DE102005023489B4

DE102005023489B4 - Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position zweier entlang einer Messrichtung zueinander beweglicher Objekte und Verfahren zur Bildung eines Referenzimpulses für eine derartige Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102005023489B4
Application number: DE102005023489.5A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Spanner Erwin
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: US20060262315A1; DE102005023489A1; US7639366B2

Abstract

Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position zweier entlang einer Messrichtung (R) zueinander beweglicher Objekte mit – einer ersten Strahlungsquelle (1) zur Aussendung elektromagnetischer Strahlenbündel (B1), – einem Strahlteiler (6), der ein jeweiliges von der Strahlungsquelle (1) ausgesandtes Strahlenbündel (B1) in mindestens ein erstes und ein zweites Teilstrahlenbündel (TR, TM) aufteilt, – einem Referenzreflektor (7), der im Strahlengang des ersten Teilstrahlenbündels (TR) angeordnet ist, – einem entlang der Messrichtung (R) bezüglich des Referenzreflektors (7) beweglichen Messreflektor (8), der im Strahlengang des zweiten Teilstrahlenbündels (TM) angeordnet ist, – einer Überlagerungsanordnung (6) zur Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel (TR', TM') nach deren Reflektion am jeweiligen Reflektor (7, 8), – einer zweiten Strahlungsquelle (2) zur Aussendung weiterer elektromagnetischer Strahlenbündel (B2) und – einer Einkopplungseinrichtung (3) zur Einkopplung der weiteren elektromagnetischen Strahlenbündel (B2) in den Strahlengang der von der ersten Strahlungsquelle (1) erzeugten elektromagnetischen Strahlenbündel (B1), dadurch gekennzeichnet, dass in der Positionsmesseinrichtung eine Detektionseinrichtung (9) derart angeordnet ist, dass sie ein durch Superposition der von den beiden Strahlungsquellen (1, 2) ausgesandten Strahlenbündel (B1, B2) erzeugtes Referenzsignal (SI) empfängt, und dass der Detektionseinrichtung (9) eine Auswerteeinrichtung (98) zugeordnet ist, die zur Bildung eines Referenzimpulses in Abhängigkeit von Lage der beiden Reflektoren (7, 8) zueinander durch Auswertung des Referenzsignales (SI) eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position zweier entlang einer Messrichtung zueinander beweglicher Objekte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bildung eines Referenzimpulses für eine derartige Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 33.
Eine solche als Interferometer bezeichnete Positionsmesseinrichtung umfasst eine erste Strahlungsquelle zur Aussendung elektromagnetischer Strahlenbündel, insbesondere in Form von Licht; einen Strahlteiler, der die von der ersten Strahlungsquelle ausgesandten Strahlenbündel jeweils in mindestens ein erstes und ein zweites Teilstrahlenbündel aufteilt, die nach Austritt aus dem Strahlteiler parallel zueinander orientiert sind; einen im als Referenzstrahlengang bezeichneten Strahlengang des ersten Teilstrahlenbündels angeordneten Referenzreflektor, von dem das erste Teilstrahlenbündel rückreflektiert wird; einen entlang der Messrichtung bezüglich des Referenzreflektors beweglichen Messreflektor, der im als Messstrahlengang bezeichneten Strahlengang des zweiten Teilstrahlenbündels angeordnet ist und dieses zurückreflektiert; eine Überlagerungsanordnung zur Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel nach deren Reflektion am jeweils zugeordneten Reflektor zur Erzeugung eines Messsignales, aus dem Änderungen der Relativposition des Mess- bezüglich des Referenzreflektors ableitbar sind; eine der Erzeugung eines Referenzimpulses dienende zweite Strahlungsquelle zur Aussendung weiterer elektromagnetischer Strahlenbündel; sowie eine Einkoppeleinrichtung, mit der die von der zweiten Strahlungsquelle erzeugten Strahlenbündel in den Strahlengang der ersten Strahlungsquelle eingekoppelt werden, und zwar vor dem Strahlteiler der Positionsmesseinrichtung.
Zur Bestimmung der Lager zweier zueinander beweglicher Objekte mit einer derartigen Positionsmesseinrichtung in Form eines Interferometers wird eines der beiden Objekte mit dem Referenzreflektor und das andere Objekt mit dem hierzu beweglichen Messreflektor verbunden. Bei einer Bewegung der beiden Objekte und damit auch der beiden Reflektoren zueinander erfolgt eine periodische Änderung des durch Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel gebildeten Messsignales in Form eines (inkrementellen) Interferenzsignales, so dass sich Änderungen der Lage der beiden Reflektoren und damit der beiden zu messenden Objekte zueinander hochgenau bestimmen lassen. In einem solchen Messbetrieb wird die Positionsmesseinrichtung ausschließlich mit der elektromagnetischen Strahlung der zur Erzeugung des inkrementellen Interferenzsignales (Messsignales) dienenden ersten Strahlungsquelle betrieben.
Im praktischen Einsatz, wenn etwa ein Interferometer als Einbaumesssystem in einer Werkzeugmaschine zur Bestimmung der Lage zweier zueinander beweglicher Maschinenteile eingesetzt werden soll, ist es häufig erforderlich, bei der Positionsbestimmung einen Absolutbezug zu einer definierten Lage der beiden Reflektoren im Messbereich des Interferometers herstellen zu können. Hierzu ist es beispielsweise aus der EP 1 068 486 B1 bekannt, am Referenzreflektor oder am Messreflektor mindestens eine Referenzmarkierung vorzusehen, die von einer am jeweils anderen Reflektor angeordneten Abtasteinheit abtastbar ist, um ein Referenzimpulssignal zu erzeugen, wenn der Messreflektor und der Referenzreflektor eine durch Abtastung der Referenzmarkierung bestimmbare definierte Lage zueinander aufweisen.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines Referenzimpulses besteht darin, der Positionsmesseinrichtung eine zweite Strahlungsquelle zuzuordnen, welche elektromagnetische Strahlenbündel aussendet, die ausschließlich zu Zwecken der Erzeugung eines Referenzimpulses verwendet werden und die hierzu ebenfalls (im Rahmen einer Referenzfahrt der Positionsmesseinrichtung) in den Strahlengang der Positionsmesseinrichtung eingekoppelt werden. Hierzu ist es aus der JP 07190712 A bekannt, eine Positionsmesseinrichtung in Form eines Interferometers zusätzlich zu einer der Erzeugung eines Messsignales dienenden, kohärenten Strahlungsquelle (Laser) mit einer inkohärenten Lichtquelle, z. B. einer Superlumineszenz-Diode auszurüsten, deren Wellenlänge von der des Laserlichtes abweicht und deren Licht zusätzlich zu dem Laserlicht in das Interferometer eingekoppelt wird. Nach dem Passieren des Interferometers werden die einander überlagerten Signalstrahlenbündel der kohärenten ersten Strahlungsquelle (Laser) einerseits und der inkohärenten zweiten Strahlungsquelle (Superlumineszenz-Diode) andererseits unter Verwendung von Filtern wellenlängenselektiv getrennt, so dass einerseits ein als Messsignal dienendes, durch das Laserlicht erzeugtes inkrementelles Interferenzsignal für die Positionsauswertung und andererseits ein hiervon separiertes, auf das Licht der inkohärenten zweiten Strahlungsquelle zurückgehendes, der Erzeugung eines Referenzimpulses dienendes Referenzsignal vorliegen.
Weitere als Interferometer ausgebildete Positionsmesseinrichtungen, bei denen zur Erzeugung eines Referenzimpulses mittels einer zweiten Strahlungsquelle zusätzliche elektromagnetische Strahlenbündel in den Strahlengang der Positionsmesseinrichtung eingekoppelt und anschließend separat, also unabhängig von dem eigentlichen Messsignal ausgewertet werden, sind aus der JP 05 149 708 A und der JP 11 237 209 A bekannt.
Die bekannten Interferometer, bei denen zur Erzeugung eines Referenzimpulses eine zusätzliche Strahlungsquelle verwendet wird, deren elektromagnetische Strahlung nach dem Passieren des Interferometers von dem eigentlichen Messsignal separiert und separat ausgewertet wird, haben den Nachteil, dass zusätzliche Komponenten einerseits zur Separierung der zusätzlichen elektromagnetischen Strahlung von dem Messsignal und andererseits zur Detektion dieser Strahlung erforderlich sind.
Weiterhin ist aus der US 2003/0 112 444 A1 ein Verfahren zur Messung beliebiger optischer Entfernungen unter Verwendung zweier Lichtquellen bekannt, die insgesamt drei Lichtsignale erzeugen und die in einer bestimmten Beziehung zueinander stehen.
In der DE 43 14 486 C2 ist ein absolut interferometrisches Messverfahren beschrieben, und zwar unter Verwendung eines in mindestens einem Wellenlängenbereich modensprungfrei durchstimmbaren Lasers und eines mit einem Laserstrahl beaufschlagten Messinterferometers mit mindestens einem eine variable Messstrecke aufweisenden Interferometerarm, wobei in dem jeweiligen Interferometerarm aus dem Laserstrahl jeweils mindestens zwei Teilstrahlen gebildet und zur Interferenz gebracht werden und dabei mindestens ein mit Fotodetektoren gemessenes Interferenzsignal erzeugt wird, wobei die Luftwellenlänge des Lasers innerhalb eines modemsprungfrei durchstimmbaren Wellenlängenbereiches zwischen zwei mittels eines Regelinterferometers einstellbaren Wellenlängen durchgestimmt wird und wobei während der Wellenlängenmodulation die jeweilige integrale Phasenänderung eines Interferenzsignales eines Messinterferometers kontinuierlich detektiert und die Länge der Messstrecke nach einer vorgegebenen Formel bestimmt wird.
Und in der US 5 404 221 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abstandsmessung unter Verwendung eines optischen Interferometers und einer zwei-Farben-Lichtquelle dargestellt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau die zuverlässige Bestimmung eines Referenzimpulses ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach ist im Strahlengang der Positionsmesseinrichtung eine Detektionseinrichtung derart angeordnet, dass mit ihr das durch Superposition (Überlagerung) der Strahlenbündel der ersten und zweiten Strahlungsquelle gebildete Referenzsignal empfangen wird und der Detektionseinrichtung ist eine Auswerteeinrichtung zugeordnet, die zur Bildung eines Referenzimpulses durch Auswertung dieses Referenzsignales ausgebildet und vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass bei Nutzung einer zweiten elektromagnetischen Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Referenzimpulses auf die Verwendung zusätzlicher, allein der Erzeugung des Referenzimpulses dienender Komponenten der Positionsmesseinrichtung verzichtet werden kann, wenn der Referenzimpuls nicht allein aus der elektromagnetischen Strahlung bestimmt wird, die mittels der hierfür vorgesehenen zusätzlichen, zweiten Strahlungsquelle in die Positionsmesseinrichtung eingekoppelt wird, sondern vielmehr durch unmittelbare Auswertung des Referenzsignales, das sich durch Überlagerung der Strahlenbündel beider Strahlungsquellen ergibt. In diesem Fall kann die Erzeugung eines Referenzimpulses allein mit Hilfe der Komponenten erfolgen, die für die Durchführung einer Messung unter Verwendung ausschließlich des von der ersten Strahlungsquelle erzeugten Messsignales ohnehin erforderlich sind.
So wird die zum Empfang des Referenzsignales vorgesehene Detektionseinrichtung gleichzeitig auch verwendet, um beim Betrieb der Positionsmesseinrichtung allein mit der elektromagnetischen Strahlung der ersten Strahlungsquelle das hierbei entstehende Messsignal (inkrementelles Interferenzsignal) zu empfangen; und die zugeordnete Auswerteeinrichtung wird zur Auswertung dieses Messsignales (nach der Umwandlung in ein elektrisches Signal durch die Detektionseinrichtung) benötigt.
Der hierbei unmittelbar in dem Interferometer selbst gewonnene Referenzimpuls eignet sich sehr gut für einen phasenstarren und reproduzierbaren Anschluss an die Signalperiode des bei der anschließenden Positionsmessung gewonnenen inkrementellen Messsignals in Form eines Interferenzsignales.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die von der ersten Strahlungsquelle erzeugte elektronische Strahlung einerseits und die von der zusätzlichen, zweiten Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung andererseits eine unterschiedliche Wellenlänge auf, so dass als Referenzsignal ein Schwebungssignal entsteht.
Weiterhin ist die Kohärenzlänge der von der zweiten Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung vorteilhaft substantiell kleiner als die Kohärenzlänge der von der ersten Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung, so dass das durch Überlagerung der elektromagnetischen Strahlung der beiden Strahlungsquellen erzeugte Referenzsignal (Schwebungssignal) ein räumlich begrenztes Signalpaket bildet. Konkret weist die von der ersten Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung in üblicher Weise eine Kohärenzlänge auf, die substantiell größer ist als der Messbereich der Positionsmesseinrichtung, also der maximale Weg, um den die beiden Reflektoren voneinander entfernt werden können. Demgegenüber ist die Kohärenzlänge der von der zweiten Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung bevorzugt erheblich kleiner als der Messbereich der Positionsmesseinrichtung.
Als erste Strahlungsquelle dient vorteilhaft ein Laser mit hinreichend großer Kohärenzlänge, etwa ein HeNe-Laser. Als zweite Strahlungsquelle kann eine Diode verwendet werden, deren Strahlung eine hinreichend kurze Kohärenzlänge aufweist, etwa eine Superlumineszenz-Diode oder eine Laserdiode, die nicht als Laser sondern in spontaner Emission betrieben wird.
Die zweite Strahlungsquelle ist derart ausgebildet, dass sie sich bei einem Betrieb der Positionsmesseinrichtung selektiv zuschalten lässt, nämlich dann, wenn während einer Referenzfahrt der Positionsmesseinrichtung – durch Bewegung der beiden Reflektoren zueinander – ein Referenzsignal erzeugt und hieraus ein Referenzimpuls gebildet werden soll, während sie im üblichen Messbetrieb der Positionsmesseinrichtung, also wenn die beiden Reflektoren zur Bestimmung der Position zweier zueinander beweglicher Objekte zueinander bewegt werden, deaktiviert ist.
Die der zweiten Strahlungsquelle zugeordnete Einkoppeleinrichtung ist derart im Strahlengang der Positionsmesseinrichtung angeordnet, dass die Einkopplung der von der zweiten Strahlungsquelle erzeugten Strahlenbündel in die von der ersten Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung vor dem Strahlteiler der Positionsmesseinrichtung erfolgt. Die zum Empfang des Referenzsignales (und auch des Messsignales im normalen Messbetrieb der Positionsmesseinrichtung) vorgesehene Detektionseinrichtung ist demgegenüber derart im Strahlengang der Positionsmesseinrichtung angeordnet, dass die von den beiden Reflektoren reflektierten Teilstrahlenbündel erst nach ihrer anschließenden Überlagerung auf die Detektionseinrichtung auftreffen, wo die elektromagnetischen Signale (Lichtsignale) in elektrische Signale umgewandelt werden, die – gegebenenfalls nach weiterer Verarbeitung und Interpolation – einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden.
Die Auswerteeinrichtung ist vorgesehen zur Bildung eines Referenzimpulses bei einer – durch Auswertung des Referenzsignales ermittelbaren – vorgebbaren Lage der beiden Reflektoren zueinander, insbesondere einer Lage der beiden Reflektoren zueinander, in denen die vom Referenzreflektor reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung einerseits und die vom Messreflektor reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung andererseits die gleiche optische Weglänge in der Positionsmesseinrichtung aufweisen.
Die Auswerteeinrichtung ist eingerichtet zur Auswertung eines Referenzsignales, das bei einer Bewegung des Messreflektors bezüglich des Referenzreflektors im Rahmen einer Referenzfahrt, also bei gleichzeitigem Betrieb der ersten und zweiten Strahlungsquelle, an der Detektionseinrichtung empfangen wird, wobei der Messreflektor und der Referenzreflektor während der Referenzfahrt bevorzugt mit konstanter Geschwindigkeit relativ zueinander bewegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird hierbei die Hülle des als Schwebungssignal ausgebildeten Referenzsignales ausgewertet, und zwar insbesondere im Hinblick auf das Auftreten von Extremwerten (Minima und Maxima). Die Separierung der Hülle des Referenzsignales kann dabei in bekannter Weise mit einem geeigneten Filter, z. B. einem Bandpassfilter, erfolgen.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, während einer Referenzfahrt des Messreflektors gegen den Referenzreflektor mit einer definierten, bekannten Geschwindigkeit – bei Betrieb beider Strahlungsquellen zur Erzeugung des Referenzsignales – die durch die Zuschaltung der zweiten Strahlungsquelle bedingte Abweichung der gemessenen Position von der Position zu ermitteln, die bei einer üblichen Positionsmessung – unter Verwendung allein der elektromagnetischen Strahlung der ersten Strahlungsquelle – zu erwarten gewesen wäre. Speziell bei einer Referenzfahrt mit konstanter Geschwindigkeit ergäbe sich bei einer Positionsmessung allein unter Verwendung der elektromagnetischen Strahlung der ersten Strahlungsquelle eine lineare Abhängigkeit der Position von der Zeit (während der Bewegung der beiden Reflektoren zueinander). Durch Überlagerung der elektromagnetischen Strahlung der zweiten Strahlungsquelle – mit vergleichsweise kurzer Kohärenzlänge – entsteht ein durch die kurze Kohärenzlänge räumlich begrenzter, überlagerter nichtlinearer Anteil (Schwebungssignal), aus dem sich Informationen über die absolute Lage der beiden Reflektoren zueinander ermitteln lassen, insbesondere durch Bestimmung der Nulldurchgänge des nichtlinearen Anteiles des Positionssignales.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet zur kombinierten Durchführung der beiden vorbeschriebenen Auswertungsmethoden, wodurch sich eine besonders hohe Zuverlässigkeit erreichen lässt, wie weiter unten näher beschrieben werden wird.
Ein Verfahren zur Bildung eines Referenzimpulses für eine erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 33 charakterisiert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den von Patentanspruch 33 abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Positionsmesseinrichtung in Form eines Interferometers;
2a ein Schaltbild eines ersten Teiles einer Positionsmesseinrichtung in Form eines Interferometers, die während einer Referenzfahrt mit dem Licht zweier Lichtquellen betreibbar ist;
2b ein zweiter Teil der Positionsmesseinrichtung aus 2a;
3 eine Darstellung der mit der Positionsmesseinrichtung erzeugten Signale, wenn diese ausschließlich mit dem Licht der einen oder anderen Lichtquelle betrieben wird;
4 eine Darstellung des in der Positionsmesseinrichtung erzeugten Schwebungssignales, wenn diese mit beiden Lichtquellen betrieben wird;
5 einen Ausschnitt des Signales aus 4;
6a ein unter Verwendung der Positionsmesseinrichtung aus den 2a und 2b erzeugtes Positionssignal, wenn diese während einer Referenzfahrt mit beiden Lichtquellen betrieben wird;
6b einen nichtlinearen Anteil des Positionssignales aus 6a;
7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung eines Referenzimpulses unter Verwendung der Positionsmesseinrichtung aus den 2a und 2b.
In 1 ist eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position zweier entlang einer Messrichtung R zueinander beweglicher Objekte O1, O2 in Form eines so genannten Interferometers bzw. genauer eines Laser-Interferometers (Michelson-Interferometer) dargestellt.
Dieses umfasst eine in einem Laser- und Auswertemodul L angeordnete Strahlungsquelle (Lichtquelle) zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung (Licht) mit großer Kohärenzlänge, d. h. einer Kohärenzlänge, die deutlich größer ist als die optische Weglänge, die das von dem Laser- und Auswertemodul L erzeugte Licht in dem Interferometer während einer Positionsmessung zurücklegt. Hierfür eignet sich beispielsweise ein HeNe-Laser als Bestandteil des Laser- und Auswertemoduls L.
Das Laser- und Auswertemodul L ist über eine Glasfaser-Verbindung G mit einem Messkopf M verbunden, der einen Kollimator zur Parallelisierung des in dem Laser- und Auswertemodul L erzeugten und mittels der Glasfaser-Verbindung G weitergeleiteten Laserlichtes enthält. Hinter den Messkopf M ist eine Interferometer-Optik I geschaltet, der das im Messkopf M kollimierte Laserlicht zugeführt wird und die aus dem Laserlicht zwei gleichwertige, parallele Teilstrahlenbündel erzeugt, die jeweils einem von zwei Reflektoren R1, R2 zugeführt werden, die entlang der Messrichtung R zueinander beweglich sind. Bei den Reflektoren R1, R2 handelt es sich beispielsweise um so genannte Retroreflektoren, z. B. in Form von Tripelprismen, die das jeweilige Teilstrahlenbündel reflektieren und zurück zu der Interferometer-Optik I lenken. Dort überlagern sich die beiden Teilstrahlenbündel und gelangen dann zu einer Gruppe im Messkopf M angeordneter Fotoempfänger, die die in Abhängigkeit vom Abstand der beiden Reflektoren R1, R2 modulierten Lichtintensitäten der überlagerten Teilstrahlenbündel in elektrische Signale umwandeln.
Zur Weiterleitung der elektrischen Signale ist der Messkopf M mit dem Laser- und Auswertemodul L mittels einer Signalleitung S verbunden. Die mittels der Signalleitung S dem Laser- und Auswertemodul L zugeführten elektrischen Signale können im Laser- und Auswertemodul L weiterverarbeitet werden, also etwa die Positionsinformationen gewonnen werden, aus denen Positionsänderungen der beiden Reflektoren R1, R2 zueinander ermittelbar und hoch präzise bestimmbar sind.
Indem die beiden Objekte O1, O2, deren Position zueinander mittels des Interferometers bestimmt werden soll, mit jeweils einem der beiden Reflektoren R1, R2 verbunden werden, lässt sich mit dem Interferometer bei einer Bewegung der beiden Objekte O1, O2 zueinander die hiermit verbundene Positionsänderung des einen Objektes O2 bezüglich des anderen Objektes O1 messen. In der Regel geht es dabei um die Messung von Positionsänderungen eines beweglichen Objektes O2 bezüglich eines feststehenden Objektes O1. Der mit dem feststehenden Objekt O1 verbundene Reflektor R1 wird als Referenzreflektor und der mit dem beweglichen Objekt O2 verbundene Reflektor R2 als Messreflektor bezeichnet.
Bei den beiden zueinander beweglichen Objekten, von denen das eine mit dem Messreflektor und das andere mit dem Referenzreflektor verbunden ist, kann es sich beispielsweise um zwei Maschinenteile einer Werkzeugmaschine handeln, insbesondere um ein mit dem Messreflektor zu verbindendes bewegliches Maschinenteil und ein mit dem Referenzreflektor zu verbindendes ortsfestes Maschinenteil.
Nachfolgend wird nun anhand der 2a und 2b das Zusammenwirken sowie der genauere Aufbau der Komponenten eines Interferometers der in 1 gezeigten Art beschrieben, wobei zusätzlich Mittel vorgesehen sind, um bei einer bestimmten Position der beiden Reflektoren R1, R2 (und damit der beiden Objekte O1, O2) zueinander, einen Referenzimpuls zu bilden. Die gemessenen Positionsänderungen können dann auf eine bestimmte Relativposition der beiden Reflektoren R1, R2 bzw. der beiden Objekte O1, O2 bezogen werden, so dass nicht nur Positionsänderungen der beiden Reflektoren R1, R2 bzw. der beiden Objekte O1, O2 bestimmbar sind, sondern auch deren genaue Lage zueinander.
Gemäß 2a umfasst das Interferometer als Strahlungs- bzw. Lichtquelle einen Laser 1 mit großer Kohärenzlänge, z. B. einen HeNe-Laser, der Laserlicht einer Wellenlänge von 633 nm erzeugt.
Die von jenem Laser 1 erzeugten Strahlenbündel B1 werden über eine Linse 30 und einen Lichtleiter 4, z. B. in Form einer Glasfaser-Verbindung, einer einen Kollimator 5 bildenden Optik zugeführt, in der die vom Laser 1 erzeugten Strahlenbündel B1 kollimiert werden.
Das kollimierte Licht wird einer einen Strahlteiler 6 aufweisenden Interferometer-Optik zugeführt, wobei der Strahlteiler beispielsweise gemäß der technischen Lehre der EP 1 031 868 B1 als kompensierter Parallel-Strahlteiler aus zwei einfach herstellbaren, parallelen Glasplatten 61, 62 bestehen kann, von denen eine als Strahlteilerelement und die andere als Ausgleichselement dient. Die beiden Platten 61, 62 sind im so genannten Brewster-Winkel bezüglich des einfallenden parallelisierten Laserlichtes verkippt und erzeugen ausgangsseitig zwei exakt parallele Teilstrahlenbündel T_M, T_R, von denen das eine s-polarisiert und das andere p-poralisiert ist. Für weitere Einzelheiten zum Aufbau und der Funktion eines derartigen kompensierten Parallel-Strahlteilers wird auf die EP 1 031 868 B1 verwiesen.
Das eine Teilstrahlenbündel T_M trifft auf einen Messreflektor 8 und das andere Teilstrahlenbündel T_R auf einen Referenzreflektor 7, ausgebildet jeweils vorzugsweise als Tripelprisma, und wird gemäß 2b durch den jeweiligen Reflektor 7, 8 derart reflektiert, dass er zu der Interferometer-Optik bzw. deren Strahlteiler 6 zurückgelenkt wird, wo die beiden reflektierten Teilstrahlenbündel T_M', T_R' überlagert werden. Das aus der Überlagerung resultierende Strahlenbündel gelangt dann als Signalstrahlenbündel über ein Verzögerungselement in Form eines λ/4-Plättchens 91 und eine Linse 92 mit Gitter zu als Fotoempfängern mit zueinander gedreht orientierten Analysatoren ausgebildeten Detektoren 95 einer Detektionseinrichtung 9. Dort tritt nun Interferenz auf und es werden die durch Überlagerung der beiden reflektierten Teilstrahlenbündel T_M', T_R' erzeugten Messsignale in elektrische Signale umgewandelt, die mittels einer (elektrischen) Signalleitung 96 zur Weiterverarbeitung einer dem Laser 1 zugeordneten, vorteilhaft in ein Lasermodul integrierten, Anpasselektronik 97 zugeführt werden, die die gelieferten Signale in übliche Quadratursignale umwandelt. In einer mit der Anpasselektronik 97 über eine geeignete Schnittstelle verbundenen Auswerteeinrichtung 98, die bevorzugt ebenfalls im Lasermodul angeordnet sein kann, erfolgt dann eine Auswertung der elektrischen Signale, anhand derer sich Änderungen der Position des Messreflektors 8 bezüglich des Referenzreflektors 7 ermitteln lassen.
Falls die Wellenlänge der zweiten Lichtquelle 2 deutlich von der Wellenlänge der ersten Lichtquelle 1 verschieden ist, ist es von Vorteil, für das λ/4-Plättchen 91 ein so genanntes Zweiwellenlängen-Verzögerungsplättchen zu verwenden, das für beide Wellenlängen die gewünschte λ/4-Verzögerung bewirkt.
Da es sich bei dem durch Überlagerung der beiden reflektierten Teilstrahlenbünden T_M', T_R' erzeugten Lichtsignal (Mess- bzw. Interferenzsignal) um ein periodisches Signal handelt, das im Fall des in den 2a und 2b dargestellten Linearinterferometers mit der halben Wellenlänge des von dem Laser 1 erzeugten Laserlichtes oszilliert, ist durch Auswertung dieses Signales bzw. der hieraus erzeugten elektrischen Signale lediglich eine Bestimmung von Änderungen der Position des Messreflektors 8 bezüglich des Referenzreflektors 7 möglich. Denn das durch Überlagerung erzeugte Messsignal oszilliert periodisch in Abhängigkeit von der Position des Messreflektors 8 bezüglich des Referenzreflektors 7 und enthält keine Informationen, die eine Bestimmung der absoluten Position des Messreflektors 8 bezüglich des Referenzreflektors 7 zuließen.
Aus diesem Grund ist es in vielen Anwendungsfällen erforderlich, zusätzlich Mittel zur Erzeugung eines Referenzimpulses vorzusehen, der bei einer bestimmten, vorgebbaren Lage der beiden Reflektoren 7, 8 zueinander gebildet wird. Als Referenzposition der beiden Reflektoren 7, 8 zueinander, bei der ein Referenzimpuls gebildet wird, eignet sich insbesondere diejenige Position, in der die im Messstrahlengang verlaufenden Anteile des vom Laser 1 erzeugten Laserlichtes, also die vom Messreflektor 8 reflektierten Anteile des Laserlichtes die gleiche optische Weglänge aufweisen wie die im Referenzstrahlengang verlaufenden Anteile des Laserlichtes, also die vom Referenzreflektor 7 reflektierten Anteile des Laserlichtes.
Zur Erzeugung eines Referenzimpulses ist vorliegend eine zusätzliche Strahlungsquelle in Form einer Lichtquelle 2 vorgesehen, bei der es sich beispielsweise um eine in spontaner Emission betriebene Laserdiode oder eine Superlumineszenz-Diode handeln kann. Die von dieser Lichtquelle 2 erzeugte elektromagnetische Strahlung in Form von Licht weist eine andere Wellenlänge, z. B. 655 nm, auf als das von dem Laser 1 erzeugte Laserlicht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 633 nm.
Ferner weist die von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugte elektromagnetische Strahlung in Form von Licht eine erheblich geringere Kohärenzlänge auf als das von dem Laser 1 erzeugte Laserlicht. Während die Kohärenzlänge des Laserlichtes deutlich größer ist als der Messbereich der in den 2a und 2b gezeigten Positionsmesseinrichtung, also deutlich größer als der maximale Weg, um den die beiden Reflektoren 7, 8 der Positionsmesseinrichtung entlang der Messrichtung R voneinander entfernt werden können, ist die Kohärenzlänge des von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugten Lichtes erheblich kleiner als jener Messbereich und liegt beispielsweise in der Größenordnung von einigen 10 μm.
Das von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugte Licht wird über eine Einkoppeleinrichtung 3 dem Strahlengang des von dem Laser 1 erzeugten Laserlichtes überlagert, so dass die vom Laser 1 erzeugten Strahlen- bzw. Lichtbündel B1 einerseits und die von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugten Strahlen- bzw. Lichtbündel B2 andererseits gemeinsam über die Linse 30 in den Lichtleiter 4 eingekoppelt werden können. Die Verwendung eines Lichtleiters 4 ist dabei von besonderem Vorteil, da nach der Kollimation am austrittsseitigen Faserende mit dem Kollimator 5 die beiden überlagerten Strahlenbündel unterschiedlicher Wellenlänge automatisch exakt parallel zueinander orientiert sind. Falls die Wellenlänge der zweiten Lichtquelle 2 deutlich von der Wellenlänge der ersten Lichtquelle 1 verschieden ist, ist es von Vorteil, als Kollimator 5 einen achromatischen Kollimator zu verwenden.
Die Einkoppeleinrichtung 3 ist derart hinter den Laser 1 geschaltet, dass die vom Laser 1 erzeugten Strahlenbündel B1 mit den von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugten Strahlenbündeln B2 überlagert werden, bevor die Strahlung bzw. das Licht über den hierfür vorgesehenen Lichtleiter 4 und den Kollimator 5 dem Strahlteiler 6 zugeführt wird. Die Strahlteilerschichten des Strahlteilers 6 sind dabei so dimensioniert, dass diese für die Wellenlänge sowohl des Laserlichtes des Lasers 1 als auch des Lichtes der zusätzlichen Lichtquelle 2 wirksam sind.
Die zusätzliche Lichtquelle 2 ist im Messbetrieb der Positionsmesseinrichtung ausgeschaltet, d. h., sie erzeugt dann keine elektromagnetische Strahlung in Form von Licht, so dass die Positionsmesseinrichtung ausschließlich mit dem Laserlicht des Lasers 1 betrieben wird. Die Zuschaltung der zusätzlichen Lichtquelle 2 erfolgt ausschließlich während einer so genannten Referenzfahrt, während der die beiden Reflektoren 7, 8 der Positionsmesseinrichtung zueinander bewegt werden, um die Relativposition der beiden Reflektoren 7, 8 zu ermitteln, in der ein Referenzimpuls gebildet wird. Hierbei kann es sich insbesondere um diejenige Relativposition der beiden Reflektoren 7, 8 handeln, in der die optischen Weglängen des Messarms der Positionsmesseinrichtung einerseits und des Referenzarmes der Positionsmesseinrichtung andererseits übereinstimmen, in der also die am Messreflektor 8 reflektierten Anteile des in die Positionsmesseinrichtung eingekoppelten Lichtes (erzeugt einerseits durch den Laser 1 und andererseits durch die zusätzliche Lichtquelle 2) dieselbe optische Weglänge aufweisen wie die am Referenzreflektor 7 reflektierten Lichtanteile.
In solchen Anwendungsfällen, in denen aufgrund der Anordnung des Messreflektors 8 einerseits und des Referenzreflektors 7 andererseits optische Weglängengleichheit innerhalb des mechanischen Verfahrbereichs nicht ohne weiteres herstellbar ist, kann optional in den Messarm oder in den Referenzarm der Positionsmesseinrichtung eine so genannte optische Verzögerungsleitung V geschaltet sein, wie in 2b dargestellt.
In 3 ist zum Vergleich der Eigenschaften der beiden Lichtquellen, nämlich des Lasers 1 einerseits und der zusätzlichen Lichtquelle 2 andererseits, das jeweilige Interferenzsignal I1, I2 dargestellt, welches entsteht, wenn die in den 2a und 2b gezeigte Positionsmesseinrichtung nur mit einer der beiden Lichtquellen 1, 2 betrieben wird.
Bei Betrieb der Positionsmesseinrichtung mit dem für die Positionsmessung vorgesehenen Laser 1, der kohärentes Laserlicht erzeugt, ergibt sich als Messsignal das Interferenzsignal I1, bei dem es sich um ein nullpunktsymmetrisches Quadratursignal handelt, dessen Signalperiode im Fall des in den 2a und 2b gezeigten Linearinterferometers mit der halben Wellenlänge des von dem Laser 1 erzeugten Laserlichtes oszilliert. Das Interferenzsignal I1 ist dabei aufgetragen in Abhängigkeit von der Relativposition der beiden Reflektoren 7, 8 zueinander, wobei die Position 0 den Fall bezeichnet, in dem optische Weglängengleichheit im Messarm der Positionsmesseinrichtung einerseits und deren Referenzarm andererseits vorliegt.
Aufgrund der Periodizität des Interferenzsignales I1 sind mit der Positionsmesseinrichtung, wie bereits erläutert, lediglich Änderungen der Position des Messreflektors 8 bezüglich des Referenzreflektors 7 bestimmbar, die sich aus der Anzahl bei einer Relativbewegung durchlaufender Signalperioden des Interferenzsignales I1 ergeben. Aufgrund der großen Kohärenzlänge des für den Messbetrieb der Positionsmesseinrichtung verwendeten Lasers 1 tritt im Messbereich der Positionsmesseinrichtung kein Abfall der Signalgröße auf, d. h., die Amplitude des Interferenzsignales I1 ist im Messbereich der Positionsmesseinrichtung – unabhängig von der Relativposition der beiden Reflektoren 7, 8, konstant.
Würde die Positionsmesseinrichtung in Form eines Interferometers demgegenüber (hypothetisch) ausschließlich mit dem von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugten Licht betrieben, so entstünde das in 3 mit I2 bezeichnete Interferenzsignal in Form eines Quadratursignales, das mit einer Signalperiode oszilliert, die gleich der halben Wellenlänge des von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugten Lichtes ist. Wegen der kurzen Kohärenzlänge des von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugten Lichtes, die beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass eine zusätzliche Lichtquelle 2 in Form einer Laserdiode mit einem Injektionsstrom unterhalb der Laserschwelle betrieben wird, fällt dieses Interferenzsignal I2 ausgehend von dem optische Weglängengleichheit repräsentierenden Nullpunkt sehr stark ab.
Das von der zusätzlichen Lichtquelle 2 ausgestrahlte Licht erzeugt also nur dann ein signifikantes Interferenzsignal I2, wenn die Relativposition der beiden Reflektoren 7, 8 der Positionsmesseinrichtung in einem kleinen, einige 10 μm betragenden Bereich um die Referenzlage liegt, in der optische Weglängengleichheit herrscht.
Der zuletzt beschriebene Fall, in dem die Positionsmesseinrichtung in Form eines Interferometers ausschließlich mit der zusätzlichen Lichtquelle 2 kleiner Kohärenzlänge betrieben wird, spielt allerdings in der Praxis keine Rolle. Vielmehr wird die Positionsmesseinrichtung entweder, im so genannten Messbetrieb, ausschließlich mit dem Laser 1 betrieben, der ein Laserlicht großer Kohärenzlänge erzeugt, oder, im Fall einer so genannten Referenzfahrt, sowohl mit dem Laser 1 als auch mit der zusätzlichen Lichtquelle 2. Bei einer solchen Referenzfahrt werden die beiden Reflektoren 7, 8 in ihrem Messbereich gegeneinander verschoben, um eine bestimmte, als Referenzlage dienende Relativlage zu ermitteln, in der bei der Referenzfahrt ein Referenzimpuls erzeugt wird. Als Referenzlage wird dabei bevorzugt diejenige Lage der beiden Reflektoren 7, 8 verwendet, in der optische Weglängengleichheit im Messarm und Referenzarm der Positionsmesseinrichtung vorliegt.
In 4 ist die Einhüllende H des Schwebungssignales dargestellt, das bei der in den 2a und 2b gezeigten Positionsmesseinrichtung in Form eines Interferometers an den Detektoren 95 (Fotoempfängern) anliegt, wenn während einer Referenzfahrt der Positionsmesseinrichtung, bei der die beiden Reflektoren 7, 8 im Messrichtung R zueinander verstellt werden, sowohl der Laser 1 als auch die zusätzliche Lichtquelle 2 betrieben werden. Dabei wird, wie anhand 2a erkennbar, das von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugte Licht durch Einkopplung mit dem von dem Laser 1 erzeugten Licht überlagert, bevor das durch Überlagerung entstehende Lichtsignal der Interferometer-Optik und sodann den Reflektoren 7, 8 zugeführt wird.
Das wegen der unterschiedlichen Wellenlängen der beiden Lichtquellen 1, 2 entstehende Schwebungssignal weist eine Signalperiode der halben Schwebungs-Wellenlänge auf, wobei die Schwebungslängenwelle gegeben ist durch Λ = λ₁·λ₂/(λ₂ – λ₁). Hierin repräsentiert λ₁ die Wellenlänge des von dem Laser 1 erzeugten Lichtes und λ₂ die Wellenlänge des von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugten Lichtes. Unter Zugrundelegung der oben angegebenen Wellenlängen von 633 nm für das Laserlicht und 655 nm für das von der zusätzlichen Lichtquelle erzeugte Licht ergibt sich eine Schwebungs-Wellenlänge von 18.8 μm. Bei der in den 2a und 2b gezeigten Positionsmesseinrichtung in Form eines Linearinterferometers beträgt die Signalperiode der in 4 gezeigten Schwebungs-Oszillation die Hälfte jener Schwebungs-Wellenlänge. Bei einem Differentialplanspiegel-Interferometer betrüge die Signalperiode der Schwebung ein Viertel der Schwebungs-Wellenlänge.
Während der Verstellung der Position der beiden Reflektoren 7, 8 (vergleiche 2a und 2b) zueinander zur Durchführung einer Referenzfahrt treten dabei die in 4 gezeigten Schwebungs-Oszillationen – bedingt durch die kurze Kohärenzlänge des von der zweiten Lichtquelle 2 erzeugten Lichtes – nur in einem kleinen Positionsbereich um die als Nullpunkt bezeichnete Referenzlage herum auf, in der optische Weglängengleichheit im Mess- und Referenzarm der Positionsmesseinrichtung herrscht. Weicht der Abstand zwischen den beiden Reflektoren 7, 8 um mehr als einige 10 μm von der als Nullpunktlage bezeichneten Referenzlage ab, so treten keine Schwebungs-Oszillationen auf, wie anhand 4 erkennbar. Gemäß 4 treten bei Abweichungen der Relativlage der beiden Reflektoren 7, 8 von der in den Nullpunkt gelegten Referenzlage um mehr als 30 μm keine nennenswerten Schwebungs-Oszillationen mehr auf.
Das Intensitätsverhältnis der von den beiden Lichtquellen 1, 2 (vergleiche 2a) erzeugten Strahlung ist dabei so gewählt, dass die Hüllkurve des Schwebungssignales nicht verschwindet, also keine Nulldurchgänge aufweist. In dem in 4 gezeigten Beispiel ist die Amplitude der von der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugten Lichtstrahlung halb so groß wie die Amplitude des von dem Laser 1 erzeugten Laserlichtes.
5 zeigt einen Ausschnitt aus 4 in einem Positionsbereich von –1 μm bis 5 μm um die Referenzlage (Nullpunktlage) der beiden Reflektoren 7, 8. Dabei ist das an den Detektoren 95 (vergleiche 2b) der Positionsmesseinrichtung anliegende Schwebungssignal SI selbst erkennbar und nicht nur – wie bei der Übersichtsdarstellung gemäß 4 – dessen Hüllkurve. Ferner ist zum Vergleich das Inkrementalsignal I1 dargestellt, das in dem Fall an den Detektoren 95 der Positionsmesseinrichtung anliegt, dass diese nur mit dem Laserlicht des Lasers 1 betrieben wird.
Es ist erkennbar, dass – von der Referenz- bzw. Nullpunktlage (Position 0 μm) ausgehend –, in der im Mess- und Referenzarm der Positionsmesseinrichtung optische Weglängengleichheit herrscht, die Phase des Schwebungssignales SI – ausgehend von Phasengleichheit an der Referenz- bzw. Nullpunktlage – dem inkrementalen Interferenzsignal I1, erzeugt alleine durch das Laserlicht, zunächst vorausläuft, bis nach einem Viertel der Schwebungs-Wellenlänge, also nach der halben Signalperiode der Schwebungs-Oszillation des Schwebungssignales SI, wieder Phasengleichheit vorliegt. Diese Stelle liegt in 5 bei einer Abweichung der Relativposition der beiden Reflektoren 7, 8 von 4.7 μm von der Referenz- bzw. Nullpunktlage mit optischer Weglängengleichheit, also bei dem Positionswert 4,7 μm.
Am Positionswert 4.7 μm kehrt sich das Vorzeichen der Phasendifferenz um, das heißt, das Schwebungssignal SI läuft dann dem inkrementalen Interferenzsignal I1 hinterher usw. Die Differenz der beiden Phasenlagen bildet also ein Differenzsignal mit einer Signalperiode, die der halben Schwebungs-Wellenlänge, also vorliegend 9.4 μm entspricht, wobei dieses Differenzsignal nur innerhalb der Kohärenzlänge des von der zweiten Lichtquelle 2 erzeugten Lichtes, also in einem Bereich von einigen 10 μm um den Positionswert 0 auftritt.
Da jedoch bei Durchführung einer Referenzfahrt der Positionsmesseinrichtung zur Bildung eines Referenzimpulses ausschließlich das bei Betrieb der Positionsmesseinrichtung sowohl mit dem Laser 1 als auch mit der zusätzlichen Lichtquelle 2 erzeugte Referenz- bzw. Schwebungssignal SI nicht aber gleichzeitig auch das inkrementale, ausschließlich von dem Laser erzeugte Mess- bzw. Interferenzsignal I1 vorliegt, kann die Ermittlung der Referenz- bzw. Nullpunktlage der beiden Reflektoren 7, 8 (vgl. 2a und 2b) nicht durch kombinierte Auswertung sowohl des Schwebungssignales SI als auch des Interferenzsignales I1 erfolgen. Anstelle des Interferenzsignales I1 wird daher vorteilhaft die Zeit als Positionsreferenz verwendet. Hierzu werden die beiden Reflektoren 7, 8 bzw. die mit den beiden Reflektoren verbundenen, zueinander beweglichen Objekte O1, O2 während der Referenzfahrt mit konstanter Geschwindigkeit im Messbereich der Positionsmesseinrichtung bewegt.
Wie in 6a dargestellt ergibt sich hierbei außerhalb des Kohärenzbereiches der zweiten Lichtquelle um den Referenz- bzw. Nullpunkt der beiden Reflektoren 7, 8 herum ein lineares, zeitabhängiges Positionssignal, entsprechend einer linearen Änderung der Position der beiden Reflektoren 7, 8 zueinander in Abhängigkeit von der Zeit während der Durchführung der Referenzfahrt mit konstanter Geschwindigkeit. In der Umgebung der Referenz- bzw. Nullpunktlage ist das inkrementale Interferenzsignal I1 (vgl. 5), anhand dessen die lineare Abhängigkeit der Position der beiden Reflektoren 7, 8 zueinander von der Zeit ermittelbar ist, durch eine Nichtlinearität gekennzeichnet, die auf dem Einfluss der in diesem Bereich wirksamen zweiten Lichtquelle 2 bzw. des hiervon ausgesandten Lichtes beruht. Diese Abweichung von der Linearität, nachfolgend auch als Positionsabweichung von der Linearität bezeichnet, ist in 6b vergrößert dargestellt.
Hiervon ausgehend kann die Referenz- bzw. Nullposition der beiden Reflektoren 7, 8 der Positionsmesseinrichtung als Nulldurchgang zwischen dem maximalen und dem minimalen Ausschlag der Nichtlinearität oder auch als mittlerer Nulldurchgang der Nichtlinearität bestimmt werden. Zwar betragen die Positionsabweichungen von der Linearität lediglich einige 10 nm; jedoch ist die mechanische Stabilität hochgenauer Schlitten für die Nanotechnologie oder dergleichen ausreichend, um derartig kleine Abweichungen erfassen zu können.
Alternativ zu der vorbeschriebenen Ermittlung der Referenz- bzw. Nullpunktlage durch Ermittlung nichtlinearer Positionsabweichungen bei einer Referenzfahrt der Positionsmesseinrichtung mit konstanter Geschwindigkeit kann auch eine Auswertung der in 4 gezeigten Hüllkurve H des Schwebungssignales erfolgen, die mittels eines Bandpassfilters gewonnen werden kann. Die Referenz- bzw. Nullpunktlage wird dann als diejenige Position der beiden Reflektoren 7, 8 der Positionsmesseinrichtung definiert, bei der die Hüllkurve H des Schwebungssignales ein Maximum aufweist. Allerdings ist diese Methode zur Bestimmung der Referenz- bzw. Nullpunktlage weniger genau als die zuvor anhand der 6a und 6b beschriebenen, da wegen der geringen Steigung der Hüllkurve H in der Umgebung eines Extremwertes eine exakte Bestimmung der Extremalstelle schwieriger ist als die Ermittlung des in 6b gezeigten mittleren Nulldurchganges der nichtlinearen Positionsabweichung.
Eine besonders vorteilhafte Methode zur Bestimmung des Nulldurchganges besteht in einer Kombination der beiden vorbeschriebenen Verfahren, wie anhand 7 dargestellt. Danach wird einerseits mit einer Bandpassfilterung 101 aus dem Schwebungssignal SI – nach dessen Umwandlung in ein elektrisches Signal mittels der hierfür vorgesehenen Detektoren 95, vgl. 2b – dessen Hüllkurve H gewonnen, in einem weiteren Schritt 102 der ortsabhängige Verlauf der Hüllkurve H ermittelt und schließlich in einem anschließenden Schritt 103 die grobe Position der Referenz- bzw. Nullpunktlage der beiden Reflektoren 7, 8 als Position der maximalen Signalgröße der Hüllkurve H bestimmt.
Unabhängig hiervon erfolgt anhand des bei der Referenzfahrt mit konstanter Geschwindigkeit erzeugten Ausgangssignales – nach Umwandlung in ein elektrisches Signal mittels der hierfür vorgesehenen Detektoren 95 – eine Ermittlung 201 der Änderung der detektierten Position der beiden Reflektoren 7, 8 zueinander in Abhängigkeit von der Zeit, wie in 6a dargestellt, sowie eine Bestimmung 202 des nichtlinearen Anteils des Ausgangssignales, wie in 6b gezeigt. Hieraus wird bei 203 die Referenz- bzw. Nullpunktlage der beiden Reflektoren 7, 8 als derjenige Positionswert bestimmt, in dem der als Positionsabweichung bezeichnete nichtlineare Anteil des Signals einen Nulldurchgang aufweist, der in unmittelbarer Nähe zu dem zuvor bei 103 bestimmten maximalen Signalausschlag der Hüllkurve H des Schwebungssignales SI liegt.
Der hierbei ermittelte Positionswert wird dann als Referenz- bzw. Nullpunktlage der beiden Reflektoren 7, 8 angesehen der einen phasenstarren Anschluss 301 and die Signalperiode aufweist, mit dem das inkrementale Interferenzsignal I1 getriggert wird, um somit bei einer anschließenden Positionsmessung mittels der Positionsmesseinrichtung – unter Verwendung ausschließlich des Lasers 1 als Lichtquelle – die erzeugten inkrementalen Interferenzsignale I1 in eindeutiger Weise auf die absolute und reproduzierbare Referenz- bzw. Nullpunktlage der beiden Reflektoren 7, 8 beziehen zu können.
Durch das beschriebene Vorgehen bei der Ermittlung der Referenz- bzw. Nullpunktlage der beiden Reflektoren 7, 8 – nämlich durch die Kombination einer groben Eingrenzung der Lage des Referenz- bzw. Nullpunktes durch Auswertung der Hüllkurve H und die anschließende präzise Bestimmung der Referenz- bzw. Nullpunktlage anhand des mittleren Nulldurchganges der nichtlinearen Positionsabweichung – wird eine nicht nur hochgenaue, sondern auch äußerst zuverlässige Ermittlung der Referenz- bzw. Nullpunktlage ermöglicht. Dies ist vor allem deshalb von Bedeutung, weil die Kohärenzfunktion einer spontan emittierenden Laserdiode, die vorteilhaft als zweite Lichtquelle 2 der Positionsmesseinrichtung verwendet werden kann, im Abstand von einigen Millimetern periodisch wiederkehrende „Peaks” mit allmählich abfallender Höhe aufweist. Durch die beschriebene Kombinationsmethode wird verhindert, dass fälschlich der Einfluss eines der „Neben-Peaks” der Kohärenzfunktion mit der Referenz- bzw. Nullpunktlage der Reflektoren 7, 8 identifiziert wird. Alternativ oder ergänzend können die besagten „Neben-Peaks” durch eine zusätzliche Hochfrequenzmodulation unterdrückt werden.
Bei Verwendung einer Superlumineszenz-Diode als zusätzlicher Lichtquelle sind derartige „Neben-Peaks” von vornherein stark unterdrückt, weisen also nur eine geringe Signalgröße auf.
Abschließend sei erwähnt, dass die erfindungsgemäßen Prinzipien selbstverständlich auch in Verbindung mit anderen Interferometer-Architekturen eingesetzt werden können, beispielsweise in Planspiegelinterferometern oder aber in Differential-Planspiegelinterferometern.

Claims

Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position zweier entlang einer Messrichtung (R) zueinander beweglicher Objekte mit – einer ersten Strahlungsquelle (1) zur Aussendung elektromagnetischer Strahlenbündel (B1), – einem Strahlteiler (6), der ein jeweiliges von der Strahlungsquelle (1) ausgesandtes Strahlenbündel (B1) in mindestens ein erstes und ein zweites Teilstrahlenbündel (T_R, T_M) aufteilt, – einem Referenzreflektor (7), der im Strahlengang des ersten Teilstrahlenbündels (T_R) angeordnet ist, – einem entlang der Messrichtung (R) bezüglich des Referenzreflektors (7) beweglichen Messreflektor (8), der im Strahlengang des zweiten Teilstrahlenbündels (T_M) angeordnet ist, – einer Überlagerungsanordnung (6) zur Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel (T_R', T_M') nach deren Reflektion am jeweiligen Reflektor (7, 8), – einer zweiten Strahlungsquelle (2) zur Aussendung weiterer elektromagnetischer Strahlenbündel (B2) und – einer Einkopplungseinrichtung (3) zur Einkopplung der weiteren elektromagnetischen Strahlenbündel (B2) in den Strahlengang der von der ersten Strahlungsquelle (1) erzeugten elektromagnetischen Strahlenbündel (B1), dadurch gekennzeichnet, dass in der Positionsmesseinrichtung eine Detektionseinrichtung (9) derart angeordnet ist, dass sie ein durch Superposition der von den beiden Strahlungsquellen (1, 2) ausgesandten Strahlenbündel (B1, B2) erzeugtes Referenzsignal (SI) empfängt, und dass der Detektionseinrichtung (9) eine Auswerteeinrichtung (98) zugeordnet ist, die zur Bildung eines Referenzimpulses in Abhängigkeit von Lage der beiden Reflektoren (7, 8) zueinander durch Auswertung des Referenzsignales (SI) eingerichtet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsquelle (1) einerseits und die zweite Strahlungsquelle (2) andererseits zur Aussendung elektromagnetischer Strahlenbündel (B1, B2) unterschiedlicher Wellenlänge ausgebildet sind, so dass das Referenzsignal (SI) ein Schwebungssignal bildet.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlenbündel (B2) ausgebildet ist, deren Kohärenzlänge substantiell kleiner ist als die Kohärenzlänge der von der ersten Strahlungsquelle (1) erzeugten elektromagnetischen Strahlenbündel (B1).
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsquelle (1) ausgebildet ist zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlenbündel (B1), deren Kohärenzlänge substantiell größer ist als der Messbereich der Positionsmesseinrichtung, definiert als der maximale Weg, um den die beiden Reflektoren (7, 8) entlang der Messrichtung (R) voneinander entfernbar sind.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlungsquelle (2) ausgebildet ist zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlenbündel (B2), deren Kohärenzlänge substantiell kleiner ist als der Messbereich der Positionsmesseinrichtung, definiert als der maximale Weg, um den die beiden Reflektoren (7, 8) entlang der Messrichtung (R) voneinander entfernbar sind.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsquelle (1) einen Laser zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlenbündel (B1) aufweist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlungsquelle (2) eine Diode zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlenbündel (B2) aufweist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode als eine Superlumineszenz-Diode ausgebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode als eine Laserdiode ausgebildet ist, die unterhalb der Laserschwelle betrieben wird.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode in spontaner Emission betrieben wird.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Strahlungsquelle (2) ein Hochfrequenzmodulator zugeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung des Referenzsignales (SI) in Betrieb setzbar und zur Erzeugung eines Messsignales (I1) außer Betrieb setzbar ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeleinrichtung (3) einem Strahlteiler (6) vorgeschaltet ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (9) der Überlagerungsanordnung (6) nachgeschaltet ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) eingerichtet ist zur Bildung eines Referenzimpulses bei einer vorgebbaren Lage der beiden Reflektoren (7, 8) zueinander.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) eingerichtet ist zur Bildung des Referenzimpulses bei einer Lage der beiden Reflektoren (7, 8) zueinander, bei der in den Teilstrahlengängen der beiden Teilstrahlenbündel (T_R, T_M) die gleiche optische Weglänge vorliegt.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) eingerichtet ist zur Auswertung des bei einer Bewegung des Messreflektors (8) bezüglich des Referenzreflektors (7) während des Betriebes beider Strahlungsquellen (1, 2) entstehenden Referenzsignales (SI).
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) eingerichtet ist zur Auswertung des bei einer Bewegung des Messreflektors (8) bezüglich des Referenzreflektors (7) bei konstanter Geschwindigkeit während des Betriebes beider Strahlungsquellen (1, 2) entstehenden Referenzsignales (SI).
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) eingerichtet ist zur Auswertung des während einer Bewegung der beiden Reflektoren (7, 8) zueinander bei Betrieb ausschließlich der ersten Strahlungsquelle (1) entstehenden Messsignales.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) eingerichtet ist zur Auswertung der Hüllkurve (H) des Referenzsignales (SI).
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) eingerichtet ist zur Auswertung der Extremwerte, insbesondere der Minima und Maxima, der Hüllkurve (H).
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinrichtung (98) ein Filter, insbesondere in Form eines Bandpassfilters, zur Separierung der Hüllkurve (H) des Referenzsignales (SI) zugeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) zur Bildung des Referenzimpulses während einer Relativbewegung der beiden Reflektoren (7, 8) mit definierter Geschwindigkeit bei gleichzeitigem Betrieb beider Strahlungsquellen (1, 2) aus dem Referenzsignal (SI) ein Positionssignal ermittelt, woraus die als Positionsabweichung bezeichnete Abweichung dieses Positionssignales von dem bei ausschließlichem Betrieb der ersten Strahlungsquelle (1) erwarteten Positionssignal zu bestimmen und auszuwerten ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 18 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Referenzimpulses der nichtlineare Anteil des aus dem Referenzsignal (SI) ermittelten Positionssignales auszuwerten ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Referenzsignal (SI) ermittelte Positionssignal durch Bestimmung und Auswertung der Lage von Nulldurchgängen und/oder Extremwerten der Positionsabweichung auszuwerten ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22 und einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) eingerichtet ist sowohl zur Auswertung der Hüllkurve (H) des Referenzsignales (SI) als auch der Positionsabweichung des Referenzsignales (SI).
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des ersten und/oder zweiten Teilstrahlenbündels (T_R, T_M) eine optische Verzögerungsleitung (V) angeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Einkoppeleinrichtung (3) eine Einkopplung der elektromagnetischen Strahlenbündel (B1, B2) der ersten und zweiten Strahlungsquelle (1, 2) in einen Lichtleiter (4) erfolgt.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lichtleiter (4) austrittsseitig ein Kollimator (5) nachgeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (5) als achromatischer Kollimator ausgebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Überlagerungsanordnung (6) und der Detektionseinrichtung (9) ein λ/4-Plättchen (91) als Verzögerungselement angeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das λ14-Plättchen (91) als Zweiwellenlängen-Verzögerungsplättchen ausgebildet ist.
Verfahren zur Bildung eines Referenzimpulses bei einer Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, wobei a) eine erste Strahlungsquelle (1) elektromagnetische Strahlenbündel (B1) aussendet, die in einem Strahlteiler (6) in mindestens ein erstes und ein zweites Teilstrahlenbündel (T_R, T_M) aufgeteilt werden, b) die Teilstrahlenbündel (T_R, T_M) an jeweils einem Reflektor (7, 8) reflektiert und anschließend in einer Überlagerungsanordnung (6) überlagert werden und c) eine zweite Strahlungsquelle (2) weitere elektromagnetische Strahlenbündel (B2) aussendet, die vor dem Strahlteiler (6) in den Strahlengang der von der ersten Strahlungsquelle (1) erzeugten elektromagnetischen Strahlenbündel (B1) eingekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Überlagerungsanordnung (6) nachgeordnete Detektionseinrichtung (9) ein durch Superposition der von den beiden Strahlungsquellen (1, 2) ausgesandten Strahlenbündel (B1, B2) erzeugtes Referenzsignal (SI) empfängt und dass das von der Detektionseinrichtung (9) empfangene Referenzsignal mittels einer Auswerteeinrichtung (98) zur Bildung eines Referenzimpulses bei einer definierten Lage der beiden Reflektoren (7, 8) zueinander ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlungsquellen (1, 2) elektromagnetische Strahlenbündel (B1, B2) unterschiedlicher Wellenlänge aussenden.
Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlungsquelle (2) elektromagnetische Strahlenbündel (B2) aussendet, deren Kohärenzlänge substantiell kürzer ist als die Kohärenzlänge der von der ersten Strahlungsquelle (1) ausgesandten Strahlenbündel (B1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlungsquelle (2) ausschließlich während einer Referenzfahrt der Positionsmesseinrichtung zur Erzeugung des Referenzsignales (SI) betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) durch Auswertung des Referenzsignales (SI) einen Referenzimpuls bildet, wenn in den Teilstrahlengängen der beiden Teilstrahlenbündel (T_R, T_M) die gleiche optische Weglänge herrscht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Referenzsignales (SI) der Messreflektor (8) mit definierter Geschwindigkeit bezüglich des Referenzreflektors (7) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Messreflektor (8) bezüglich des Referenzreflektors (7) mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinrichtung (98) die Hüllkurve (H) des Referenzsignales (SI) ausgewertet wird, insbesondere hinsichtlich der Lage von Minima und Maxima der Hüllkurve (H).
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) zur Bildung des Referenzimpulses während einer Relativbewegung der beiden Reflektoren (7, 8) mit definierter, bekannter Geschwindigkeit aus dem Referenzsignal (SI) ein Positionssignal ermittelt und dass eine als Positionsabweichung bezeichnete Abweichung dieses Positionssignales von dem bei ausschließlichem Betrieb der ersten Strahlungsquelle (1) erwarteten Positionssignal bestimmt und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 39 und 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) den nichtlinearen Anteil des aus dem Referenzsignal (SI) ermittelten Positionssignales auswertet.
Verfahren nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (98) Nulldurchgänge der Positionsabweichung auswertet.
Verfahren nach Anspruch 40 und einem der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (98) zur Bildung des Referenzimpulses sowohl die Hüllkurve (H) als auch die Positionsabweichung des Referenzsignales (SI) auswertet.