102004061067A1

Abstract

Anordnung zur interferometrischen Weg- und
• Winkelmessung bestehend aus
• einer Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls
• einer optischen Anordnung zum Umformen des Laserstrahls in einen aufgeweiteten Parallelstrahl (p)
• einem Strahlteilerwürfel (I) zur Teilung des aufgeweiteten Parallelstrahls (p) in einen Referenzstrahl (r) und einen Messstrahl (m) und zur Vereinigung des reflektierten Referenzstrahls mit dem reflektierten Messstrahl zu einem Interferenzstrahlenbündel (i)
• einem Referenzreflektor (R) zum Reflektieren des Referenzstrahls (r)
• einem Messreflektor (M) zum Reflektieren des Messstrahls (m)
• einer im Strahlengang des Interferenzstrahlenbündels (i) angeordneten nichttransparenten Blende (B) mit mindestens zwei Blendenöffnungen (A_i)
und
• mindestens zwei interferometrischen Auswerteeinheiten zur Ermittlung der interferometrischen Messwerte, wobei jeweils eine Auswerteeinheit jeweils einem die Blende (B) passierenden Teilstrahl (s_i) zugeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur hochpräzisen interferometrischen Weg- und Winkelmessung. Sie kann insbesondere zur Verfolgung der Bewegungsbahnen der Schlitten von Werkzeugmaschinen, der Tasterbewegungen an Dreikoordinatenmessgeräten oder der Läufer von Planarantrieben eingesetzt werden.
Nach dem Stand der Technik werden zur hochpräzisen Weg- und Winkelmessung Laserinterferometer nach dem Prinzip des Michelson-Interferometers verwendet. Hierbei wird ein Laserstrahl an einem Strahlteiler in einen Mess- und einen Referenzstrahl geteilt. Nach der Reflexion beider Teilstrahlen an einem Mess- bzw. einem Referenzreflektor werden sie wiedervereinigt und zur Interferenz gebracht. Bei einer interferometrischen Wegmessung wird der Messreflektor des Interferometers um eine bestimmte Messstrecke verschoben. Mit Hilfe der anschließenden fotoelektrischen Detektion der Intensitätswechsel am Interferometerausgang kann die Wegdifferenz ermittelt werden. Zur Ausführung einer interferometrischen Winkelmessung wird der Messreflektor, vorzugsweise ein Planspiegel, von zwei getrennten Messstrahlen, zwischen denen ein Abstand d eingestellt ist, angetastet. Bei einer Winkelkippung des Messspiegels ändert sich die Länge der beiden Messstrahlen um eine Strecke ΔL. Der zu ermittelnde Winkel ergibt sich dann aus dem Zusammenhang α = arctan ΔL / d.
Dieses Prinzip wird im Stand der Technik mit einem Michelson-Interferometer bzw. allen anderen Ausführungsvarianten realisiert, indem der Referenzstrahl des Interferometers um 90° umgelenkt und ebenfalls zum Messspiegel unter besagtem Abstand d gerichtet wird.
So ist z. B. aus der Patentschrift DD 214 196 A1 ein interferometrisches Lasermesssystem mit Vorsatzanordnung zur Längen- und Richtungsmessung bekannt, bei dem in jedem der Strahlengänge des Interferometers im Raum zwischen Interferometer und. Reflektoren die Strahlengänge unter Beibehaltung gleicher optischer Lichtwege und gleichen Polarisationszustandes in eine um 90° gedrehte Ebene ablenkende Elemente vorgesehen sind. Diese ablenkenden Elemente sind Spiegel oder Rhomboidprismen.
Daneben wird in der Patentschrift DD 133 466 B1 ein Verfahren zur interferentiellen Kippwinkelmessung an geradgeführten Planspiegeln angegeben, bei dem das in den Messkopf eintretende Bündel mit linearer Polarisation durch ein Rhombusprisma parallel versetzt wird, damit durch Aufspaltung an einer Teilereinheit zwei äquidistante Bündel entstehen.
Jedoch erweist sich bei diesen sowie auch bei anderen bekannten Lösungen die präzise Bestimmung des Abstandes d zwischen den Strahlen und die Gewährleistung der Parallelität der Strahlen als problematisch. Die Parallelität der Messstrahlen ist erforderlich, damit der Abstand d zwischen den Strahlen in unterschiedlichen Messentfernungen konstant ist und insbesondere bei großen Entfernungsänderungen des Messspiegels die notwendige Messgenauigkeit erreicht wird. Der Abstand d der jeweiligen Messstrahlen kann z. B. mit Hilfe der fotoelektrischen Detektion ihrer Schwerpunkte ermittelt werden. Da am Interferometerausgang jedoch das gesamte Strahlenbündel auf dem Fotoempfänger abgebildet wird, können für die interferometrische Winkelmessung nicht nur die Strahlschwerpunkte berücksichtigt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung zur hochpräzisen Weg- und Winkelmessung bereitzustellen, bei der die beiden Messstrahlen absolut parallel sind und der Abstand d zwischen ihnen exakt bestimmt werden kann, so dass auch bei großen Weg- und Winkelmessungen die erforderlichen Messgenauigkeiten erreicht werden können.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen, des ersten Patentanspruches. Anstelle von zwei getrennten Strahlenbündeln wird nur ein einziges aufgeweitetes Strahlenbündel auf das Messobjekt gerichtet und die für eine Winkelmessung erforderlichen zwei oder mehreren Strahlen werden mit Hilfe einer Blende als Teilstrahlen aus diesem einen aufgeweiteten Strahlenbündel gebildet.
Bevor der Laserstrahl in das Interferometer eintritt, wird sein Durchmesser mit Hilfe einer optischen Anordnung, z. B. einem Teleskop, vergrößert und zu einem aufgeweiteten Parallelstrahl (p) umgeformt. Dieser aufgeweitete Parallelstrahl (p) wird an einem Strahlteilerwürfel in einen Messstrahl (m) und einen Referenzstrahl (r) geteilt. Nach dem Durchlaufen der Mess- und Referenzstrecken werden beide Strahlen an der Teilerschicht des Strahlteilerwürfels zu einem Interferenzstrahlenbündel (i) wiedervereinigt. Dieses Interferenzstrahlenbündel (i) trifft in seinem weiteren Verlauf auf eine nichttransparente Blende mit den Blendenöffnungen (A_i). Dabei haben die Blendenöffnungen (A_i) untereinander definierte Abstände d₁, d₂, ... d₃.
Die nichttransparente Blende wird nur von denjenigen Teilstrahlen (s_i) passiert, die durch die Blendenöffnungen (A_i) hindurchgelassen werden. Die die Blende passierenden Teilstrahlen (s_i) werden anschließende in geeigneten interferometrischen Auswerteeinheiten getrennt weiterverarbeitet (z. B. Errechnung getrennter interferometrischer Messwerte).
Die die Blende passierenden Teilstrahlen (s_i) sind Bestandteile des aufgeweiteten Parallelstrahls (p), so dass sie die Blendenöffnungen (A_i), in entgegengesetzter Lichtausbreitungsrichtung gesehen, im Abbildungsmaßstab β' = 1 auf den Messspiegel projizieren. Damit treffen die Teilstrahlen (s_i) im Abstand (d_i) der Blendenöffnungen (A_i) auf den Messspiegel auf. Kippt der Messspiegel um einen beliebigen Winkel α_i, so verkürzen oder verlängern sich die Teilstrahlen (s_i) relativ zueinander.
Daraus können anschließend die Kippwinkel α_i berechnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Blende sind drei Blendenöffnungen (A₀, A₁ und A₂) auf zwei sich rechtwinkelig schneidenden Geraden (g₁, g₂) angeordnet, wobei sich die Blendenöffnung A₀ im Schnittpunkt der Geraden g₁ und g₂ befindet und die Blendenöffnung A₁ auf der Geraden g₁ und die Blendenöffnung A₂ auf der Geraden g₂ angeordnet sind.
Bei Ausrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem kartesischen Koordinatensystem können damit beispielsweise eine Längenkoordinate sowie die Nick- und Gierwinkel beim Verschieben des Schlittens einer Werkzeugmaschine gemessen werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit Strahlenverlauf
2 – Anordnung der Blendenöffnungen
Ein von einer Laserquelle erzeugter Laserstrahl wird mit Hilfe einer optischen Anordnung, z. B. einem Teleskop, in einen aufgeweiteten Parallelstrahl (p) umgeformt. Dieser trifft anschließend auf einen Strahlteilerwürfel (I) und wird in einen Messstrahl (m) und einen Referenzstrahl (r) geteilt. Der Referenzstrahl (r) wird von einem planen Referenzreflektor (R), der Messstrahl (m) von einem planen Messreflektor (M) reflektiert. Am Strahlteilerwürfel (I) vereinigen sich der reflektierte Referenzstrahl (r) und der reflektierte Messstrahl (m) zum Interferenzstrahlenbündel (i). Dieses Interferenzstrahlenbündel (i) trifft im weiteren Verlauf auf eine nichttransparente Blende (B) mit drei in den Eckpunkten eines vorzugsweise rechtwinkeligen gleichschenkeligen Dreiecks angeordneten Blendenöffnungen (A₀, A₁, A₂) (2). Jede dieser Blendenöffnungen wird von einem Teilstrahl (s₀, s₁, s₂) des Interferenzstrahlenbündels (i) passiert. Auf ihrem weiteren Strahlenweg treffen diese Teilstrahlen (s₀, s₁, s₂) jeweils auf die Teilerwürfel (T₀, T₁, T₂), in denen sie nochmals in zwei Teilstrahlen geteilt werden.
Die Teilstrahlen (s₀, s₁, s₂) sind sowohl Bestandteile des aufgeweiteten Parallelstrahls (p) wie auch des Messstrahls (m) und können deshalb entgegen der Lichtausbreitungsrichtung von der Blende (B) bis zum Messreflektor (M) zurückverfolgt werden. Da der aufgeweitete Laserstrahl (p) einen sehr guten Parallelstrahl darstellt, werden die Abstände (d₁, d₂) zwischen den Blendenöffnungen (A₀, A₁, A₂) durch die Teilstrahlen (s₀, s₁, s₂) im Abbildungsmaßstab β' = 1 auf den Messreflektor (M) übertragen. Der Messreflektor (M) steht in der Ausgangsposition orthogonal auf der Richtung des Messstrahls (m), so dass die Teilstrahlen (so, s₁, s₂) in Bezug auf die Ebene der Blende gleich lang sind. Bei einer Verschiebung des Messreflektors (M) kippt dieser im allgemeinen sowohl um die x- als auch um die y-Achse. Damit ändern sich die Längen der Teilstrahlen (s₀, s₁, s₂) zwischen der Blende (B) und dem Messspiegel (M). Die Längenänderungen werden mit interferometrischen Auswerteeinheiten detektiert und zu den Winkeln
weiterverarbeitet:
Im Gegensatz zu den bisher bekannten Lösungen bedarf die vorliegende erfindungsgemäße Anordnung keiner zusätzlichen justagetechnischen Maßnahmen, um die Parallelität zwischen den Messstrahlen (s_i) einzustellen, da diese durch die Parallelität des aufgeweiteten Laserstrahls gegeben ist. Die Abstände der Messstrahlen (d_i) können aufgrund ihrer Parallelität aus den Abständen der Blendenöffnungen (A_i) mit einem Messmikroskop sehr präzise ermittelt werden. Somit kann mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Anordnung eine hochpräzise Weg- und Winkelmessung unter Einhaltung der geforderten Messgenauigkeiten realisiert werden.
Bezugszeichenliste

I

Strahlteilerwürfel

M

Messreflektor

R

Referenzreflektor

B

nichttransparente Blende

A_i

Blendenöffnungen

p

aufgeweiteter Parallelstrahl

m

Messstrahl

r

Referenzstrahl

i

Interferenzstrahlenbündel

s_i

Teilstrahlen

x, y, z

kartesisches Koordinatensystem

d_i

Abstand zwischen den Blendenöffnungen

ΔL_i

Strahllängenänderung zwischen den Teilstrahlen

α_i

Kippwinkel des Messspiegels allgemein

α₁

Kippwinkel des Messspiegels um die x-Achse

α₂

Kippwinkel des Messspiegels um die y-Achse

g₁, g₂

Geraden, auf denen sich die Blendenöffnungen befinden

Claims

Anordnung zur interferometrischen Weg- und • Winkelmessung bestehend aus • einer Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls • einer optischen Anordnung zum Umformen des Laserstrahls in einen aufgeweiteten Parallelstrahl (p) • einem Strahlteilerwürfel (I) zur Teilung des aufgeweiteten Parallelstrahls (p) in einen Referenzstrahl (r) und einen Messstrahl (m) und zur Vereinigung des reflektierten Referenzstrahls mit dem reflektierten Messstrahl zu einem Interferenzstrahlenbündel (i) • einem Referenzreflektor (R) zum Reflektieren des Referenzstrahls (r) • einem Messreflektor (M) zum Reflektieren des Messstrahls (m) • einer im Strahlengang des Interferenzstrahlenbündels (i) angeordneten nichttransparenten Blende (B) mit mindestens zwei Blendenöffnungen (A_i) und • mindestens zwei interferometrischen Auswerteeinheiten zur Ermittlung der interferometrischen Messwerte, wobei jeweils eine Auswerteeinheit jeweils einem die Blende (B) passierenden Teilstrahl (s_i) zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (B) vorzugsweise drei in den Eckpunkten eines rechtwinkeligen gleichschenkeligen Dreiecks angeordnete Blendenöffnungen (A₀, A₁, A₂) aufweist.