DE102009053006A1

DE102009053006A1 - Längenmessgerät

Info

Publication number: DE102009053006A1
Application number: DE200910053006
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Schulz
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertrdd Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertrdd Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-17
Also published as: DE102009053006B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Längenmessgerät zur absoluten Längenmessung, mit einem Interferometer (14), das einen Referenzarm (18), eine Lichtquelle zum Aussenden eines Mess-Lichtstrahls zu einem Reflektor (12) und eines Referenz-Lichtstrahls in den Referenzarm (18) und eine Wegveränderungsvorrichtung (20) zum Verändern eines optischen Wegs zumindest eines der Lichtstrahlen aufweist. Erfindungsgemäß ist die Wegveränderungsvorrichtung (20) ausgebildet zum stufenweisen Verändern des optischen Wegs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Längenmessgerät zur absoluten Längenmessung, mit einem Interferometer, dass einen Referenz-Arm, eine Lichtquelle zum Aussenden eines Mess-Lichtstrahls zu einem Reflektor und eines Referenz-Lichtstrahls in den Referenz-Arm und eine Wegveränderungsvorrichtung zum Verändern des optischen Wegs zumindest eines der Lichtstrahlen aufweist. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abstandsmessung.
Längenmessgeräte zur absoluten Längenmessung werden beispielsweise zum Kalibrieren von Koordinatenmessmaschinen eingesetzt. Bekannt ist, eine Mehrzahl von so genannten Lasertracern einzusetzen. Ein Lasertracer ist eine Vorrichtung, die mit einem Laserstrahl einen Endeffektor anpeilt und diesem folgt. Der Endeffektor ist als Retroreflektor ausgebildet, so dass ein Interferometer des Lasertracers eine Abstandsänderung des Endeffektors zu einem Drehmittelpunkt des Lasertracers mit hoher Genauigkeit messen kann. Nachteilig an bekannten Lasertracern ist, dass sie darauf angewiesen sind, dass zu jedem Zeitpunkt der Laserstrahl zwischen dem Lasertracer und dem Endeffektor ununterbrochen ist.
Nachteilig an bekannten Längenmessgeräten ist, dass jede Unterbrechung des Laserstrahls zwischen dem Interferometer und dem Reflektor dazu führt, dass die Messung unbrauchbar ist und wiederholt werden muss. Wird nämlich der Laserstrahl unterbrochen, so kann nach dem Ende der Unterbrechung zwar noch die Phasenlage zwischen dem Laserstrahl im Referenz-Arm und zum Reflektor bestimmt werden, unbekannt ist aber, wie viele volle Wellenlängen der Reflektor während der Zeitunterbrechung zurückgelegt hat. In anderen Worten ist auf einer Skala in Wellenlängeneinheiten zwar die Nachkommastelle der Abstandsänderung bekannt, nicht aber die Vorkommastelle.
Um dieses Problem zu lösen und weitere, beispielsweise mehrdimensionale Informationen zu erhalten, ist vorgeschlagen worden, eine Mehrzahl an Lasertracern einzusetzen. Nachteilig hieran ist aber der hohe Aufwand, da es sich bei Lasertracern um aufwändige Geräte handelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
Die Erfindung löst das Problem durch ein oben beschriebenes Längenmessgerät, bei dem die Wegveränderungsvorrichtung ausgebildet ist zum stufenweisen Verändern des optischen Wegs. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zur Abstandsmessung, mit den Schritten (i) Erzeugen eines ersten Lichtstrahls und eines zweiten Lichtstrahls in einer Lichtquelle, wobei einer der Lichtstrahlen zu einem Reflektor geschickt wird, dessen Reflektor-Abstand bezüglich einer Referenzposition zu bestimmen ist, und der andere Lichtstrahl in einen Referenz-Arm geschickt wird und wobei das Licht der Lichtstrahlen eine spektrale Breite hat, (ii) Verändern des optischen Wegs zumindest eines Teils des ersten Lichtstrahls, (iii) Überlagern von erstem Lichtstrahl und zweitem Lichtstrahl und (iv) Berechnen des Abstands anhand desjenigen optischen Wegs, bei dem es zu nachweisbarer Interferenz beider Überlagerung kommt, wobei das Verändern des optischen Wegs in diskreten Stufen erfolgt.
Vorteilhaft hieran ist, dass das stufenweise Verändern des optischen Wegs eine direkte Umwandlung der Weginformation erlaubt. Zwar erscheint es auf den ersten Blick vorteilhaft, den optischen Weg kontinuierlich zu verändern, es hat sich jedoch gezeigt, dass ein kontinuierliches Verändern stets mechanische Komponenten erfordert. Ein stufenweises Verändern des optischen Wegs hingegen ist mit digitalen optischen Bauteilen möglich, also mit Bauteilen, die ohne eine kontinuierliche Bewegung auskommen. Das erfindungsgemäße Längenmessgerät ist daher besonders robust.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass durch das stufenweise Verändern des optischen Wegs der Reflektor-Abstand besonders schnell gemessen werden kann. Dies ist zunächst kontraintuitiv, weil normalerweise eine kontinuierliche Veränderung einer Größe leichter möglich ist. Da aber, wie oben beschrieben, keine kontinuierlichen Bewegungen notwendig sind, können diese sehr schnell optisch oder elektrisch geschaltet werden, was eine hohe Auswertungsgeschwindigkeit ermöglicht. Da keine beweglichen Teile vorhanden sein müssen, hat die Längenmessvorrichtung zudem einen geringen zeitlich veränderlichen systematischen Fehler.
Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch, dass rein passive oder digitale Bauteile verwendbar sind, ein besonders robustes Längenmessgerät erhalten wird, das auch in raueren Umgebungen eingesetzt werden kann, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen.
Die Erfindung beruht auf der Idee, dass bei einem Weißlichtinterferometer dann und nur dann nachweisbare Interferenz auftritt, wenn die optischen Wege in beiden Armen des Interferometers gleich lang sind, wobei eine Abweichung der beiden optischen Wege tolerierbar ist, wenn die Abweichung kleiner ist als die Kohärenzlänge der Lichtquelle. Durch schrittweises Verändern des optischen Wegs, insbesondere bei stillstehendem Reflektor, und durch Verringern der Kohärenzlänge kann der gesuchte Abstand immer genauer bestimmt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Lichtquelle insbesondere eine Lichtquelle verstanden, die in ihrer spektralen Breite variierbar ist.
Es kann sich dabei je nach gewünschter Kohärenzlänge um einen modulierten Diodenlaser handeln, dessen spektrale Breite größer als 0,01 nm ist. Günstig ist es, wenn der Diodenlaser eine spektrale Breite von weniger als 0,1 nm aufweist. Für spektrale Breiten oberhalb von 1 nm umfasst die Lichtquelle vorzugsweise eine Lampe wie eine Spektrallampe mit einem oder gegebenenfalls auch mehreren Filtern. Dadurch sind spektrale Breiten von bis zu 300 nm einstellbar.
Die Lichtquelle kann aus verschiedenen Teil-Lichtquellen aufgebaut sein. Insbesondere kann die Lichtquelle, wie oben beschrieben, ein Diodenlaser und eine Lampe sowie mindestens ein Filter umfassen, um verschiedene spektrale Breiten zu realisieren.
Wie beim Interferometer in der Regel notwendig, werden der Mess-Lichtstrahl und der Referenz-Lichtstrahl vorzugsweise durch einen Strahlteiler erzeugt, so dass die jeweils hin- und zurücklaufenden Strahlen zur Interferenz gebracht werden können.
Unter dem Merkmal, dass die Wegveränderungsvorrichtung ausgebildet ist zum stufenweisen Verändern des optischen Weges, wird insbesondere verstanden, dass die Wegveränderungsvorrichtung entweder den optischen Weg in zeitlich aufeinander folgenden Stufen verlängert oder dass in der Wegveränderungsvorrichtung mehrere Teil-Strahlen erzeugt werden, die relativ zueinander unterschiedliche optische Wege aufweisen. Denkbar ist auch, dass beide Möglichkeiten zur Erzeugung von Stufen, nämlich zeitlich und räumlich, kombiniert werden.
Es ist bevorzugt, dass das Längenmessgerät einen Reflektor zum Befestigen an einem Objekt, dessen Reflektor-Abstand bezüglich einer Referenzposition zu messen ist, aufweist. Bei diesem Reflektor kann es sich beispielsweise um eine Kugel mit dem Brechungsindex n = 2 handeln. Bei derartigen Kugeln wird ein einfallender Lichtstrahl auf sich selbst zurückreflektiert. Dieser Reflektor kann beispielsweise als Endeffektor an einer Koordinatenmessmaschine oder einer Werkzeugmaschine bzw. einem Roboter angebracht sein, um den Reflektor-Abstand beispielsweise zu einem vorgegebenen Nullpunkt zu ermitteln, beispielsweise von einem Startpunkt der Bewegung des Reflektors.
Grundsätzlich ist es gleichgültig, ob die Wegveränderungsvorrichtung den optischen Weg des Mess-Lichtstrahls, des Referenz-Lichtstrahls oder beider Lichtstrahlen verändert. Besonders einfach ist es jedoch, wenn die Wegveränderungsvorrichtung zum Verändern des optischen Wegs des Lichtstrahls im Referenz-Arm angeordnet ist. Der Referenz-Arm ruht in der Regel relativ zur Umgebung, so dass besonders wenig Messfehler durch Beschleunigung zu erwarten sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle in ihrer spektralen Breite einstellbar. Dazu korrespondiert, dass die Lichtquelle auch in ihrer Kohärenzlänge einstellbar ist, weil zwischen der spektralen Breite Δλ und der Kohärenzlänge die Beziehung
gilt.
Das Interferometer wirkt mit zunehmender spektraler Breite wie ein Weißlicht-Interferometer, so dass es dann und nur dann zur vollständigen nachweisbaren Interferenz kommt, wenn der optische Weg, den der Mess-Lichtstrahl zurücklegt, genau so lang ist wie der Weg, den der Referenz-Lichtstrahl zurücklegt. Eine Differenz zwischen den optischen Wegen der beiden Lichtstrahlen kann durch die Wegveränderungsvorrichtung zumindest näherungsweise kompensiert werden. Da aber die Wegveränderungsvorrichtung den optischen Weg nur stufenweise verändert, kann eine nicht überbrückte Differenz verbleiben. Dadurch, dass die Lichtquelle in ihrer spektralen Breite einstellbar ist, kann die spektrale Breite so gewählt werden, dass es zu einer messbaren Interferenz kommt. So ist entscheidbar, ob die optische Wegdifferenz der optischen Wege von Mess-Lichtstrahl und Referenz-Lichtstrahl unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt.
Besonders bevorzugt weist die Wegveränderungsvorrichtung eine Mehrzahl an Verzögerungsstrecken auf, die sich in ihren optischen Wegen unterscheiden. Insbesondere sind die Verzögerungsstrecken so gewählt, dass jeder optische Weg in einem vorgegebenen Intervall durch Kombination der Verzögerungsstrecken mit höchstens einer vorgegebenen Ungenauigkeit approximiert werden kann.
Beispielsweise existiert eine Anzahl N an Verzögerungsstrecken, wobei die n-te Verzögerungsstrecke (mit 1 ≤ n ≤ N) den optischen Weg auf den 2^–n-ten Teil eines maximalen optischen Wegs verkürzt. Verlängert beispielsweise die längste Verzögerungsstrecke den optischen Weg um I₁, so verzögert die zweite Verzögerungsstrecke den optischen Weg um I₁·2^–1 .= I₀·2^–2 Die n-te Verlängerungsstrecke verlängert den optischen Weg auf I₀·2^–n. Auf diese Weise lässt sich jede optische Wegdifferenz im Intervall von 0 bis I_o mit einer Genauigkeit von 2^–N·I₀ approximieren.
In diesem Fall ist es günstig, wenn die Lichtquelle in ihrer spektralen Breite so variierbar ist, dass die zugehörige Kohärenzlänge zwischen I₀ und I₀·2^–N liegt.
In anderen Worten sind die Lichtquelle und die Verlängerungsstrecken so ausgebildet, dass für jeden Reflektor-Abstand innerhalb eines vorgegebenen Intervalls eine Verlängerungsstrecke oder eine Kombination von Verlängerungsstrecken existiert, für die gilt, dass durch diese Verlängerungsstrecke bzw. diese Kombination von Verlängerungsstrecken laufendes Licht einerseits und Licht des anderen Arms andererseits nachweisbare Interferenz zeigen. Nach dem oben Gesagten ist es möglich, nicht aber notwendig, dass der optische Wege des Mess-Lichtstrahls einerseits und des Referenz-Lichtstrahls exakt gleich lang sind, wenn sich beide optisches Wege nur geringfügig unterscheiden, so sinkt die Intensität der Interferenz, die Interferenz ist jedoch weiterhin nachweisbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wegveränderungsvorrichtung für jede der Verlängerungsstrecken eine Zuschaltvorrichtung zum selektiven Zuschalten einer oder mehrerer Verlängerungsstrecken in den optischen Pfad des Lichtstrahls auf. Vorzugsweise besitzt das Längenmessgerät eine elektrische Steuerung, die ausgebildet ist zum sukzessiven Zuschalten der Verlängerungsstrecken, vorzugsweise mit abnehmendem optischen Weg, gegebenenfalls zum Verändern der optischen Breite, so dass entscheidbar ist, ob durch das Zuschalten der Verlängerungsstrecke die Differenz der optischen Wege des Mess-Lichtstrahls einerseits und des Referenz-Lichtstrahls andererseits kompensiert oder bereits überkompensiert worden ist, und eines Zuschaltens weiterer Verlängerungsstrecken, wenn die Differenz noch nicht kompensiert ist sowie eines Herausschaltens der aktuellen Verlängerungsstrecke, wenn die Differenz der genannten optischen Wege zwischen Mess-Lichtstrahl und Referenz-Lichtstrahl bereits überkompensiert wurde.
Vorzugsweise umfasst das Interferometer zumindest einen flächigen Interferenzdetektor, wobei die Verlängerungsstrecken so zum flächigen Interferenzdetektor angeordnet sind, dass für jeden Reflektor-Abstand innerhalb eines vorgegebenen Intervalls eine Verlängerungsstrecke existiert, für die gilt, dass durch diese Verlängerungsstrecke laufendes Licht und Licht des anderen Arms auf dem flächigen Interferenzdetektor nachweisbare Interferenz zeigen, so dass aus einer Lage eines Differenzmusters auf dem flächen Interferenzdetektor der Reflektor-Abstand berechenbar ist. Die Wegveränderungsvorrichtung kann neben dem flächigen Interferenzdetektor auch eine oben beschriebenen Wegveränderungsvorrichtung mit zuschaltbaren Verlängerungsstrecken umfassen. Gemäß einer weiteren Alternative umfasst die Wegveränderungsvorrichtung neben dem flächigen Interferenzdetektor und/oder den zuschaltbaren Verlängerungsstrecken eine kontinuierliche Verlängerungsstrecke, beispielsweise in Form eines bewegbaren Spiegels. Es kann dann eine Messvorrichtung zum Messen des Wegs vorgesehen sein, die der Spiegel zurücklegt.
Es ist auch möglich, mehr als einen flächigen Interferenzdetektor und/oder im Strahlengang zusätzlich selektiv zuschaltbar Verlängerungsstrecken vorzusehen. Durch die Verwendung eines flächigen Interferenzdetektors kann bei einer vorgegebenen spektralen Breite schnell entschieden werden, wie groß die Differenz der optischen Wege des Mess-Lichtstrahls einerseits und des Referenz-Lichtstrahls andererseits ist.
Es kann dann in einem zweiten Schritt eine Verlängerungsstrecke in den optischen Pfad geschaltet werden, die etwas kleiner ist als die ermittelte Differenz. Danach kann die spektrale Breite der Lichtquelle erhöht werden, wobei das Licht durch einen zweiten flächigen Interferenzdetektor geleitet wird, bei dem sich die Verzögerungsstrecken weniger unterscheiden als beim ersten flächigen Interferenzdetektor. Da eine größere spektrale Breite eine geringere Kohärenzlänge bedeutet, tritt nachweisbare Interferenz nur dann auf, wenn die optischen Wege von Mess-Lichtstrahl und Referenz-Lichtstrahl, jeweils gegebenenfalls korrigiert um die Verlängerungsstrecken, sehr klein ist. Durch Bestimmung der Position des Interferenzmusters auf dem zweiten flächigen Interferenzdetektor kann damit die Differenz der optischen Wege zwischen Mess-Lichtstrahl und Referenz-Lichtstrahl mit höherer Genauigkeit gemessen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Längenmessgeräts,
2 eine schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Längenmessgeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 eine Querschnittsansicht eines flächigen Intensitätsreflektors für das Längenmessgerät nach 2,
4 eine Ansicht von oben auf den Interferenzdetektor gemäß 3 und
5 eine zweite Ansicht gemäß 4 mit einem schematisch eingezeichneten Interferenzmuster.
1 zeigt ein Längenmessgerät 10 mit einem Reflektor 12 und einem Interferometer 14. Das Interferometer umfasst eine Lichtquelle 16, einen Referenzarm 18 und eine Wegveränderungsvorrichtung 20.
Die Lichtquelle 16 weist eine Lampe 22, beispielsweise eine Spektrallampe mit einem Filter und/oder einen modulierbaren Diodenlaser 24 auf. Die Lichtquelle 16 umfasst zudem einen Strahlteiler 26, der einen Ausgangslichtstrahl 28 von der Lampe 22 bzw. dem Diodenlaser 24 aufspaltet in zumindest einen Mess-Lichtstrahl 30 und einen Referenz-Lichtstrahl 32, der im Referenzarm 18 bis zu einem Spiegel 34 läuft und dort auf den Strahlteiler 26 zurückreflektiert wird.
Der Referenz-Lichtstrahl 32 gelangt teilweise in einen Detektor 36, in dem der vom Reflektor 12 reflektierte Mess-Lichtstrahl 30 einerseits und der aus dem Referenzarm 16 zurücklaufende Referenz-Lichtstrahl 32 interferieren. Eine mit dem Detektor 36 verbundene elektrische Steuerung 38 erfasst das Interferenzmuster und errechnet daraus den Gangunterschied zwischen den beiden einfallenden Lichtstrahlen.
Die Wegveränderungsvorrichtung 20 umfasst eine Anzahl N von Verlängerungsstrecken 38.1, 38.2, 38.3, 38.4, 38.5, die durch jeweils zugeordnete Zuschaltvorrichtungen 40.1, ..., 40.5 in den Strahlengang des Referenz-Lichtstrahls 32 geschaltet werden können. Bei den Zuschaltvorrichtungen 40 handelt es sich beispielsweise um Pockels-Zellen oder einen anderen optischen Schalter.
In 1 sind die Zuschaltvorrichtungen 40.1 und 40.3 aktiv, so dass der Referenz-Lichtstrahl 32 durch die erste Verlängerungsstrecke 38.1 und die dritte Verlängerungsstrecke 38.3 verläuft, nicht aber durch die übrigen Verlängerungsstrecken 38.2, 38.4, 38.5. Je größer N, desto höher die erreichbare Genauigkeit. Beispielsweise ist N größer als 10. Im Folgenden bezeichnen Bezugszeichen ohne Zählsuffix das jeweilige Objekt als solches.
Die erste Verlängerungsstrecke (n = 1) verlängert, wenn sie in den Referenz-Lichtstrahl 32 geschaltet wird, dessen optischen Weg I₁ um I₁ = I₀·2^–1, mit einem Grund-Weg I₀. Die zweite Verlängerungsstrecke (n = 2) verlängert den optischen Weg I um die Hälfte des optischen Wegs I₁. Es gilt damit I₂ = I₀·2^–2. Für die n-te Verlängerungsstrecke 38.n gilt, dass diese den optischen Weg um I_n = 2^–n·I₀ verlängert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel verhalten sich die Verlängerungsstrecken so, dass die jeweils zuschaltbaren optischen Wege I_n eine geometrische Reihe bilden. Es ist aber auch möglich, dass die optischen Wege äquidistant oder logarithmisch äquidistant oder noch anders geschachtelt sind.
Zum Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Reflektor 12 entlang einer vorgegebenen Trajektorie bewegt. Die Lichtquelle 16 sendet dabei Licht mit einer großen Kohärenzlänge L_k und entsprechend einer geringen spektralen Breite Δλ aus. Der Detektor 36 erfasst das aus der Bewegung resultierende Interferenzmuster, wobei ein Kopf 44 des Längenmessgerätes 10 stets so nachgeführt wird, dass der Reflektor 12 vom Mess-Lichtstrahl 30 getroffen wird. Die Nachführvorrichtung ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird daher nicht beschrieben. Durch Erfassen der Interferenz von Mess-Lichtstrahl 30 und Referenz-Lichtstrahl 32 wird eine Abstandsänderung des Reflektors 12 relativ zu einer vorgegebenen Referenz-Position mit einer hohen Genauigkeit ermittelt.
Wird der Mess-Lichtstrahl 30 unterbrochen, so wird dies von der Auswerteeinheit 38 erfasst. Daraufhin kann die Auswerteeinheit 38 ein Signal an eine nicht eingezeichnete Maschinensteuerung derjenigen Maschine senden, an der der Reflektor 12 befestigt ist. Diese Maschinensteuerung kann daraufhin die aktuelle Position des Reflektors 12 bzw. die Position zu dem Zeitpunkt, zu dem der Mess-Lichtstrahl 30 unterbrochen worden ist, zurückgeben. Da die Position des Reflektors 12 bis zur Unterbrechung des Mess-Lichtstrahls 30 mit hoher Genauigkeit bekannt war, kann aus den ebenfalls bekannten Bewegungsdaten des Reflektors 12 zum Zeitpunkt der Unterbrechung die Position des Reflektors 12 auf ein Intervall A, das in der Regel ein dreidimensionales Intervall darstellt, eingegrenzt werden. Dieses Eingrenzen des dreidimensionalen Intervalls durch Abfragen der Maschinensteuerung ist aber nicht notwendig. Die Erfindung kann auch ohne diese Vorinformation die Position wie im Folgenden beschrieben ermitteln.
Durch Verlängern des optischen Wegs des Referenz-Lichtstrahls 32, beispielsweise durch Bewegen des Spiegels 34 kann der optische Weg des Referenz-Lichtstrahls 32 in etwa so lang gemacht werden, wie es dem unbekannten aktuellen Abstand d des Reflektors entspricht. Es wird im Folgenden von einem eindimensionalen Intervall [0, ..., D] ausgegangen, in dem der gesuchte Abstand d liegt.
Der erste Grund-Weg I₀ ist so gewählt, dass er größer ist als der Durchmesser D des Intervalls A. Danach wird die Lichtquelle 16 so von der Auswerteeinheit 38 angesteuert, dass die Kohärenzlänge L_K ungefähr der optischen Weglänge I₁ der ersten Verlängerungsstrecke 40.1 entspricht, das heißt, es gilt L_k = I₁ = I₀·2^–1. Die Auswerteeinheit 38 schaltet zudem alle Zuschaltvorrichtungen durch, so dass keine der Verlängerungsstrecken 40.m (für m ≠ n) in den optischen Pfad des Referenz-Lichtstrahls 32 geschaltet sind.
Wenn nun vom Detektor 36 eine Interferenz festgestellt wird, so muss der zu messende Abstand d kleiner als I₁ sein. Ein erstes Bit B₁ einer Bitfolge B wird auf null gesetzt. Ist keine Interferenz festzustellen, wird das erste Bit B₁ auf eins gesetzt und die erste Verlängerungsstrecke 40.1 in den Strahlengang des Differenz-Lichtstrahls 32 geschaltet. Damit ist der erste Iterationsschritt abgeschlossen.
Es folgt ein zweiter Iterationsschritt, bei dem die Auswerteeinheit 38 die Kohärenzlänge L_k der Lichtquelle 16 auf L_k = I₂ = I₀·2^–2 setzt. Wird Interferenz gemessen, so wird ein zweites Bit B₂ der Bitfolge B auf null gesetzt und die zweite Verlängerungsstrecke 40.2 wird nicht in den Lichtpfad des Referenz-Lichtstrahls 32 geschaltet. Ist keine Interferenz festzustellen, wird das zweite Bit B₂ auf eins gesetzt und die Verlängerungsstrecke 40.2 von der Zuschaltvorrichtung 22.2 in den Lichtpfad geschaltet.
Im Allgemeinen wird also für die n-te Verlängerungsstrecke 40.n die Kohärenzlänge L_k zu L_k = I_n = I₀·2^–n gesetzt und dann geprüft, ob Interferenz vorliegt und bejahendenfalls das n-te Bit B_n auf null gesetzt, verneindendenfalls auf eins.
Da die optischen Wege I_n für größer werdende n schnell kleiner werden, konvergiert der optische Weg I_RL des Referenz-Lichtstrahls 32 gegen den optischen Weg I_ML des Mess-Lichtstrahls 30. Sobald der optische Weg I_ML des Mess-Lichtstrahls 30 kleiner ist als eine Wellenlänge λ, kann aus der Phasenlage von Mess-Lichtstrahl 30 und Referenz-Lichtstrahl 32 einerseits und der durch das geschilderte Verfahren erhaltenen Abstandsinformation der genaue Abstand des Reflektors 12 berechnet werden und die Messung kann ohne Genauigkeitsverlust fortgesetzt werden.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Längenmessvorrichtung 10, bei der der Detektor 36 einen flächigen Interferenzdetektor 46 umfasst.
3 zeigt eine Querschnittsansicht des flächigen Interferenzdetektors 46. Es ist zu erkennen, dass der Referenz-Lichtstrahl 32 und der Mess-Lichtstrahl unter 30 einem Einfallwinkel α1 bzw. α2 (wobei α1 = α2 sein kann) auf den flächigen Interferenzdetektor 46 einfallen. Es kommt dadurch an der Stelle des Interferenzdetektors 46, wo sich die beiden Lichtstrahlen 30, 32 annähernd die gleiche optische Weglänge haben, zur Interferenz.
4 zeigt, dass der Referenz-Lichtstrahl 32 in eine Anzahl N an Teil-Lichtstrahlen aufgespalten wird, wobei jeder der Teilstrahlen 32.n (0 < n <= N) in eine Verlängerungsstrecke 40.1, 40.2, ..., 40.n eintritt und danach mit dem Mess-Lichtstrahl 30 interferiert. Die Zone, in der der Mess-Lichtstrahl einerseits und der Referenz-Lichtstrahl 32 in Form seiner Teil-Lichtstrahlen 32.n interferieren, entspricht einer Detektorfläche 48 des Interferenzdetektors 46. Die Detektorfläche 48 ist im vorliegenden Fall durch die aktive Oberfläche eines CCD-Chip gebildet.
Die Zahl der Verlängerungsstrecken N kann mehr als 10 betragen, insbesondere sogar mehr als 25. Im vorliegenden Fall wird der CCD-Chip in N = 50 Streifen aufgeteilt. Die Differenz benachbarter Verlängerungsstrecken ist dabei beispielsweise konstant, das heißt, dass I_j-1 – I_j = I_j – I_j+1 gilt. Die Verlängerungsstrecken sind also linear geschachtelt.
Die spektrale Breite Δλ und die Differenz in den optischen Wegen zwischen zwei benachbarten Verlängerungsstrecken ist so gewählt, dass es stets an einer, insbesondere an genau einer, Stelle zu einer nachweisbaren Interreferenz der beiden Lichtstrahlen 30, 32 kommt. In anderen Worten hat die Detektorfläche eine Breite, die mindestens der Differenz der optischen Wege zweier benachbarter Verzögerungsstrecken entspricht.
Für die Phase des Lichtes φ₁ des Referenz-Lichtstrahls 32 und φ₂ des Mess-Lichtstrahls 30 relativ zu einem beliebigen Nullpunkt gilt für die Wegvariable w φ(w) = 2πw/λ. Mit der Raumkoordinate x gilt x = wsinα und es folgt:
φ₁(x) = xsinα·2π/λ und φ₂(x) = xsinα·2π/λ. Damit folgt für die Phasendifferenz Δφ: Δφ = φ₁ – φ₂ = 4π / λ xsinα.
Der Abstand zweier Interferenzstreifen auf dem Interferenzdetektor 46 entsprich einer Phasendifferenz von 2π, so dass
2π = Δx 4π / λ sinα ⇔ Δx = λ / 2sinα folgt.
Solange keine Abbildungsoptik verwendet wird, was zwar möglich aber aufwändig ist, muss der Abstand zweier Interferenzstreifen mindestens zwei Pixel betragen.
5 zeigt den Fall, dass es in dem Bereich des Interferenzdetektors 46, der zur Verlängerungsstrecke 40.8 wird, zu Interferenz kommt. Aus dem durch die Verlängerungsstrecke 40.8 verlängerten optischen Weg und der genauen Position eines Interferenzmusters 50 auf der Detektorfläche 48 kann die genaue Position des Reflektors 12 (1) bestimmt werden.
Es ist zudem möglich, dass das Längenmessgerät zwei getrennte Interferometer aufweist, deren Strahlen in einem gemeinsamen Strahlengang zum Reflektor geführt werden. Das erste Interferometer arbeitet mit einem Laser mit einer möglichst großen Kohärenzlänge, beispielsweise über zehn Zentimetern. Das zweite Interferometer arbeitet als Weißlichtinterferometer mit Wegveränderungsvorrichtung und hat eine Genauigkeit, die es gestattet, die absolute Position mit einer Genauigkeit zu messen, die für die Entscheidung ausreicht, welchen Weg in vollen Wellenlängen des Lichts des ersten Interferometers der Reflektor bei seiner Bewegung bislang zurückgelegt hat. Die exakte Position kann dann vom ersten Interferometer bestimmt werden, da die Phasenlage von Mess-Lichtstrahl und Referenz-Lichtstrahl stets genau bestimmbar ist.
Bezugszeichenliste

10: Längenmessgerät
12: Reflektor
14: Interferometer
16: Lichtstrahl
18: Referenzarm
20: Wegveränderungsvorrichtung
22: Lampe
24: Diodenlaser
26: Strahlteiler
28: Ausgangs-Lichtstrahl
30: Mess-Lichtstrahl
32: Referenz-Lichtstrahl
34: Spiegel
36: Detektor
38: Auswerteeinheit
40: Verlängerungsstrecke
42: Zuschaltvorrichtung
44: Kopf
46: flächiger Interferenzdetektor
48: Detektorfläche
50: Interferenzmuster
A: Intervall [0, ..., d]
B: Bitfolge B = B1; B2; B3
d: zu messender Abstand
I: optischer Weg
I0: Grund-Weg
Lk: Kohärenzlänge
Δλ: spektrale Breite
N: Anzahl an Verlängerungsstrecken
n: Laufindex 1 ≤ n ≤ N

Claims

Längenmessgerät zur absoluten Längenmessung, mit (a) einem Interferometer (14), das – einen Referenzarm (18), – eine Lichtquelle zum Aussenden eines Mess-Lichtstrahls zu einem Reflektor (12) und eines Referenz-Lichtstrahls in den Referenzarm (18) und – eine Wegveränderungsvorrichtung (20) zum Verändern eines optischen Wegs zumindest eines der Lichtstrahlen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass (b) die Wegveränderungsvorrichtung (20) ausgebildet ist zum stufenweisen Verändern des optischen Wegs.
Längenmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle in ihrer spektralen Breite einstellbar ist.
Längenmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegveränderungsvorrichtung (20) eine Mehrzahl an Verlängerungsstrecken (40) aufweist, die sich in ihren optischen Wegen unterscheiden.
Längenmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Lichtquelle ausgebildet ist, um Licht mit einer spektralen Breite (Δλ) abzustrahlen, und – die Verlängerungsstrecken (40) so ausgebildet sind, dass für jeden Reflektor-Abstand eine Verlängerungsstrecke oder eine Kombination von Verlängerungsstrecken (40) existiert, für die gilt, dass durch diese Verlängerungsstrecke bzw. diese Kombination von Verlängerungsstrecke laufendes Licht einerseits und Licht des anderen Arms andererseits Interferenz zeigen.
Längenmessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegveränderungsvorrichtung (20) für jede der Verlängerungsstrecken eine Zuschaltvorrichtung (42) zum selektiven Zuschalten einer oder mehrerer Verlängerungsstrecken (40) in den optischen Pfad des Lichtstrahls (16) aufweist.
Längenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (14) einen flächigen Interferenzdetektor (46) aufweist, – wobei die Verlängerungsstrecken (40) so zum flächigen Interferenzdetektor (46) angeordnet sind, dass für jeden Reflektor-Abstand eine Verlängerungsstrecke (40) existiert, für die gilt, dass durch diese Verlängerungsstrecke (40) laufendes Licht und Licht des anderen Arms auf dem flächigen Interferenzdetektor (56) Interferenz zeigen, so dass aus einer Lage eines Interferenzmusters auf dem flächigen Interferenzdetektor (46) der Reflektor-Abstand berechenbar ist.
Längenmessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerungsstrecken (40) so angeordnet sind, dass sie gleichzeitig vom Lichtstrahl (16) beleuchtet werden.
Verfahren zur Abstandsmessung, mit den Schritten: (i) Erzeugen eines ersten Lichtstrahls und eines zweiten Lichtstrahls in einer Lichtquelle, – wobei einer der Lichtstrahlen zu einem Reflektor (12) geschickt wird, dessen Reflektor-Abstand bezüglich einer Referenzposition zu bestimmen ist, und der andere Lichtstrahl in einen Referenz-Arm (18) geschickt wird, und – wobei die Lichtstrahlen eine spektrale Breite (Δλ) haben, (ii) Verändern des optischen Wegs zumindest eines Teils des ersten Lichtstrahls (16), (iii) Überlagern von erstem Lichtstrahl und zweitem Lichtstrahl und (iv) Berechnen des Abstands anhand desjenigen optischen Wegs, bei dem es zur Interferenz kommt, dadurch gekennzeichnet, dass (v) das Verändern des optischen Wegs in diskreten Stufen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritten umfasst: – Verändern, insbesondere Verlängern, des optischen Wegs um ein erstes Wegstück, – Ändern einer Kohärenzlänge des Lichts der Lichtstrahlen auf einen Betrag, der so gewählt ist, dass entscheidbar ist, ob der Reflektor-Abstand kleiner ist als das erste Wegstück, – verneinendenfalls Verändern, insbesondere Verlängern, des optischen Wegs um ein zweites Wegstück und – Wiederholen der genannten Schritte, bis die Kohärenzlänge unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verändern des optischen Wegs erfolgt durch Aufteilen zumindest des ersten Lichtstrahls (16) in zumindest zwei Teil-Lichtstrahlen und Verändern der optischen Wege der Teil-Lichtstrahlen um unterschiedliche optische Wege erfolgt, und das Verfahren die Schritte – Überlagern der Teil-Lichtstrahlen mit dem zweiten Lichtstrahl auf einem flächigen Detektor (46), so dass dann, wenn eine Wegdifferenz zwischen den optischen Wegen der Teil-Lichtstrahlen unterhalb eines vorgegebenen Maximalwertes liegt, Interferenz bei genau einem Teil-Lichtstrahl eintritt, und – Berechnen des Abstands aus einer Position der Interferenz auf dem flächigen Detektor (46) umfasst.