DE102010062842B4

DE102010062842B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Position eines Objekts

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Publication number: DE102010062842B4
Application number: DE201010062842
Authority: DE
Inventors: Bernd Spruck; Cristina Alvarez Diez
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2030-12-11
Also published as: DE102010062842B9; DE102010062842A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Position eines Objekts (12) umfasst ein Grob-Messsystem (4, 41–44, 52, 53) zum Ermitteln einer Grob-Information für eine Länge eines Messpfads (8) und eine interferometrische Messanordnung (2, 36–38). Das Grob-Messsystem verwendet ein Messsignal (113), das eine Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung aufweist. Die Vorrichtung umfasst optische Komponenten (48–50), die eingerichtet sind, um das Messsignal (113) und einen Interferometer-Objektstrahl (39) der interferometrischen Messanordnung (2, 36–38) so zu kombinieren, dass sie denselben Messpfad (8) zwischen dem Objekt und einer Referenzposition durchlaufen. Eine Auswerteeinrichtung (51) ist eingerichtet, um abhängig von einer mit der interferometrischen Messanordnung (2, 36–38) erfassten Intensität eines Interferenzsignals (40) eine dem Messpfad (8) zugeordnete Phasenverschiebung zwischen dem Interferometer-Objektstrahl (39) und einem Interferometer-Referenzstrahl (38) zu bestimmen, und um die absolute Position des Objekts abhängig von der Grob-Information und der Phasenverschiebung zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Position eines Objekts. Insbesondere betrifft die Erfindung derartige Verfahren und Vorrichtungen, bei denen die Positionsbestimmung berührungslos erfolgt.
Die Messung von Positionen hat zahlreiche Anwendungsgebiete, beispielsweise bei der Steuerung oder Regelung von verschiedenen Maschinen und Geräten in der Industrie, Medizin oder Unterhaltungsbranche. Messungen von Entfernungen eines Objekts relativ zu mehreren Referenzpositionen oder von mehreren Punkten eines Objekts zu einer Referenzposition erlauben die Bestimmung der absoluten Position eines Objekts in einem zwei- oder dreidimensionalen Raum, die beispielsweise in der Fertigungstechnik oder Qualitätskontrolle zahlreiche Anwendungen findet.
Koordinatenmessgeräte sind ein beispielhaftes Anwendungsgebiet, in dem eine Positionsbestimmung in einem dreidimensionalen Raum mit einer möglichst hohen Genauigkeit wünschenswert ist. Koordinatenmessgeräte können einen Messkopf aufweisen, der beispielsweise mit einem Taststift oder mit anderer Sensorik ausgestattet sein kann. Es ist wünschenswert, die Position des Messkopfes in einem großen räumlichen Bereich mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Die Vermessung von Oberflächen in der quantitativen Qualitätssicherung oder die Bestimmung einer Lage eines robotischen Geräts in der automatisierten Fertigung stellen weitere mögliche Anwendungen dar, bei denen die genaue Bestimmung einer Position in einem großen Raumbereich wünschenswert sein kann. Besonders hohe Anforderungen an Messgenauigkeiten werden beispielsweise bei der Herstellung von Teleskopspiegeln, optischen Komponenten für die Herstellung von Halbleiterstrukturen mit Größenordnungen im Nanometerbereich, im Flugzeugbau oder in der Raumfahrtindustrie gestellt.
Entfernungen können durch die Messung einer von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Licht, zurückgelegten Weglänge bestimmt werden. Dazu durchläuft die elektromagnetische Strahlung einen Weg zwischen einer Referenzposition und dem Objekt einmal oder mehrfach, so dass aus der von der Strahlung zurückgelegten Weglänge die Entfernung ableitbar ist. Dabei besteht häufig eine reziproke Wechselbeziehung zwischen der maximal messbaren Entfernung und der erzielbaren Auflösung derart, dass die erzielbare Auflösung für Messmethoden mit größerer maximal messbarer Entfernung abnimmt.
Die US 4,818,100 und die US 4,856,893 beschreiben die Kombination einer Abstandsmessung unter Verwendung von Lichtpulsen und einer interferometrischen Messanordnung. Die interferometrische Messanordnung ist dabei so ausgestaltet, dass eine Frequenz eines Dopplersignals ermittelt wird, das bei einer Positionsänderung des Objekts oder bei einer Abtastbewegung des Messstrahls resultiert. Die Frequenz des Dopplersignals wird integriert, um eine Phasenänderung zu ermitteln. Bei der Integration der Frequenz des Dopplersignals bleibt jedoch die Integrationskonstante unbestimmt, so dass nur relative Entfernungen, die aus einer Positionsänderung des Objekts oder einer Abtastbewegung des Messstrahls resultieren, bestimmbar sind.
Die DE 10 2004 037 137 A1 schlägt die Kombination einer TOF-Messung mit einer weiteren optischen Messmethode vor, die beispielsweise eine Triangulationsmethode oder eine interferometrische Messmethode sein kann. Es wäre wünschenswert, eine TOF-Messung mit hoher Genauigkeit auszuführen, um eine nahtlose Kombination mit einer interferometrischen Methode zu erlauben.
Die DE 10 2008 045 387 A1 und die DE 10 2008 045 386 A1 beschreiben die Positionsbestimmung unter Verwendung von Lichtpulsen, wobei die Phasenlage einer Signalkomponente bestimmt wird, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate der Folge von Lichtpulsen oszilliert. Mit den beschriebenen Methoden und Vorrichtungen kann in einem relativ großen Entfernungsbereich die Bestimmung von Abständen mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich erreicht werden. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit ist wünschenswert.
Die DE 10 2009 024 464 beschreibt eine Auswerteeinrichtung für eine Messanordnung, mit der Längenmessungen unter Verwendung einer Folge von Lichtpulsen über einen verhältnismäßig großen Bereich möglich sind.
Die EP 1 970 666 A1 beschreibt ein Interferometer. Ein Messstrahl wird periodisch unterbrochen, um eine zeitliche Modulation des Messstrahls vorzusehen. Eine Interferenzmessung wird durchgeführt, und ein absoluter Abstand eines Objekts wird ermittelt.
Die US 7,667,824 B1 beschreibt ein System, bei dem ein Abstandsbereich eines Objekts identifiziert und eine Scherinterferometrie durchgeführt wird.
Die Realisierung von Verfahren und Vorrichtungen, bei denen absolute Entfernungen oder absolute Objektpositionen in Räumen von einigen Metern bis einigen zehn Metern Länge mit einer hohen Genauigkeit, beispielsweise mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer, bestimmt werden, stellt eine technische Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere, wenn Positionen mit einer hohen Messrate bestimmt werden sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung einer absoluten Position eines Objekts anzugeben. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, das bzw. die eine Positionsbestimmung mit guter Ortsauflösung über einen großen Bereich erlaubt, also einen großen Dynamikbereich aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
Nach einem Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Position eines Objekts angegeben, wobei eine interferometrische Messanordnung und ein Messsignal, das eine Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eine Folge von Lichtpulsen, umfasst, verwendet werden. Das Messsignal und ein Interferometer-Objektstrahl der interferometrischen Messanordnung werden so kombiniert, dass sie denselben Messpfad zwischen dem Objekt und einer Referenzposition durchlaufen. Eine Intensität des Messsignals nach Durchlaufen des Messpfads wird als Funktion der Zeit erfasst, um eine Grob-Information für eine Länge des Messpfads zu bestimmen. Abhängig von einer Intensität eines durch Überlagerung des Interferometer-Objektstrahls und eines Interferometer-Referenzstrahls erzeugten Interferenzsignals wird eine dem Messpfad zugeordnete Phasenverschiebung zwischen dem Interferometer-Objektstrahl und dem Interferometer-Referenzstrahl bestimmt. Die absolute Position des Objekts wird abhängig von der Grob-Information und der Phasenverschiebung bestimmt.
Durch die Einkopplung des Messsignals und des Interferometer-Objektstrahls in einen gemeinsamen Messpfad kann der im Vergleich zu einer interferometrischen Messung große Messbereich, der durch Auswertung des Messsignals abgedeckt werden kann, mit der hohen Auflösung der interferometrischen Messanordnung kombiniert werden. Wenn eine Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, deren Dauer kurz im Vergleich zu einem Abstand zwischen den Pulsen sein kann, zur Bestimmung der Grob-Information für die Länge des Messpfads verwendet wird, wird ein nahtloser Anschluss zwischen der Auflösung des Grob-Messsystems und der Längenbestimmung mit der interferometrischen Messanordnung ermöglicht. Durch die Auswertung der Phasenverschiebung zwischen dem Interferometer-Objektstrahl und dem Interferometer-Referenzstrahl, die dem Messpfad zugeordnet ist, kann eine absolute Längenmessung, nicht nur die Messung einer Längenänderung realisiert werden.
Zum Bestimmen der Phasenverschiebung wird die Intensität des Interferenzsignals mit einer abstandsabhängigen Interferenzamplitude verglichen. Dadurch können Effekte wie die abstandsabhängige Abschwächung des Interferenzsignals aufgrund von Streuung, Strahldivergenz oder anderen Effekten berücksichtigt werden, um die Phasenverschiebung mit höherer Genauigkeit zu bestimmen. Dies wird möglich, ohne durch Änderung der relativen Position zwischen Objekt und Referenzposition eine Abstandsänderung herbeiführen zu müssen und so die Interferenzamplitude, d. h. das Maximum des Interferenzsignals, ermitteln zu können.
Die Interferenzamplitude wird unter Verwendung elektronischer Rechenmitteln bestimmt. Beispielsweise kann die Bestimmung der Interferenzamplitude durch Zugriff auf ein gespeichertes Kennfeld erfolgen. Durch die Bestimmung der Interferenzamplitude unter Verwendung elektronischer Rechenmitteln ist es möglich, aus der Intensität eines einzigen Interferenzsignals die Phasenverschiebung zu ermitteln.
Die Interferenzamplitude kann abhängig von der Grob-Information bestimmt werden. Dadurch können insbesondere langsam mit der Länge des Messpfads variierende Einflüsse, beispielsweise eine mit der Länge des Messpfads zunehmende Abschwächung der Interferenzamplitude aufgrund von Streuung oder Strahldivergenz, berücksichtigt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Interferenzamplitude abhängig von der Intensität des Interferenzsignals bestimmt werden. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, sich auf vor Betrieb der interferometrischen Messanordnung gewonnene Informationen über die Abstandsabhängigkeit der Interferenzamplitude zu verlassen. Eine Bestimmung der Interferenzamplitude abhängig von der Intensität des Interferenzsignals kann insbesondere dann erfolgen, wenn eine Intensität des Interferometer-Objektstrahls nach Durchlaufen des Pfads zwischen dem Objekt und der Referenzposition erfasst wird.
Bei dem Verfahren kann eine Intensität eines durch Überlagerung des Interferometer-Objektstrahls und eines weiteren Interferometer-Referenzstrahls erzeugten weiteren Interferenzsignals erfasst werden, wobei der weitere Interferometer-Referenzstrahl phasenkohärent zu dem Interferometer-Referenzstrahl ist. Die Position des Objekts kann abhängig von der Grob-Information, der Phasenverschiebung und der Intensität des weiteren Interferenzsignals bestimmt wird. Dadurch wird es möglich, den Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung zu vergrößern und/oder die Phasenverschiebung auch ohne vorherige Kenntnis der abstandsabhängigen Interferenzamplitude zu ermitteln.
Die Intensität des Interferenzsignals und die Intensität des weiteren Interferenzsignals können zeitlich parallel ermittelt werden. Dies erlaubt es, die Datenerfassung für eine Positionsbestimmung rasch durchzuführen.
Die Intensität des Interferenzsignals und die Intensität des weiteren Interferenzsignals können auch zeitsequentiell ermittelt werden. Die Intensität des Interferenzsignals und die Intensität des weiteren Interferenzsignals können von einem gemeinsamen Detektor erfasst werden, wobei durch ein steuerbares optisches Element eine Phasenlage des Interferometer-Referenzstrahls oder des Interferometer-Objektstrahls beeinflusst werden kann, um die Phasenverschiebung zwischen Interferometer-Objektstrahl und Interferometer-Referenzstrahl bei vorgegebener Objektposition um einen vorbekannten Wert zu verändern.
Das weitere Interferenzsignal kann so erzeugt werden, dass eine Differenz zwischen der Phasenverschiebung und einer dem weiteren Interferenzsignal zugeordneten weiteren Phasenverschiebung einen bekannten Wert aufweist. Der bekannte Wert kann von π und ganzzahligen Vielfachen von π verschieden sein. Der bekannte Wert kann näherungsweise π/2 oder näherungsweise ein ungeradzahliges Vielfaches von π/2 sein. Auf diese Weise kann eine besonders robuste Ermittlung der Phasenverschiebung aus der Intensität des Interferenzsignals und des weiteren Interferenzsignals erfolgen.
Das Bestimmen der Grob-Information kann ein Auswerten einer Signalkomponente des erfassten Messsignals umfassen, die mit einem Vielfachen einer Repetitionsrate der Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung oszilliert. Es kann eine Phasenlage der Signalkomponente relativ zu einem Referenzsignal bestimmt werden, das aus dem Ausgangssignal einer Quelle des Messsignals abgeleitet werden kann.
Das Vielfache der Repetitionsrate kann so gewählt werden, dass eine Abweichung zwischen der Länge des Messpfads und der bestimmten Grob-Information kleiner als ein Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung ist.
Zum Bestimmen der absoluten Position des Objekts kann abhängig von der Grob-Information eine ganzzahlige Anzahl von in der Länge des Messpfads enthaltenen Eindeutigkeitsbereichen der interferometrischen Messanordnung ermittelt werden. Die ermittelte Anzahl kann abhängig von der ermittelten Phasenverschiebung einer Konsistenzprüfung unterzogen werden. Die Konsistenzprüfung kann einen Schwellenwertvergleich der Phasenverschiebung umfassen. Auf diese Weise kann eine ganze Zahl mit der Eigenschaft ermittelt werden, dass das Produkt aus der ganzen Zahl M und dem Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung (als Länge) kleiner als die Länge des Messpfads und das Produkt von (M + 1) und dem Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung größer als die Länge des Messpfads ist.
Die interferometrischen Messanordnung kann eine Quelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung umfassen. Die kohärente elektromagnetische Strahlung kann eine nicht amplitudenmodulierte Strahlung sein. Die Quelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung kann zum Pumpen einer Quelle zum Erzeugen des Messsignals eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Quelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung ein Laser mit einer Wellenlänge im IR-Bereich sein, der zum Pumpen eines Kurzpulslasers, beispielsweise eines optischen Frequenzkamms, eingesetzt wird.
Bei dem Verfahren können zeitsequentiell wenigstens drei Richtungen des Messpfads eingestellt werden. Für jede der drei Richtungen kann die Grob-Information für die Länge des Messpfads und die dem Messpfad zugeordnete Phasenverschiebung ermittelt werden. Mehrere Koordinaten einer Position des Objekts können abhängig von den für die drei Richtungen ermittelten Längen und Phasenverschiebungen bestimmt werden. Auf diese Weise können beispielsweise wenigstens drei Koordinaten eines Objekts ermittelt werden, die die Position und/oder Orientierung im Raum angeben.
Das Verfahren kann zur Bestimmung der absoluten Position eines Messkopfs einer Koordinatenmessmaschine verwendet werden. Das Verfahren kann auch zur Bestimmung der absoluten Position einer Roboterkomponente verwendet werden.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Position eines Objekts nach einem Aspekt umfasst eine interferometrische Messanordnung und eine Quelle zum Erzeugen eines Messsignals, das eine Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eine Folge von Lichtpulsen, umfasst. Die Vorrichtung umfasst optische Komponenten, die eingerichtet sind, um das Messsignal und einen Interferometer-Objektstrahl der interferometrischen Messanordnung so zu kombinieren, dass sie denselben Messpfad zwischen dem Objekt und einer Referenzposition durchlaufen. Die Vorrichtung umfasst einen Detektor zum Erfassen einer Intensität des Messsignals nach Durchlaufen des Messpfads als Funktion der Zeit. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinrichtung, die mit dem Detektor und der interferometrischen Messanordnung gekoppelt und eingerichtet ist, um abhängig von der von dem Detektor erfassten Intensität eine Grob-Information für eine Länge des Messpfads zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung ist auch eingerichtet, um abhängig von einer mit der interferometrischen Messanordnung erfassten Intensität eines Interferenzsignals eine dem Messpfad zugeordnete Phasenverschiebung zwischen dem Interferometer-Objektstrahl und einem Interferometer-Referenzstrahl zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung ist auch eingerichtet, um die absolute Position des Objekts abhängig von der Grob-Information und der Phasenverschiebung zu bestimmen.
Die Auswerteeinrichtung ist eingerichtet, um zum Bestimmen der Phasenverschiebung die Intensität des Interferenzsignals mit einer rechnerisch ermittelten abstandsabhängigen Interferenzamplitude zu vergleichen.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um die Interferenzamplitude unter Verwendung elektronischer Rechenmittel zu bestimmen. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung die Interferenzamplitude basierend auf einem gespeicherten Kennfeld bestimmen.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um die Interferenzamplitude abhängig von der Grob-Information zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, um die Interferenzamplitude abhängig von der Intensität des Interferenzsignals zu bestimmen.
Die interferometrische Messanordnung kann so eingerichtet sein, dass der Interferometer-Objektstrahl und der Interferometer-Referenzstrahl zu einem Interferenzsignal überlagert werden. Die interferometrische Messanordnung kann weiterhin so eingerichtet sein, dass der Interferometer-Objektstrahl und der weitere Interferometer-Referenzstrahl zu einem weiteren Interferenzsignal überlagert werden. Dabei kann die interferometrische Messanordnung so ausgestaltet sein, dass eine Differenz zwischen der Phasenverschiebung, die dem Interferenzsignal entspricht, und einer weiteren Phasenverschiebung, die dem weiteren Interferenzsignal entspricht, einen bekannten Wert aufweist. Die interferometrische Messanordnung kann so eingerichtet sein, dass der bekannte Wert von π und ganzzahligen Vielfachen von π verschieden ist. Der bekannte Wert kann näherungsweise π/2 oder näherungsweise ein ungeradzahliges Vielfaches von π/2 sein.
Die interferometrische Messanordnung kann einen Detektor zum Erfassen des Interferenzsignals und einen weiteren Detektor aufweisen, um das weitere Interferenzsignal zeitlich parallel mit dem Interferenzsignal zu erfassen.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Signalkomponente des erfassten Messsignals auszuwerten, die mit einem Vielfachen einer Repetitionsrate der Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung oszilliert. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Phasenlage der Signalkomponente relativ zu einem Referenzsignal zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung kann so eingerichtet sein, dass eine Abweichung zwischen der Länge des Messpfads und der basierend auf der Signalkomponente bestimmten Grob-Information kleiner als ein Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung ist.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um abhängig von der Grob-Information eine ganzzahlige Anzahl von in der Länge des Messpfads enthaltenen Eindeutigkeitsbereichen der interferometrischen Messanordnung zu ermitteln. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um die ermittelte Anzahl abhängig von der ermittelten Phasenverschiebung einer Konsistenzprüfung zu unterziehen.
Die interferometrischen Messanordnung kann eine Quelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung umfassen. Die kohärente elektromagnetische Strahlung kann eine nicht amplitudenmodulierte Strahlung sein. Die Quelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung kann zum Pumpen der Quelle zum Erzeugen des Messsignals eingesetzt werden.
Die Vorrichtung kann eine steuerbare Strahllenkeinrichtung aufweisen, um das Messsignal und den Interferometer-Objektstrahl steuerbar umzulenken. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um die Strahllenkeinrichtung so zu steuern, dass zeitsequentiell wenigstens drei Richtungen des Messpfads eingestellt werden. Die wenigstens drei Richtungen können so gewählt werden, dass für jede der Richtungen der Messpfad auf ein optisches Element, insbesondere einen Retroreflektor oder einen Detektor, gelenkt wird. Für jede der drei Richtungen kann die Grob-Information für die Länge des Messpfads und die dem Messpfad zugeordnete Phasenverschiebung ermittelt werden. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um mehrere Koordinaten einer Position des Objekts abhängig von den für die drei Richtungen ermittelten Längen und Phasenverschiebungen zu bestimmen.
Die Vorrichtung kann zur Durchführung des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein.
Die mit den Ausgestaltungen der Vorrichtung verbundenen Wirkungen entsprechen den für die Ausgestaltungen des Verfahrens beschriebenen Wirkungen.
Die Verfahren und Vorrichtungen nach verschiedenen Ausführungsbeispielen können zur Weglängenmessung und Positionsbestimmung eingesetzt werden. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld sind Messanwendungen in industriellen Anlagen, beispielsweise in automatisierten Fertigungs- oder Transportanlagen. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Vorrichtung zur Bestimmung einer absoluten Objektposition nach einem Ausführungsbeispiel.
2 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
3 ist eine schematische Darstellung von Messergebnissen, die mit kombinierten Messmethoden als Funktion des Abstands des Objekts erhalten werden, zur Erläuterung einer Signalverarbeitung nach einem Ausführungsbeispiel.
4 ist ein schematisches Blockschaubild einer Vorrichtung zur Bestimmung einer absoluten Objektposition nach einem Ausführungsbeispiel.
5 ist ein schematisches Blockschaubild einer Vorrichtung zur Bestimmung einer absoluten Objektposition nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
6 ist ein schematisches Blockschaubild einer Vorrichtung zur Bestimmung einer absoluten Objektposition nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
7 ist ein schematisches Blockschaubild zur Erläuterung der Signalverarbeitung bei einer Vorrichtung zur Bestimmung einer absoluten Objektposition nach einem Ausführungsbeispiel.
8 ist eine Flussdiagrammdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.
9 ist ein schematisches Blockschaubild einer interferometrischen Messanordnung, die bei Vorrichtungen nach Ausführungsbeispielen eingesetzt werden kann.
10 ist eine schematische Darstellung von Amplituden von Interferenzsignalen zur Erläuterung der Funktionsweise der interferometrischen Messanordnung von 9.
11 ist ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der interferometrischen Messanordnung von 9.
12 ist eine schematische Darstellung von Amplituden von Interferenzsignalen zur Erläuterung der Funktionsweise der interferometrischen Messanordnung von 9.
13 ist ein schematisches Blockschaubild einer interferometrischen Messanordnung, die bei Vorrichtungen nach Ausführungsbeispielen eingesetzt werden kann.
14 ist ein schematisches Blockschaubild einer interferometrischen Messanordnung, die bei Vorrichtungen nach Ausführungsbeispielen eingesetzt werden kann.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, wie eine Positionsbestimmung in industriellen Einrichtungen, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Vorrichtungen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen erlauben die Bestimmung der absoluten Position eines Objekts. Je nach der Anzahl von Freiheitsgraden kann die Bestimmung der absoluten Position die Bestimmung einer oder mehrerer Koordinaten des Objekts relativ zu einem Referenzsystem umfassen. Unter Bestimmung einer absoluten Position wird dabei verstanden, dass absolute Abstände des Objekts zu einer Referenzposition, nicht nur Änderungen des Abstands bei einer Verschiebung des Objekts relativ zu der Referenzposition oder bei einem Abtasten einer Objektoberfläche mit einem Messstrahl erfassbar sind.
Vorrichtungen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen kombinieren eine Messmethode mit weniger feiner Auflösung, mit der eine Grob-Information für einen Länge eines Messpfads unter Verwendung einer Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung gewonnen wird, mit einer interferometrischen Messanordnung. Die Bestimmung der Grob-Information ist derart, dass ihre Auflösung wenigstens dem Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung entspricht. Auf diese Weise kann unter Verwendung der Grob-Information ermittelt werden, wie viele ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge des Interferometers in der Länge des Messpfads enthalten sind. Die Stellen der ermittelten Länge, die mit dem Grob-Messsystem nicht mehr zuverlässig ermittelt werden können, werden basierend auf der mit der interferometrischen Messanordnung gewonnenen Information bestimmt.
Das Grob-Messsystem kann ein Messsignal einsetzen, das eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst. Die Dauer jedes Lichtpulses kann dabei kurz sein im Vergleich zu der inversen Repetitionsrate. Eine Intensität des Messsignals kann nach Durchlaufen des Messpfads erfasst und die Phasenlage wenigstens einer Signalkomponente ausgewertet werden, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Das Grob-Messsystem kann eine Ausgestaltung aufweisen, wie sie in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2008 045 387 A1 , DE 10 2008 045 386 A1 und DE 10 2009 024 464 beschrieben ist. Das Grob-Messsystem kann eine Quelle kurzer Lichtpulse aufweisen, die beispielsweise als optischer Frequenzkamm ausgestaltet sein kann. Beispielsweise kann die Repetitionsrate einen Wert von einigen 10 MHz oder einigen 100 MHz aufweisen. Die Pulse können so kurz sein, dass auch bei Vielfachen der Repetitionsrate mit einer Frequenz im Bereich einiger GHz oder einiger zehn GHz noch ein ausreichendes spektrales Gewicht vorhanden ist, um die Phasenlage der mit diesem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente zu bestimmen.
Die interferometrische Messanordnung kann als Einwellenlängen-Interferometer ausgestaltet sein. Dabei wird bei Vorrichtungen und Verfahren abhängig von der Intensität eines Interferenzsignals, das durch Überlagerung eines Objektstrahls und eines Referenzstrahls erzeugt wird, auf eine Phasenverschiebung zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl geschlossen. Es wird auf diese Weise die absolute Phasenverschiebung zur Bestimmung der absoluten Position ermittelt, nicht nur eine Phasenänderung bei Verschiebung des Objekts.
Das Messsignal des Grob-Messsystems und der Objektstrahl der interferometrischen Messanordnung können kombiniert und gemeinsam in den Messpfad eingekoppelt werden.
Die Begriffe „Licht” oder „optisch” werden hier so verwendet, dass sie nicht auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums beschränkt sind, sondern auch Wellenlängen im IR- und UV-Bereich umfassen. Insbesondere können die Pulse des Grob-Messsystems eine Wellenlänge im IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums aufweisen, und/oder die Wellenlänge der kohärenten Strahlung der interferometrischen Messanordnung kann im IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegen.
1 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen der absoluten Position eines Objekts 15. Die Vorrichtung 1 umfasst eine interferometrische Messanordnung mit einer Quelle 2 kohärenter elektromagnetischer Strahlung und einer Interferometeroptik 3. Die Quelle 2 kohärenter elektromagnetischer Strahlung kann beispielsweise ein IR-Laser sein. Die Wellenlänge der von der Quelle 2 ausgegebenen kohärenten elektromagnetischen Strahlung kann beispielsweise im IR-Bereich, insbesondere im nahen IR-Bereich liegen. Typische Wellenlängen können im Bereich 0,78 bis 2,0 μm liegen. Die Interferometeroptik 3 weist geeignete optische Komponenten auf, um durch Überlagerung eines Referenzstrahls und eines dazu phasenkohärenten Objektstrahls, der den Messpfad durchlaufen hat, ein Interferenzsignal zu erzeugen.
Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin ein Grob-Messsystem mit einer Quelle 4 für ein Messsignal, das eine Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung aufweist. Die Quelle 4 kann ein Kurzpulslaser, insbesondere ein optischer Frequenzkamm sein. Die Quelle 4 kann so ausgestaltet sein, dass sie mit hoher Stabilität Pulse mit einer vorgegebenen Länge und mit einem vorgegebenen zeitlichen Abstand ausgibt. Die Quelle 4 kann eine hohe Phasenstabilität aufweisen. Das Grob-Messsystem weist weiterhin Komponenten 5 auf, mit denen eine Intensität des Messsignals nach Durchlaufen des Messpfads als Funktion der Zeit erfasst und eine mit einem Vielfachen einer Repetitionsrate der Folge von Pulsen oszillierende Signalkomponente ausgewertet wird, um eine Grob-Information für die Länge des Messpfads zu erhalten. Aus der Signalkomponente der erfassten Intensität, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate der Folge von Pulsen oszilliert, ist eine Grob-Information für die Länge des Messpfads gewinnbar, die eine gute Annäherung für die tatsächliche Länge darstellt. Zur Auswertung der mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente kann eine Phasenlage der Signalkomponente relativ zu einem mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden sinusförmigen Referenzsignal bestimmt werden, wobei die Phasenlage proportional zur durchlaufenen Länge des Messpfads ist. Die von der Quelle 4 des Grob-Messsystems ausgegebene Strahlung muss nicht phasenkohärent zu der von der Quelle 2 der interferometrischen Messanordnung ausgegebenen Strahlung sein.
Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin eine oder mehrere optische Komponenten 6, mit denen der Objektstrahl der interferometrischen Messanordnung und das Messsignal des Grob-Messsystems kombiniert werden. Die optische Komponente 6 kann eine steuerbare Strahllenkeinrichtung, beispielsweise einen verstellbaren Umlenkspiegel oder Scanner umfassen, um das Messsignal und den Objektstrahl in einen Messpfad 8 zu lenken, dessen Richtung steuerbar ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Einrichtung 7 zur elektronischen Signalverarbeitung. Die Einrichtung 7 ermittelt aus der mit dem Grob-Messsystem gewonnenen Intensität des Messsignals nach Durchlaufen des Messpfads 8 eine Grob-Information für die Länge des Messpfads 8. Die Einrichtung 7 ermittelt abhängig von einer Intensität des Interferenzsignals, das von der Interferometeroptik 3 bereitgestellt wird, eine Phasenverschiebung zwischen einem Referenzstrahl und dem Objektstrahl des Interferometers. Die Ermittlung der Phasenverschiebung beinhaltet, dass eine Interferenzamplitude rechnerisch ermittelt und abhängig von der Interferenzamplitude und der erfassten Intensität des Interferenzsignals die Phasenverschiebung bestimmt wird. Aus der Phasenverschiebung und der Grob-Information für die Länge des Messpfads 8 ermittelt die Einrichtung 7 die Länge des Messpfads 8 mit höherer Genauigkeit. Dabei werden die am wenigstens signifikanten Stellen der Grob-Information, die mit dem Grob-Messsystem gewonnen wurde, abhängig von der Phasenverschiebung, die mit der interferometrischen Messanordnung gewonnen wurde, korrigiert.
Das System von 1 umfasst ein beispielhaft dargestelltes Objekt 15, dessen Position in einem Referenzsystem ermittelt werden soll. Das Objekt 15 kann beispielsweise eine Komponente eines automatisierten Fertigungs- oder Messsystems sein. Beispielsweise kann das Objekt 15 ein Messkopf einer Koordinatenmessmaschine (z. B. einer Portalmaschine) sein, dessen Position im Referenzsystem absolut bestimmt wird. An dem Objekt 15 sind voneinander beabstandet mehrere Retroreflektoren 16–18 angebracht. Die Retroreflektoren 16–18 können beispielsweise als Reflektorkugeln oder Tripelprismen ausgestaltet sein, um den auf dem Messpfad einfallenden Strahl, der das Messsignal und den Objektstrahl umfasst, in einer Richtung parallel zur Einfallsrichtung zurückzureflektieren.
Die Vorrichtung 1 peilt zeitsequentiell unterschiedliche Retroreflektoren an, um für jeden der drei resultierenden Messpfade zwischen der optischen Komponente 6 und den Retroreflektoren 16–18 eine Grob-Information für die Länge des Messpfads und eine zugehörige Phasenverschiebung zwischen Referenz- und Objektstrahl der interferometrischen Messanordnung zu bestimmen. Aus den drei Weglängen kann beispielsweise durch Trilateration oder Triangulation die Position des Objekts 15 von der Einrichtung 7 zur elektronischen Signalverarbeitung rechnerisch bestimmt werden.
Während bei dem in 1 schematisch dargestellten System die Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Position ortsfest angeordnet ist und an dem Objekt 15 Retroreflektoren vorgesehen sind, können auch andere Anordnungen realisiert werden.
2 ist eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Vorrichtung 11 zum Bestimmen der absoluten Position eines Objekts 12. Komponenten, die in ihrer Funktion und Ausgestaltung unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Komponenten entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Bei dem in 2 dargestellten System sind die Retroreflektoren 16–18 ortsfest im Referenzsystem angeordnet. Einige Komponenten der Vorrichtung 11 sind in einen Messkopf 12 einer robotischen Vorrichtung integriert, um die Position des Messkopfes 12 zu bestimmen. Bei der dargestellten Ausführungsform sind beispielsweise Interferometeroptik 3, die Komponenten 5 des Grob-Messsystems, mit denen die Intensität des Messsignals nach Durchlaufen des Messpfads als Funktion der Zeit erfasst wird, und die optische Komponente 6 zum Kombinieren des Objektstrahls und des Messsignals an dem Messkopf 12 vorgesehen. Weiterhin können einige Komponenten zur elektrischen Signalverarbeitung ebenfalls in den Messkopf 12 integriert sein, der relativ zum Referenzsystem beweglich gelagert ist.
Andere Komponenten der Vorrichtung 11 sind ortsfest angeordnet und optisch und/oder elektronisch mit den in den Messkopf 12 integrierten Komponenten gekoppelt. So können beispielsweise die Quelle 2 der interferometrischen Messanordnung und die Quelle 4 für das Messsignal ortsfest angeordnet und mit optischen Fasern mit dem Messkopf 12 gekoppelt sein, um die von der Quelle 2 erzeugte kohärente Strahlung an die Interferometeroptik 3 und die optische Komponente 6 und das Messsignal an die optische Komponente 6 bereitzustellen. Auch die Einrichtung 7 zur elektronischen Signalverarbeitung kann ortsfest im Referenzsystem angeordnet und eine Schnittstelle aufweisen, die elektrisch mit der Interferometeroptik 3 gekoppelt ist, um die Intensität des Interferenzsignals auszulesen, und die elektrisch mit der Komponente 5 des Grob-Messsystems gekoppelt ist.
Auch wenn dies in 1 und 2 nicht dargestellt ist, kann die Vorrichtung zum Bestimmen der absoluten Position optional weiterhin eine Einrichtung aufweisen, die eine geringere Auflösung, aber einen größeren Messbereich als das die Folge von Lichtpulsen verwendende Grob-Messsystem aufweist. Derartige Einrichtungen, die eine Entfernungsmessung über einen Bereich von mehreren zehn oder mehreren hundert Metern mit einer Genauigkeit erreichen, die kleiner als der Eindeutigkeitsbereich eines Grob-Messsystems ist, wie es nachfolgend näher beschrieben werden wird, sind kommerziell erhältlich. Auf diese Weise kann der Bereich, über den eine Positionsbestimmung möglich ist, erweitert werden.
Das Grob-Messsystem der Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass seine absolute Messgenauigkeit für die optische Weglänge des von dem Messsignal durchlaufenen Messpfads 8 und seine Auflösung kleiner als ein Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung sind. Bei dem in 1 und 2 dargestellten Aufbau, bei der die Strecke zwischen der optischen Komponente 6 und dem Retroreflektor 16 zwei Mal durchlaufen wird, ist die Länge des Messpfads näherungsweise gleich dem doppelten Abstand zwischen der optischen Komponente 6 und dem Retroreflektor 16. Vorteilhaft ist das Grob-Messsystem der Vorrichtung so ausgestaltet, dass seine absolute Messgenauigkeit für die optische Weglänge des von dem Messsignal durchlaufenen Messpfads 8 und seine Auflösung kleiner als der Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung geteilt durch vier sind. Auf diese Weise kann aus der mit dem Grob-Messsystem ermittelten Grob-Information für die Länge des Messpfads ermittelt werden, wie viele ganze Eindeutigkeitsbereiche der interferometrischen Messanordnung in der Länge des Messpfads 8 enthalten sind. Eine gegenüber dem Grob-Messsystem verbesserter Wert für die Länge des Messpfads wird dann dadurch erhalten, dass die Länge ermittelt werden kann aus dem Produkt der Anzahl von Eindeutigkeitsbereichen mit der Länge des Eindeutigkeitsbereichs und einer Korrektur, die aus dem Interferenzsignal der interferometrischen Messanordnung gewonnen wird. Auf diese Weise werden die am wenigsten signifikanten Stellen der Grob-Information, die mit dem Grob-Messsystem gewonnen wird, ersetzt durch Werte, die mit der interferometrischen Messanordnung gewonnen werden.
Mit der Vorrichtung kann somit in gewisser Weise mit dem Grob-Messsystem zunächst eine Anzahl von ganzen Wellenlängen der interferometrischen Messanordnung in der Länge des Messpfads bestimmt und daran die feinere interferometrische Messung nahtlos angeschlossen werden. Da durch das Grob-Messsystem bereits eine Grob-Information für die Länge des Messpfads geliefert wird, kann diese verwendet werden, um aus der gemessenen Intensität des Interferenzsignals auf die Phasenverschiebung zwischen Referenz- und Objektstrahl der interferometrischen Messanordnung rückzuschließen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die ermittelte Phaseverschiebung verwendet werden, um die basierend auf der mit dem Grob-Messsystem gewonnen Grob-Information für die Länge des Messpfads ermittelte Anzahl von ganzen Wellenlängen des Objektstrahls, die in der Länge des Messpfads enthalten sind, einer Konsistenzprüfung zu unterziehen und abhängig von der Phasenverschiebung ggf. um eins zu erniedrigen oder erhöhen.
Unter Bezugnahme auf 3 wird die Signalauswertung durch Kombination des mit dem Grob-Messsystem gewonnenen Ergebnisses mit der Phasenverschiebung, die mit der interferometrischen Messanordnung ermittelt wird, näher beschrieben.
3 zeigt bei 21 schematisch ein Messergebnis, das mit dem Grob-Messsystem gewonnen wird, als Funktion der tatsächlichen Länge L des Messpfads. Das Messergebnis kann beispielsweise eine Phasenlage einer mit einem Vielfachen der Repetitionsrate einer Folge von Lichtpulsen oszillierenden Signalkomponente des Messsignals nach Durchlaufen des Messpfads relativ zu einem Referenzsignal sein. Diese Phasenlage ist proportional zur Länge des Messpfads und kann, wie beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2008 045 387 A1 , DE 10 2008 045 386 A1 und DE 10 2009 024 464 beschrieben, in eine Länge umgerechnet werden. Die Messgenauigkeit und Auflösung des Grob-Messsystems ist begrenzt, so dass ein Toleranzband 27 um die ideale Beziehung zwischen tatsächlicher Länge und Messergebnis des Grob-Messsystems resultiert. Die Messgenauigkeit und Auflösung des Grob-Messsystems sind bei den in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2008 045 387 A1 , DE 10 2008 045 386 A1 und DE 10 2009 024 464 beschriebenen Systemen beispielsweise durch die Phasenauflösung bei der Bestimmung der Phasenlage zwischen zwei sinusförmigen Schwingungen begrenzt. Mit den in den genannten Patentanmeldungen beschriebenen Systemen können über einen Bereich von 1,5 m Längen mit einer Auflösung gemessen werden, die kleiner als 500 nm ist. Dies erlaubt eine nahtlose Kombination mit einer interferometrischen Messanordnung, bei der eine Wellenlänge im IR-Bereich, beispielsweise eine Wellenlänge von ungefähr 1,55 μm, verwendet werden kann.
3 zeigt bei 22 schematisch einen Phasenverlauf, wie er mit der interferometrischen Messanordnung gewonnen wird. Die Periodizität des Interferenzsignals als Funktion der Länge des Messpfads führt zu einer Wiederholung des Phasenverlaufs. Eine Intervallbreite der Wiederholung ist bei 23 dargestellt. Eine Umsetzung einer Phasenverschiebung, die mit der interferometrischen Messanordnung gewonnen wird, in eine Länge erfordert Kenntnisse darüber, wie viele der Intervallbreiten in der Länge des Messpfads enthalten sind. Diese Information wird bei den Vorrichtungen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen unter Verwendung des Grob-Messsystems gewonnen. Die Anzahl der Intervallbreiten kann basierend auf dem Wert der Phasenverschiebung einer Konsistenzprüfung unterzogen werden. So kann insbesondere dann eine Konsistenzprüfung durchgeführt werden, wenn aufgrund der begrenzten Auflösung des Grob-Messsystems der Toleranzbereich, in dem die tatsächliche Länge des Messpfads liegt, eine Intervallgrenze, an der die Phasenverschiebung 22 einen Sprung aufweist, überstreicht. Durch die Konsistenzprüfung kann automatisch ermittelt werden, in welchem von zwei benachbarten Intervallen, die jeweils einem Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung entsprechen, die tatsächliche Länge des Messpfads liegt.
Die Phasenverschiebung der interferometrischen Messanordnung kann einen Nullpunkt aufweisen, der von einem Nullpunkt 24 des Grob-Messsystems verschieden ist Der Versatz zwischen den Nullpunkten, sofern vorhanden, ist eine bauartbedingte Konstante, die durch Kalibrierung des Systems ermittelt und bei der anschließenden Positionsbestimmung berücksichtigt wird. Der Versatz zwischen den Nullpunkten ist schematisch bei 26 dargestellt. Ein endlicher Versatz 26 zwischen den Nullpunkten führt dazu, dass ein erster Sprung des Phasenverlaufs bereits nach einer Länge 25 auftritt, die kleiner als die Intervallbreite 23 ist.
Zur weiteren Veranschaulichung der Bestimmung der Länge des Messpfads aus der mit dem Grob-Messsystem gewonnenen Grob-Information und der Phasenverschiebung zwischen Objekt- und Referenzstrahl der interferometrischen Messanordnung wird nur beispielhaft angenommen, dass die interferometrische Messanordnung einen Eindeutigkeitsbereich von 1000 nm aufweist und dass der Versatz zwischen den Nullpunkten der beiden Messsysteme 250 nm beträgt. Die Grenze zwischen dem siebten Intervall 32 und dem achten Intervall 33 liegt dann bei einer Länge des Messpfads von 6750 nm. Die Auflösung des Grob-Messsystems wird als 200 nm angenommen.
Falls mit dem Grob-Messsystem ein bei 26 dargestellter Wert von 6700 nm ermittelt wird, führt die bei 28 dargestellte Auflösung zu einem Toleranzband 29 von 6500 nm bis 6900 nm. Dieses überstreicht die Grenze zwischen dem siebten Intervall 32 und dem achten Intervall 33 bei 6750 nm. Somit kann allein basierend auf der mit dem Grob-Messsystem ermittelten Grob-Information für die Länge des Messpfads nicht eindeutig ermittelt werden, ob die tatsächliche Länge größer als 5750 nm (untere Grenze des siebten Intervalls 32) und kleiner als 6750 nm (untere Grenze des achten Intervalls 33) oder alternativ größer als 6750 nm (untere Grenze des achten Intervalls 33 ist). Diese Mehrdeutigkeit kann unter Verwendung der mit der interferometrischen Messanordnung ermittelten Phasenverschiebung aufgelöst werden.
Falls beispielsweise die Phasenverschiebung zwischen Objekt- und Referenzstrahl der interferometrischen Messanordnung in einer unteren Intervallhälfte liegt, wird die dargestellte Mehrdeutigkeit zugunsten des höheren Intervalls aufgelöst, da dieses mit einem kleineren Wert der Phasenverschiebung konsistent ist. Falls umgekehrt die Phasenverschiebung zwischen Objekt- und Referenzstrahl der interferometrischen Messanordnung in einer oberen Intervallhälfte liegt, wird die dargestellte Mehrdeutigkeit zugunsten des niedrigeren Intervalls aufgelöst, da dieses mit einem kleineren Wert der Phasenverschiebung konsistent ist. Eine Entscheidung basierend auf der Phasenverschiebung der interferometrischen Messanordnung ist messtechnisch vorteilhaft, da die im Vergleich zum Grob-Messsystem höhere Auflösung der interferometrischen Messanordnung ein stärkeres Vertrauen in den mit der interferometrischen Messanordnung ermittelten Wert rechtfertigt.
Falls bei Fortführung des oben dargestellten Beispiels die Phasenverschiebung, die mit der interferometrischen Messanordnung ermittelt wird, einer Länge von 350 nm entspricht, wird bei einem Eindeutigkeitsbereich von 1000 nm (Interferometer mit erweitertem Eindeutigkeitsbereich, wie unter Bezugnahme auf 9–13 beschrieben) darauf geschlossen, dass die Länge des Messpfads sieben und nicht acht vollständige Eindeutigkeitsbereiche enthält. Die Länge des Messpfads wird dann ermittelt als 7·1000 nm + 350 nm – 250 nm = 7100 nm, wobei wiederum der Versatz zwischen den Nullpunkten des Grob-Messsystems und der interferometrischen Messanordnung berücksichtigt wird.
Durch die Kombination des Grob-Messsystems, dessen Auflösung kleiner als der Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung und vorteilhaft kleiner als ein Viertel des Eindeutigkeitsbereichs der interferometrischen Messanordnung ist, mit der interferometrischen Messanordnung können die Resultate der beiden Messsysteme nahtlos miteinander kombiniert werden. Die Datenerfassung durch das Grob-Messsystem und die interferometrische Messanordnung kann vorteilhaft zeitlich parallel erfolgen, um die zur Datenerfassung benötigte Zeit zu verringern. Durch diese Ausgestaltung wird ein absolut messendes System realisiert, mit dem Längen des Messpfads in einem durch den Eindeutigkeitsbereich des Grob-Messsystems gegebenen Längenbereich bestimmt werden können, während die Auflösung durch die Auflösung der interferometrischen Messanordnung gegeben ist. So können beispielsweise bei Kombination des in einer der deutschen Patentanmeldungen DE 10 2008 045 387 A1 , DE 10 2008 045 386 A1 und DE 10 2009 024 464 beschriebenen Systems mit einer interferometrischen Messanordnung, die im IR-Bereich arbeitet, Auflösungen von bis zu 10 nm über eine maximale Messlänge erreicht werden, die beispielsweise 1,5 m ist. Dies entspricht einem Dynamikfaktor von mehr als 10⁸. Eine Erweiterung der maximalen Messlänge ist durch Auswertung mehrerer Signalkomponenten des Messsignals möglich, die mit dem Einfachen oder einem kleinen ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate der Folge von Pulsen oszilliert bzw. oszillieren, wie in der DE 10 2008 045 387 A1 , der DE 10 2008 045 386 A1 und der DE 10 2009 024 464 beschrieben.
Bei den Vorrichtungen und Verfahren kann die Bestimmung der Länge des Messpfads nicht nur abhängig von der mit dem Grob-Messsystem gewonnenen Grob-Information für die Länge und der Phasenverschiebung, der das Interferenzsignal entspricht, bestimmt werden, sondern weiterhin unter Berücksichtigung weiterer Sensorsignale. Insbesondere können Sensorsignale ausgelesen sein, aus denen Rückschlüsse auf den Brechungsindex des Mediums, beispielsweise der Luft, gewonnen werden können, durch das der Messpfad verläuft. Dazu kann bzw. können beispielsweise ein oder mehrere Parameter ermittelt werden, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Luftdruck, Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlenstoffdioxid-Anteil der Luft. Abhängig von dem Parameter bzw. den Parametern kann, beispielsweise durch mathematische Formeln (z. B. nach der Edlèn-Formel oder der Ciddor-Formel) oder kennfeldbasiert, der Brechungsindex n der Luft ermittelt werden. Dies erlaubt eine weitere Erhöhung der Genauigkeit, da Variationen der effektiven Wellenlänge der interferometrischen Messanordnung als Funktion des Brechungsindex der Luft berücksichtigt werden können.
Vorrichtungen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen werden unter Bezugnahme auf 4–13 näher beschrieben werden. Dabei sind Komponenten, die in Ausgestaltung und/oder Funktion Komponenten anderer Ausführungsbeispiele entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
4 ist eine schematische Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Position eines Objekts. Wie schematisch dargestellt, können Komponenten der Vorrichtung in einen Messkopf 12 integriert sein.
Das Grob-Messsystem umfasst die Quelle 4 und mit dieser gekoppelte faseroptische Komponenten. Die Quelle 4 erzeugt eine Folge von Lichtpulsen, deren Dauer klein ist im Vergleich zu einer inversen Repetitionsrate der Folge von Lichtpulsen. Die Folge von Lichtpulsen wird über eine optische Faser 45 zu einem faseroptischen Splitter 41 geführt. Ein Intensitätsanteil der Folge von Lichtpulsen wird von dem faseroptischen Splitter 41 zu einem Detektor 43 geführt, der die Folge von Lichtpulsen als Funktion der Zeit erfasst. Das Ausgangssignal des Detektors 43 wird zur Erzeugung eines Referenzsignals verwendet, um einen Phasenversatz und damit eine Laufzeit des Messsignals zu bestimmen. Ein weiterer Intensitätsanteil der Folge von Lichtpulsen wird von dem faseroptischen Splitter 41 zu einem faseroptischen Zirkulator 42 geführt. Dieser Intensitätsanteil, der als Messsignal 113 dient, wird in eine mit dem Zirkulator 42 gekoppelte optische Faser 46 eingekoppelt und tritt an einem Ende 47 der optischen Faser 46 aus. Über eine Kollimationsoptik 50 und einen halbdurchlässigen Spiegel 48 wird das Messsignal zu einer steuerbaren Strahlumlenkeinrichtung 49 geführt und in einen Messpfad 8 ausgegeben. Die Strahlumlenkeinrichtung 48, die einen oder mehrere verstellbare Spiegel umfassen kann, erlaubt es, den Messpfad 8 so auszurichten, dass er selektiv auf einen von mehreren Retroreflektoren trifft.
Das an dem Retroreflektor 16 reflektierte Messsignal wird über die Strahlumlenkeinrichtung 49, den halbdurchlässigen Spiegel 48 und die Kollimationsoptik 50 zurück auf das Ende 47 der optischen Faser 46 abgebildet. Das Messsignal wird nach Durchlaufen des Messpfads in die optische Faser 46 eingekoppelt und von dem Zirkulator 42 zu dem Detektor 44 geführt. Die Intensität des Messsignals nach Durchlaufen des Messpfads wird von dem Detektor 44 erfasst. Der Detektor 44 kann so eingerichtet sein, dass Anteile der einfallenden Intensität mit Frequenzen, die kleiner als die Repetitionsrate der Folge von Pulsen sind, bei der Erfassung durch den Detektor 44 unterdrückt werden. Der Detektor 44 kann beispielsweise als AC-gekoppelter Detektor betrieben werden. Insbesondere kann eine auf den Detektor 44 einfallende DC-Intensität, die von einer später noch ausführlich beschriebenen interferometrischen Messanordnung herrührt, auf diese Weise unterdrückt werden.
Das Ausgangssignal des Detektors 43 und das Ausgangssignal des Detektors 44 repräsentiert jeweils die Folge von Lichtpulsen, wobei das Ausgangssignal des Detektors 44 eine aus dem Durchlaufen des Messpfads resultierende zeitliche Verzögerung aufweist. Weglängenunterschiede, die aus der Bauart des Grob-Messsystems resultieren, können durch Kalibrieren berücksichtigt werden und werden im Folgenden nicht weiter diskutiert.
Zur Ermittlung einer Grob-Information für die Länge des Messpfads werden die elektrischen Ausgangssignale der Detektoren 43 und 44 in geeigneter Weise weiterverarbeitet. Nach Ausführungsformen kann insbesondere die relative Phasenlage einer Signalkomponente des von dem Detektor 44 erfassten Messsignals und der mit der gleichen Frequenz oszillierenden Signalkomponente des von dem Detektor 43 erfassten Referenzsignals bestimmt werden. Die Frequenz wird dabei so gewählt, dass sie einem Vielfachen der Repetitionsrate der Folge von Lichtpulsen entspricht, die von der Quelle 4 erzeugt werden. Falls beispielsweise die Quelle 4 eine Repetitionsrate von 100 MHz aufweist, kann die Phasenlage für eine Signalkomponente des von dem Detektor 44 erfassten Messsignals durchgeführt werden, die mit 10 GHz oder mehr, beispielsweise mit 24,0 GHz (240. Oberwelle) oszilliert. Die Phasenlage zwischen den Signalkomponenten erlaubt die Bestimmung der Weglängendifferenz und somit der Länge des Messpfads 8.
Mit zunehmender Frequenz der Signalkomponente, die zur Bestimmung der Phasenlage verwendet wird, können mit dem Grob-Messsystem immer kleinere Abstände aufgelöst werden. Die Frequenz der Signalkomponente, die zur Bestimmung der Phasenlage verwendet wird, wird so gewählt, dass die Auflösung kleiner als ein Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung und vorteilhaft kleiner als ein Viertel dieses Eindeutigkeitsbereichs ist. Die Auswertung der Phasenlage der mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente des Messsignals kann durch elektronische Komponenten 52 und 53 erfolgen, die teilweise im Messkopf 12, teilweise ortsfest angeordnet sein können. Zur Auswertung der Phasenlage der mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente des Messsignals kann diese Signalkomponente abwärts gemischt werden. Aus dem Ausgangssignal eines Sync-Ausgangs der Quelle 4 kann durch Verstärkung mit einem Verstärker 54 und Filterung mit einem Filter 55 ein Signal generiert werden, das beispielsweise mit der Repetitionsrate oszilliert. Dieses Signal kann bei der Verarbeitung der mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente des Messsignals verwendet werden, beispielsweise um die Signalkomponente des Messsignals und des Referenzsignals unter Beibehaltung ihrer Phasenbeziehung abwärts zu mischen. Eine elektronische Recheneinrichtung 51 kann die Phasenlage der mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente des Messsignals bestimmen. Die Verarbeitung der mit den Detektoren 43 und 44 erfassten Signale kann insbesondere mit einer der in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2008 045 387 A1 , DE 10 2008 045 386 A1 und DE 10 2009 024 464 beschriebenen Methoden erfolgen.
Die Vorrichtung zum Bestimmen der Position von 4 weist weiterhin eine interferometrische Messanordnung auf. Diese umfasst die Quelle 2 phasenkohärenter elektromagnetischer Strahlung, einen Strahlteiler 35, einen Spiegel 36 und einen Detektor 37. Die Quelle 2 kann beispielsweise einen IR-Laser umfassen. Bei einer Ausgestaltung sind die Quelle 2 und die Quelle 4 nicht phasenkohärent. Ein Teil der von der Quelle 2 ausgegebenen kohärenten Strahlung wird von dem Strahlteiler 35 über den Spiegel 36 in Richtung des Detektors 37 gelenkt und dient als Referenzstrahl 38, der phasenkohärent mit einem Objektstrahl zur Überlagerung gebracht wird. Ein weiterer Teil von der Quelle 2 ausgegebenen kohärenten Strahlung passiert den Strahlteiler 35 und dient als Objektstrahl 39, der an dem Spiegel 48 mit dem Messsignal so kombiniert wird, dass Messsignal und Objektstrahl 39 denselben Messpfad 8 durchlaufen. Der Objektstrahl 39 wird über die Strahlumlenkeinrichtung 49 geführt und in den Messpfad 8 ausgegeben. Der Objektstrahl 39 der interferometrischen Messanordnung wird so in den Strahlengang des Grob-Messsystems eingekoppelt. Nach Reflexion an dem Retroreflektor 16 wird der Objektstrahl 39 über die Strahlumlenkeinrichtung 49, den Spiegel 48 und den Strahlteiler 35 zu dem Detektor 37 gelenkt.
An dem Detektor 37 überlagern sich der Referenzstrahl 38 und der Objektstrahl 39 phasenkohärent zu einem Interferenzsignal 40. Die Intensität des Interferenzsignals 40 wird von dem Detektor 39 erfasst und an die elektronische Recheneinrichtung 51 bereitgestellt. Die Intensität des Interferenzsignals, r_int ² kann in der Form r 2 / int = r1² + r2² + 2·r1·r2·cos(Δφ) (1) dargestellt werden, wobei r1² eine zur Intensität des Referenzstrahls proportionale Größe und r2² eine zur Intensität des Objektstrahls proportionale Größe repräsentiert. Bei bekannter Interferenzamplitude (r1 + r2)² (d. h. Maximum der Intensität des Interferenzsignals) oder r1·r2 kann aus der gemessenen Intensität r_int ² des Interferenzsignals die Phasenverschiebung Δφ rechnerisch ermittelt werden. Ein in den Strahlengang der interferometrischen Messanordnung eingekoppelter Intensitätsanteil des Messsignals des Grob-Messsystems kann durch optische Mittel herausgefiltert oder bei der elektronischen Signalverarbeitung berücksichtigt werden, wie noch ausführlicher beschrieben wird.
Verschiedene Ausgestaltungen zur Berechnung der Phasenverschiebung Δφ sind möglich. Bei Ausführungsformen ermittelt die elektronische Recheneinrichtung 51 basierend auf der Grob-Information für die Länge des Messpfads 8 die Interferenzamplitude rechnerisch. Auf diese Weise können Abschwächungseffekte des Objektstrahls, beispielsweise basierend auf Streuung oder endlicher Strahldivergenz, berücksichtigt werden. Aus der Interferenzamplitude und der gemessenen Intensität des Interferenzsignals kann dann die Phasenverschiebung Δφ bestimmt werden. Bei einer weiteren Ausgestaltung können alternativ oder zusätzlich für einen fixen Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, mehrere Interferenzsignale mit jeweils unterschiedlicher Phasenverschiebung, deren Differenzen bekannt sind, erzeugt werden. Abhängig von den gemessenen Intensitäten können dann die Interferenzamplitude und die zugehörigen Phasenverschiebungen rechnerisch ermittelt werden.
Die Auswerteeinrichtung 51 kombiniert die mit dem Grob-Messsystem und der interferometrischen Messanordnung gewonnenen Signale, um die Länge des Messpfads 8 zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung 51 kann insbesondere so eingerichtet sein, dass abhängig von der Phasenlage der mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente des Messsignals, das mit dem Detektor 44 erfasst wird, eine Grob-Information für die Länge des Messpfads 8 ermittelt wird. Die Auswerteeinrichtung 51 kann eingerichtet sein, um die Phasenverschiebung zu ermitteln, die der Intensität des Interferenzsignals 40 entspricht. Abhängig von der Grob-Information kann eine Anzahl von Eindeutigkeitsbereichen der interferometrischen Messanordnung ermittelt werden, die in der Länge des Messpfads 8 enthalten sind. Die Auswerteeinrichtung 51 kann eingerichtet sein, um diese Anzahl abhängig von der ermittelten Phasenverschiebung für die interferometrische Messanordnung einer Konsistenzprüfung zu unterziehen. Aus der Anzahl von Eindeutigkeitsbereichen und der Phasenverschiebung kann dann in an sich bekannter Weise die Länge des Messpfads 8 ermittelt werden.
Die Vorrichtung kann weitere Sensoren umfassen. Beispielsweise kann bzw. können ein Sensor 60 oder mehrere Sensoren vorgesehen sein, die eingerichtet sind, um einen oder mehrere Parameter zu ermitteln, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Luftdruck, Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlenstoffdioxid-Anteil der Luft. Abhängig von diesen Größen kann der Brechungsindex der Luft, durch die der Messpfad 8 verläuft rechnerisch bestimmt werden, beispielsweise durch Auswertung einer Formel oder kennfeldbasiert.
Zur Bestimmung des CO₂-Anteils entlang des Messpfads 8 kann bei einer Ausführungsform mit einem Photometer die Absorption entlang des Messpfads 8 untersucht werden. Dazu kann selektiv die Absorption in einem Wellenlängenbereich gemessen werden, in dem die Absorption von CO₂ die von Wasser in der Gasphase übersteigt. Hierzu eignen sich beispielsweise Wellenlängen von ca. 4 μm. Aus der Absorption bei dieser Wellenlänge kann auf den CO₂-Anteil geschlossen werden.
Zur Bestimmung der Luftfeuchte entlang des Messpfads 8 kann bei einer Ausführungsform mit einem Photometer die Absorption entlang des Messpfads 8 untersucht werden. Dazu kann selektiv die Absorption in einem Wellenlängenbereich gemessen werden, in dem die Absorption von Wasser in der Gasphase die von CO₂ übersteigt. Hierzu eignen sich beispielsweise Wellenlängen von ca. 1,4 μm. Aus der Absorption bei dieser Wellenlange kann, unter Verwendung der bekannten Temperatur, auf den Wasseranteil in der Luft geschlossen werden.
Ein Strahlengang des Absorptionsphotometers kann ebenfalls in den Messpfad 8 eingekoppelt werden. Dazu kann ein entsprechender dichroitischer Strahlteiler verwendet werden. Dieser kann selektiv auf die zu untersuchende Wellenlänge abgestimmt werden.
5 ist eine schematische Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Position eines Objekts. Elemente und Einrichtungen, die unter Bezugnahme auf 4 erläutert wurden, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Dabei kann wiederum wenigstens ein Teil der Komponenten der Vorrichtung in einen Messkopf integriert sein.
Bei der in 5 dargestellten Vorrichtung wird die Quelle 2 kohärenter Strahlung für die interferometrische Messanordnung auch als Pumplaser für die Quelle 4 des Messsignals verwendet. Dazu kann die von der Quelle 2 ausgegebene kohärente Strahlung über eine optische Faser zu einem faseroptischen Splitter 56 geführt werden. Der Splitter 56 führt über eine optische Faser einen Teil der von der Quelle 2 erzeugten Strahlung der Quelle 4 des Grob-Messsystems zu. Die Quelle 4 kann ein Kurzpulslaser sein, der von einem IR-Laser 2 gepumpt wird.
Der Splitter 56 führt einen weiteren Teil der von der Quelle 2 erzeugten Strahlung über eine optische Faser 57 zu einer Interferometeroptik 58, die nur schematisch dargestellt ist. Die Interferometeroptik 58 kann zumindest teilweise faseroptisch aufgebaut sein. Die Interferometeroptik 58 ist so eingerichtet, dass ein Objektstrahl, der den Messpfad 8 durchläuft, und ein Referenzstrahl kohärent überlagert werden. Eine Intensität des Interferenzsignals wird mit einem Detektor 59 erfasst und an die Auswerteeinrichtung 51 bereitgestellt.
Die elektronische Auswerteeinrichtung 51 ermittelt basierend auf der erfassten Intensität des Interferenzsignals die Phasenverschiebung zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl der interferometrischen Messanordnung. Die Phasenverschiebung wird mit der Grob-Information für die Länge des Messpfads 8, die basierend auf den von dem Grob-Messsystem gewonnenen Daten ermittelt wird, zusammengeführt, um die Länge des Messpfads 8 zu bestimmen.
6 ist eine schematische Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer absoluten Position eines Objekts. Elemente und Einrichtungen, die unter Bezugnahme auf 4 erläutert wurden, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Dabei kann wiederum wenigstens ein Teil der Komponenten der Vorrichtung in einen Messkopf integriert sein.
Bei der in 6 dargestellten Vorrichtung ist die interferometrische Messanordnung faseroptisch implementiert. Das von der Quelle 2 kohärenter Strahlung für die interferometrische Messanordnung wird über eine optische Faser 64 zu einem faseroptischen Splitter 61 geführt. Ein Teil der Intensität wird als Referenzstrahl von dem Splitter 61 über eine optische Faser 65 zu einem Detektor 37 geführt. Ein Objektstrahl wird von dem Splitter 61 über einen faseroptischen Splitter 62 zu einem Splitter 68 geführt. Der Splitter 68 empfängt das Messsignal des Grob-Messsystems und den Objektstrahl der interferometrischen Messanordnung. Der Splitter 68 gibt die Signale an die steuerbare Strahllenkeinrichtung 49 ab.
Ein Intensitätsanteil des an dem Retroreflektor 16 reflektierten Objektstrahls wird über den Splitter 68, den Splitter 62 und den Splitter 63 in die optische Faser 65 eingekoppelt. Durch kohärente Überlagerung des Objektstrahls und des Referenzstrahls wird ein Interferenzsignal erzeugt. Eine Intensität des Interferenzsignals wird von dem Detektor 37 erfasst und an die elektronische Auswerteeinrichtung 51 bereitgestellt.
Bei den Vorrichtungen nach verschiedenen Ausführungsbeispielen und insbesondere bei den unter Bezugnahme auf 4–6 beschriebenen Vorrichtungen können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um eine Entkopplung des Messsignals des Grob-Messsystems von der kohärenten Strahlung der interferometrischen Messanordnung zu erreichen. Solche Maßnahmen können durch optische Komponenten und/oder bei der elektronischen Signalverarbeitung realisiert werden.
Bei einer Ausgestaltung sind die Quelle 2 der interferometrischen Messanordnung und die Quelle 4 für das Messsignal so ausgestaltet, dass eine Wellenlänge der phasenkohärenten Strahlung der interferometrischen Messanordnung von einer Wellenlänge des Messsignals verschieden ist. In diesem Fall kann durch optische Filterung in der interferometrischen Messanordnung ein Störeinfluss eines auf den Detektor 37 einfallenden Intensitätsanteils des reflektierten Messsignals verringert werden. Dazu kann beispielsweise ein schmalbandiges Filter vor dem Detektor 37 vorgesehen werden. Die Wellenlänge des Messsignals und der von der interferometrischen Messanordnung verwendeten Strahlung können verschieden sein, um so zu erlauben, dass eine Intensität des Interferometer-Objektstrahls an dem Detektor 37 deutlich größer als die im Detektor 37 durch das Messsignal erzeugte Signalkomponente ist. Ähnlich kann eine entsprechende optische Filterung auch vor dem Detektor 44 des Grob-Messsystems vorgesehen sein.
Alternativ oder zusätzlich können auch in der elektronischen Signalverarbeitung Maßnahmen ergriffen werden, um Störeffekte zwischen dem Grob-Messsystem und der interferometrischen Messanordnung zu reduzieren. Das Grob-Messsystem kann so ausgestaltet sein, dass die Detektoren 43 und 44 selektiv auf die mit der Repetitionsrate gepulste Intensität des Messsignals ansprechen und einen konstanten Intensitätsanteil, wie er durch einen DC-Intensitätsanteil des Interferometer-Objektstrahls erzeugt werden kann, stark und vorteilhaft vollständig unterdrücken. Dazu können die Detektoren 43 und 44 als AC-gekoppelte Detektoren betrieben werden.
Bei der Signalverarbeitung der interferometrischen Messanordnung kann umgekehrt eine elektronische Tiefpassfilterung vorgesehen sein, um die Spektralkomponenten des Messsignals, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren, zu unterdrücken. Beispielsweise kann der Detektor bzw. können die Detektoren der interferometrischen Messanordnung so ausgestaltet sein, dass er bzw. sie auf Signale, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren, deutlich schwächer anspricht bzw. ansprechen als auf DC-Signale. Alternativ kann eine dem Detektor bzw. den Detektoren nachgeschaltete Tiefpassfilterung vorgesehen sein. Ein Offset im DC-Anteil einer in der interferometrischen Messanordnung erfassten Intensität, der durch den in die interferometrische Messanordnung eingekoppelten Intensitätsanteil des Messsignals hervorgerufen werden kann, kann rechnerisch berücksichtigt werden. Insbesondere ist aus dem Ausgangssignal des Detektors 44 und den bekannten Eigenschaften der optischen Komponenten der Vorrichtung der Offset bestimmbar, der an dem Detektor bzw. den Detektoren der interferometrischen Messanordnung durch den in die interferometrische Messanordnung eingekoppelten Intensitätsanteil des Messsignals hervorgerufen wird.
Durch die elektronische Signalverarbeitung des Grob-Messsystems und der interferometrischen Messanordnung können bei den Vorrichtungen der 4–6 die Signale des Grob-Messsystems und der interferometrischen Messanordnung entkoppelt werden. Beispielsweise kann bei der Signalverarbeitung in den elektronischen Komponenten 52 und 53, die auf eine mit einem Vielfachen der Repetitionsrate des Messsignals oszillierendes Signalkomponente abgestimmt sind, ein auf den Detektor 44 einfallender Intensitätsanteil des Objektstrahls durch Filterung entfernt werden. Ähnlich kann durch optische oder elektronische Filterung in der interferometrischen Messanordnung ein Störeinfluss eines auf den Detektor 37 einfallenden Intensitätsanteils des reflektierten Messsignals verringert werden. Dazu kann beispielsweise ein schmalbandiges Interferenzfilter vor dem Detektor 37 vorgesehen werden. Die Wellenlänge des Messsignals und der von der interferometrischen Messanordnung verwendeten Strahlung können verschieden sein, um so zu erlauben, dass eine Intensität des Objektstrahls an dem Detektor 37 deutlich größer ist als die konstante Signalkomponente des Messsignals (d. h. die Fourierkomponente des Messsignals mit Frequenz gleich 0) an dem Detektor 37.
Verschiedene Ausgestaltungen der elektronischen Komponenten 52, 53 des Grob-Messsystems und der elektronischen Auswerteeinrichtung 51 können bei verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden.
7 ist eine schematische Darstellung einer Signalverarbeitung in den elektronischen Komponente 52 nach Ausführungsformen. Die elektronische Signalverarbeitung des Grob-Messsystems weist einen mit dem Detektor 43 verbundenen Verstärker 71 und ein Bandpassfilter 72 auf. Die elektronische Signalverarbeitung des Grob-Messsystems weist einen mit dem Detektor 44 verbundenen Verstärker 74 und ein Bandpassfilter 75 auf. Der Durchlassbereich der Bandpassfilter 72 und 75 kann identisch sein. Der Durchlassbereich der Bandpassfilter 72 und 75 kann ein Vielfaches N·frep der Repetitionsrate frep der Folge von Lichtpulsen umfassen, wobei N eine ganze Zahl > 1 und insbesondere >> 1 ist. Die Phasenlage der mit dem Vielfachen N·frep der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente des Messsignals, das von dem Detektor 44 erfasst wird, relativ zu der mit derselben Frequenz oszillierenden Signalkomponente des Referenzsignals, das von dem Detektor 43 erfasst wird, ist proportional zur Länge des Messpfads 8.
Die Komponenten 52 zur elektronischen Signalverarbeitung können weiterhin Mischer 73 und 76 umfassen, um die mit dem Vielfachen N·frep der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponenten unter Beibehaltung ihrer Phasenlage auf eine Frequenz frep oder eine noch niedrigere Frequenz abwärts zu mischen. Es können in jedem Signalverarbeitungspfad auch mehrere Mischerstufen vorgesehen sein, um die Signalkomponente in mehreren Stufen abwärts zu mischen. Die Mischer 73 und 76 können ein aus einem Sync-Ausgang der Quelle 4 abgeleitetes Signal empfangen, um die Signalkomponenten abwärts zu mischen. Dazu kann beispielsweise das Filter 55 einen Durchlassbereich aufweisen, der die Repetitionsrate frep umfasst. Die Komponenten zur elektronischen Signalverarbeitung können eine oder mehrere Komponenten 70 umfassen, um aus dem von dem Filter 55 bereitgestellten sinusförmigen Signal ein weiteres sinusförmiges Signal zu erzeugen, das zum Abwärtsmischen der von den Bandpassfiltern 72 und 75 bereitgestellten Signalkomponenten verwendet wird. Die Komponente(n) 70 zum Erzeugen des weiteren sinusförmigen Signals kann so eingerichtet sein, dass die Frequenz des weiteren sinusförmigen Signals von einem ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate frep verschieden ist.
Zusätzliche oder alternative Merkmale der Signalverarbeitung des Grob-Messsystems, das die Folge von Lichtpulsen verwendet, nach verschiedenen Ausführungsformen sind in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2008 045 387 A1 , DE 10 2008 045 386 A1 und DE 10 2009 024 464 beschrieben.
Die Auswerteeinrichtung 51 weist eine Schnittstelle 77 auf, um die abwärts gemischten Signale des Grob-Messsystems zu empfangen. Die Auswerteeinrichtung 51 kann die Phasenlage der beiden empfangenen Signale auf verschiedene Weise bestimmen, beispielsweise durch A/D-Wandlung, Abtastung der A/D-gewandelten Signale und rechnerische Bestimmung der Nulldurchgänge. Die Auswerteeinrichtung 51 kann so eingerichtet sein, dass sie zur exakten Bestimmung einer Zwischenfrequenz einen Frequenzvergleich durchführt. Die Messung der Zwischenfrequenz kann durch Messung der Nulldurchgänge der Signale, die mit der Zwischenfrequenz oszillieren, erfolgen. Dazu kann die Auswerteeinrichtung 51, die beispielsweise als programmtechnisch eingerichteter Computer ausgestaltet sein kann, eine Referenzclock aufweisen. Der Referenzclock kann abhängig von einem Frequenznormal realisiert werden, das beispielsweise von einer hochstabilen lokalen Quelle stammt oder aus einer externen Quelle, z. B. aus einem von einem Zeitzeichen-Sender (z. B. DFC 77) übermittelten Signal, abgeleitet werden kann.
Die Auswerteeinrichtung 51 weist eine Schnittstelle 78 auf, um ein die Intensität des Interferenzsignals repräsentierendes Signal zu empfangen. Wie nachfolgend noch beschrieben werden wird, können für einen fixen Abstand zwischen Objekt und Vorrichtung zur Positionsbestimmung auch mehrere Interferenzsignale ermittelt werden, um den Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung zu vergrößern. Abhängig von der Intensität des Interferenzsignals ermittelt ein Prozessor 81 der Auswerteeinrichtung 51 die Phasenverschiebung zwischen Objektstrahl und Interferenzstrahl der interferometrischen Messanordnung, die der erfassten Intensität entspricht.
Die Auswerteeinrichtung 51 weist eine Schnittstelle 79 auf, um von einem Sensor 60 oder mehreren Sensoren 60 Signale zu empfangen, die Parameter repräsentieren, aus denen der Brechungsindex des vom Messpfad 8 durchlaufenen Mediums bestimmbar ist. Beispielsweise kann der Sensor 60 ein Absorptionsphotometer umfassen. Der Brechungsindex entlang des Messpfads 8 kann zur hochgenauen Bestimmung von dessen Länge mit berücksichtigt werden.
Die Auswerteeinrichtung 51 weist einen Prozessor 81 zur Verarbeitung der empfangenen Signale und einen Speicher 82 auf. In dem Speicher 82 können ausführbare Prozeduren und/oder Kennfelder gespeichert sein, die der Prozessor 81 abruft, um die Länge des Messpfads zu bestimmten. Beispielsweise kann in dem Speicher 82 ein Kennfeld abgelegt sein, das den Verlauf der Intensität des an einem Retroreflektor reflektierten Objektstrahls der interferometrischen Messanordnung als Funktion der Länge des Messpfads angibt. Dieses Kennfeld kann durch Kalibrierung der Vorrichtung zur Positionsbestimmung einmalig generiert und in dem Speicher 82 hinterlegt werden. Die aus den vom Grob-Messsystem bereitgestellten Signalen gewonnene Grob-Information kann verwendet werden, um kennfeldbasiert die Interferenzamplitude zu ermitteln Aus der erfassten Intensität des Interferenzsignals und der Interferenzamplitude ermittelt der Prozessor 81 dann rechnerisch die Phasenverschiebung zwischen Objektstrahl und Interferenzstrahl der interferometrischen Messanordnung.
Die Auswerteeinrichtung 51 kann zur Durchführung mehrerer, auch komplexerer Prozeduren eingerichtet sein. Wie unter Bezugnahme auf 3 bereits beschrieben, kann die Auswerteeinrichtung 51 beispielsweise eingerichtet sein, um eine ganze Anzahl von in der Länge des Messpfads enthaltenen Eindeutigkeitsbereichen der interferometrischen Messanordnung abhängig von den Signalen des Grob-Messsystems und der ermittelten Phasenverschiebung der interferometrischen Messanordnung zu bestimmen. Auf diese Weise kann eine Konsistenzprüfung durchgeführt werden.
8 ist eine Darstellung von Verfahrensschritten, die von der Auswerteeinrichtung 51 automatisch durchgeführt werden können, um eine Länge des Messpfads zu bestimmen.
Bei 91 wird eine Phasenlage einer Signalkomponente des Messsignals, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, relativ zu einer Signalkomponente eines Referenzsignals ermittelt. Aus dieser Phasenlage kann eine Grob-Information L_a für die durchlaufene Länge des Messpfads gewonnen werden. Die Grob-Information L_a nähert die tatsächliche Länge des Messpfads mit einer Genauigkeit, die von dem Vielfachen der Repetitionsrate, mit dem die Signalkomponente oszilliert, und von einer Winkelauflösung bei der Bestimmung der relativen Phasenlage zweier sinusförmiger Signale abhängt. Die Abweichung der Grob-Information L_a von der tatsächlichen Länge des Messpfads kann betragsmäßig nach oben durch (c·φ_aufl)/(N·frep) beschränkt sein, wobei φ_aufl die Winkelauflösung bei der Bestimmung der relativen Phasenlage, c die Lichtgeschwindigkeit und N·frep ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate ist. Durch Wahl eines ausreichend hohen Vielfachen ist eine Auflösung des Grob-Messsystems erzielbar, die kleiner als der Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung ist.
Bei 92 wird eine Anzahl von Eindeutigkeitsbereichen L_e (in Längeneinheiten) ermittelt, die in der Länge L_a enthalten sind. Diese Anzahl kann unter Verwendung der Floor-Funktion als ⌊L_a/L_e⌋ berechnet werden.
Bei 93 wird die Phasenverschiebung des Interferenzsignals ermittelt. Dazu wird eine Interferenzamplitude rechnerisch bestimmt.
Bei 94 wird überprüft, ob die bei 92 ermittelte Anzahl einer Konsistenzprüfung unterzogen werden soll. Die Überprüfung bei 94 kann abhängig von der Auflösung des Grob-Messsystems durchgeführt werden. Beispielsweise kann als Kriterium für die Durchführung einer Konsistenzprüfung verwendet werden, ob das durch die Auflösung des Grob-Messsystems gegebene Toleranzintervall für die Länge einen Wert überstreicht, an dem die Phasenverschiebung der interferometrischen Messanordnung einen Sprung aufweist. Diese Überprüfung kann abhängig von einem Versatz zwischen Nullpunkten des Grob-Messsystems und der interferometrischen Messanordnung durchgeführt werden. Ein derartiges Verfahren wurde unter Bezugnahme auf 3 beispielhaft erläutert.
Falls keine Konsistenzprüfung durchgeführt wird, wird bei 96 die Länge des Messpfads dadurch ermittelt, dass zu der Grob-Information ⌊L_a/L_e⌋·L_e für die Länge ein Korrekturterm addiert wird, der kleiner als L_e ist und abhängig von der bei 93 bestimmten Phasenverschiebung bestimmt wird. Zusätzlich kann ein Korrekturterm berücksichtigt werden, der einen Versatz zwischen Nullpunkten des Grob-Messsystems und der interferometrischen Messanordnung berücksichtigt.
Falls eine Konsistenzprüfung durchgeführt wird, wird bei 95 überprüft, ob die bei 92 ermittelte ganze Anzahl von Eindeutigkeitsbereichen mit der bei 93 ermittelten Phasenverschiebung konsistent ist. Falls aufgrund der begrenzten Auflösung des Grob-Messsystems eine Mehrdeutigkeit besteht, wird diese abhängig von der Phasenverschiebung wahlweise zugunsten der kleineren oder größeren Anzahl aufgelöst. Eine derartige Auflösung einer Mehrdeutigkeit wurde unter Bezugnahme auf 3 beispielhaft erläutert. Die Konsistenzprüfung bei 95 kann ein Erhöhen oder Erniedrigen der Anzahl beinhalten. Anschließend wir bei 96 die Weglänge unter Berücksichtigung der – unter Umständen korrigierten – Anzahl von Eindeutigkeitsbereichen bestimmt.
Bei Verfahren und Vorrichtungen nach Ausführungsformen wird die hohe Auflösung der interferometrischen Messanordnung mit dem größeren Messbereich des Grob-Messsystems zusammengeführt. Die Auflösung des Grob-Messsystems ist dabei ausreichend gut, um einen nahtlosen Anschluss zu ermöglichen. Um die Kombination des Grob-Messsystems und der interferometrischen Messanordnung zu erleichtern, können bei jeder Ausführungsform Maßnahmen vorgesehen sein, um den Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung zu vergrößern. Insbesondere können mehrere Interferenzsignale erzeugt und ihre Intensität gemessen werden, wobei die Differenz zwischen den Phasenverschiebungen, die den unterschiedlichen Interferenzsignalen entsprechen, bekannt ist.
9 ist eine schematische Darstellung einer interferometrischen Messanordnung. Diese kann bei einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform eingesetzt werden, beispielsweise bei einer der unter Bezugnahme auf 1–8 beschriebenen Vorrichtungen Alternativ kann die interferometrische Messanordnung auch ohne Kombination mit einem Grob-Messsystem verwendet werden.
Die interferometrische Messanordnung umfasst die Quelle 2 kohärenter elektromagnetischer Strahlung und optische Komponenten 101, 102, 104, 105, mit denen zwei Interferenzsignale erzeugt werden. Die Intensität der zwei Interferenzsignale wird von zwei Detektoren 103, 106 erfasst und an die Auswerteeinrichtung 51 bereitgestellt.
Bei der dargestellten Ausgestaltung weist die interferometrische Messanordnung einen Strahlteiler 101 auf, der einen Teil der von der Quelle 2 ausgegebenen Strahlung auf einen Spiegel 102 lenkt. Der Spiegel 102 lenkt den Teil der Strahlung als ersten Referenzstrahl auf den ersten Detektor 103.
Bei der dargestellten Ausgestaltung weist die interferometrische Messanordnung weiterhin einen zweiten Strahlteiler 104 auf, der einen Teil der den Strahlteiler 102 passierenden Strahlung auf einen Spiegel 105 lenkt. Der Spiegel 105 lenkt den Teil der Strahlung als zweiten Referenzstrahl auf den zweiten Detektor 106.
Der den Strahlteiler 104 passierende Teil der kohärenten Strahlung wird als Objektstrahl über den Strahlteiler 48 in den Messpfad 8 des Grob-Messsystems eingekoppelt und so mit dem Messsignal 113 kombiniert. Ein Teil des Objektstrahls wird nach Reflexion an dem Retroreflektor 16 jeweils auf den ersten Detektor 103 und den zweiten Detektor 106 gelenkt.
Die Komponenten der interferometrischen Messanordnung sind so angeordnet, dass eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten Referenzstrahl und dem Objektstrahl, die zu einem ersten Interferenzsignal 111 überlagert werden, an dem ersten Detektor 103 und eine Phasenverschiebung zwischen dem zweiten Referenzstrahl und dem Objektstrahl, die zu einem zweiten Interferenzsignal 112 überlagert werden, an dem zweiten Detektor 106 in einer vorgegebenen Beziehung zueinander stehen. Vorteilhaft weisen die Phasenverschiebung für das erste Interferenzsignal 111 und die Phasenverschiebung für das zweite Interferenzsignal 112 eine Differenz auf, die von ganzzahligen Vielfachen von π verschieden ist. Besonders vorteilhaft können die die Phasenverschiebung für das erste Interferenzsignal 111 und die Phasenverschiebung für das zweite Interferenzsignal 112 eine Differenz aufweisen, die näherungsweise gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von π/2 ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Strahlteiler 101 und 104 so angeordnet sind, dass der Abstand der Strahldurchstoßpunkte ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ ist, dass der Abstand des ersten Detektors 103 vom ersten Strahlteiler 101 gleich dem Abstand des zweiten Detektors 106 vom zweiten Strahlteiler 104 ist, und dass die optische Weglänge vom Strahldurchstoßpunkt des ersten Strahlteilers 101 zum Spiegel 102 um λ/8 kürzer ist als die die optische Weglänge vom Strahldurchstoßpunkt des zweiten Strahlteilers 103 zum Spiegel 105. Dies führt dazu, dass die Phasenverschiebung für das zweite Interferenzsignal 112 um π/2 größer als die Phasenverschiebung für das erste Interferenzsignal 111 ist.
Die relativen Amplituden der Referenzstrahlen und des auf die Detektoren 103, 106 einfallenden Anteils des reflektierten Objektstrahls werden durch Eigenschaften der Strahlteiler 101, 104 bestimmt und können als bekannt angenommen werden. Durch Einfügen geeigneter Abschwächungselemente kann optional erreicht werden, dass die Amplituden der einfallenden Referenzstrahlen und des jeweils einfallenden Anteils des reflektierten Objektstrahls an den beiden Detektoren 103, 106 gleich sind. In diesem Fall ist die an dem ersten Detektor 103 erfasste Intensität gegeben durch r 2 / int-1 = r1² + r2² + 2·r1·r2·cos(Δφ), (2) und die an dem zweiten Detektor 106 erfasste Intensität ist gegeben durch r 2 / int-2 = r1² + r2² + 2·r1·r2·cos(Δφ + ψ). (3)
Hierbei ist ψ die durch die Bauweise der interferometrische Messanordnung definierte bekannte Differenz zwischen den Phasenverschiebungen. Insbesondere kann ψ ≈ π/2 oder ψ ≈ (2·k + 1)·π/2 mit einer ganzen Zahl k gewählt werden.
Die Auswerteeinrichtung 51 kann basierend auf den beiden erfassten Intensitäten r_int-1 und r_int-2 die Phasenverschiebung Δφ rechnerisch ermitteln. Zusätzlich kann aus Gleichungen (2) und (3) die unbekannte Größe r2 rechnerisch ermittelt werden, die zur Amplitude des reflektierten Objektstrahls proportional ist. Ein Rückgriff auf Kennfelder oder Formeln, die die Abschwächung von r2 als Funktion der Länge des Messpfads angeben, ist nicht erforderlich.
Für ψ ≠ k·π mit ganzzahligem k erlaubt die Erfassung der zwei Intensitäten darüber hinaus auch, dass der Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung erweitert wird. Die Phasenverschiebung Δφ kann aus Gleichungen (2) und (3) im Intervall von 0 bis 2·π eindeutig bestimmt werden. Bei einer Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereichs der interferometrischen Messanordnung ist eine weniger feine Auflösung des Grob-Messsystems erforderlich, um das Kriterium zu erfüllen, dass die Auflösung des Grob-Messsystems kleiner als der Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung und vorteilhaft kleiner als ein Viertel des Eindeutigkeitsbereichs der interferometrischen Messanordnung ist.
10 ist eine schematische Darstellung 115, die den Verlauf der erfassten Intensitäten 116 und 117 nach Gleichungen (2) und (3) für den Fall r1 = r2 = 1 zeigt. Dabei sind die Intensitäten als Funktion der Weglängendifferenz im Eindeutigkeitsbereich dargestellt. Ein Weglängenunterschied von λ entspricht Δφ = 2·π. Die erfassten Intensitäten nach Gleichungen (2) und (3) sind bei 116 und 117 dargestellt. Für jedes Wertepaar von r_int-1 und r_int-2 kann genau ein Wert im Intervall von 0 bis 2·π eindeutig ermittelt werden.
11 zeigt ein Zeigerdiagramm 120. Der Objektstrahl mit einer entsprechenden Phasenlage, die den Winkel relativ zur x-Achse bestimmt, wird durch einen Zeiger 122 repräsentiert. Der Referenzstrahl an dem ersten Detektor wird durch einen Zeiger 121 repräsentiert. Der Referenzstrahl an dem zweiten Detektor ist um einen bekannten Winkel zu dem Referenzstrahl an dem ersten Detektor phasenverschoben und wird durch einen Zeiger 123 repräsentiert. Die Amplitude des Interferenzsignals an dem ersten Detektor wird durch einen Zeiger 124 repräsentiert, der die vektorielle Summe der dem Objektstrahl und dem ersten Referenzstrahl entsprechenden Zeiger ist. Die Amplitude des Interferenzsignals an dem zweiten Detektor wird durch einen Zeiger 125 repräsentiert, der die vektorielle Summe der dem Objektstrahl und dem ersten Referenzstrahl entsprechenden Zeiger ist. Aus der Intensität der beiden Interferenzsignale sind bei bekannter Differenz der beiden Phasenverschiebungen, die den beiden Interferenzsignalen zugeordnet sind, die Phasenverschiebung zwischen dem Objektstrahl und dem ersten Referenzstrahl und die Phasenverschiebung zwischen dem Objektstrahl und dem zweiten Referenzstrahl ermittelbar.
12 ist eine schematische Darstellung 130, die den Verlauf der erfassten Intensitäten 131 und 132 nach Gleichungen (2) und (3) für den Fall r1 ≠ r2 zeigt. Dabei sind die Intensitäten als Funktion der Weglängendifferenz im Eindeutigkeitsbereich dargestellt. Für jedes Wertepaar von r_int-1 und r_int-2 kann genau ein Wert im Intervall von 0 bis 2·π eindeutig ermittelt werden. Die rechnerische Ermittlung von Δφ kann beispielsweise die Berechnung einer Differenz 133 der erfassten Intensitäten beinhalten. Auch bei ungleichen Amplituden r1 ≠ r2 kann somit der Wert Δφ im Intervall von 0 bis 2·π eindeutig ermittelt werden.
Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit können auch mehr als zwei Interferenzsignale gebildet und deren Intensität ermittelt werden. Durch bekannte rechnerische Methoden, beispielsweise durch Regressionsanalyse, kann aus den erfassten Intensitäten bei bekannter Differenz zwischen den Phasenverschiebungen die Phasenverschiebung berechnet werden, die einem der Interferenzsignale zugeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die interferometrische Messanordnung weitere Sensorik umfassen, mit der beispielsweise die Intensitäten des Referenzstrahls und des Objektstrahls gemessen werden.
13 ist eine ist eine schematische Darstellung einer interferometrischen Messanordnung. Diese kann bei einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform eingesetzt werden, beispielsweise bei einer der unter Bezugnahme auf 1–8 beschriebenen Vorrichtungen. Alternativ kann die interferometrische Messanordnung auch ohne Kombination mit einem Grob-Messsystem verwendet werden. Elemente, die in Funktion und Ausgestaltung unter Bezugnahme auf 9 beschriebenen Elementen entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Die interferometrische Messanordnung von 13 weist einen Strahlteiler 141 und einen Detektor 142 auf, um die Intensität der Referenzstrahlen zu bestimmen. Der Strahlteiler 141 kann einen verhältnismäßig kleinen Anteil der Intensität der von der Quelle 2 ausgegebenen Strahlung auf den Detektor 142 lenken. Aus dem Ausgangssignal des Detektors 142 und den bekannten Reflexionskoeffizienten der verschiedenen Strahlteiler der interferometrischen Messanordnung kann die Auswerteeinrichtung 51 die Amplitude der Referenzstrahlen an den Detektoren 103 und 106 ermitteln.
Die interferometrische Messanordnung von 13 weist weiterhin einen Strahlteiler 143 und einen Detektor 144 auf, um die Intensität des Objektstrahls zu bestimmen. Der Strahlteiler 143 kann einen verhältnismäßig kleinen Anteil der Intensität des von dem Retroreflektor in die interferometrische Messanordnung zurückreflektierten Objektstrahls auf den Detektor 144 lenken. Aus dem Ausgangssignal des Detektors 144 und den bekannten Reflexionskoeffizienten der verschiedenen Strahlteiler der interferometrischen Messanordnung kann die Auswerteeinrichtung 51 die Amplitude des Objektstrahls an den Detektoren 103 und 106 ermitteln.
Mit der interferometrischen Messanordnung von 13 können die Größen r1 und r2 in Gleichungen (2) und (3) unabhängig bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit der rechnerisch ermittelten Phasenverschiebung Δφ weiter erhöht werden.
Während Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, bei denen die interferometrische Messanordnung zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs mehrere separate Detektoren zum Erfassen unterschiedlicher Interferenzsignale aufweisen, kann bei weiteren Ausführungsformen ein Detektor mehrere unterschiedliche Interferenzsignale zeitsequentiell erfassen. Dies ist insbesondere auch bei fixer Position des Objekts, dessen Position bestimmt werden soll, möglich. Dazu kann beispielsweise in einer Anordnung, wie sie in 4–6 dargestellt ist, ein steuerbares optisches Element im Strahlengang des Referenzstrahls der interferometrischen Messanordnung vorgesehen sein, das steuerbar eine zusätzliche Phasenverschiebung des Referenzstrahls hervorrufen kann. Durch Steuerung des optischen Elements kann zeitsequentiell die Intensität mehrerer Interferenzsignale erfasst werden, wobei die Änderung der Phasenverschiebung, die durch das schaltbare optische Element hervorgerufen wird, bekannt ist.
14 ist eine schematische Darstellung einer interferometrischen Messanordnung 150. Diese kann bei einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform eingesetzt werden, beispielsweise bei einer der unter Bezugnahme auf 1–8 beschriebenen Vorrichtungen. Alternativ kann die interferometrische Messanordnung auch ohne Kombination mit einem Grob-Messsystem verwendet werden. Elemente, die unter Bezugnahme auf 9 beschrieben wurden, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Die interferometrische Messanordnung 150 weist den Strahlteiler 101 und einen Detektor 103 auf. Durch eine Anordnung mit einem Strahlteiler 151 und einem Umlenkspiegel 152 kann ein Interferometer-Referenzstrahl wahlweise auf einen Spiegel 102 oder einen Spiegel 105 gelenkt werden. Eine optische Einrichtung 153, die beispielsweise als Chopper ausgebildet sein kann, gibt zeitsequentiell nur einen der beiden Pfade zwischen einem der Spiegel 102 und 105 und dem Strahlteiler 101 frei. Der Strahlteiler 151, der Umlenkspiegel 152 und die Spiegel 102, 105 sind so angeordnet, dass sich die Phasenverschiebung zwischen dem Interferometer-Objektstrahl und dem Interferometer-Referenzstrahl 108, der an dem Spiegel 105 reflektiert wird, an dem Detektor 103 um einen bekannten Wert ψ von der Phasenverschiebung zwischen dem Interferometer-Objektstrahl und dem Interferometer-Referenzstrahl 108, der an dem Spiegel 105 reflektiert wird, an dem Detektor 103 unterscheidet. Die Differenz ψ der Phasenverschiebungen kann einen von π und ganzzahligen Vielfachen von π verschiedenen Wert aufweisen und insbesondere gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von π/2 sein. Wenn die optische Einrichtung 153 zeitsequentiell den Pfad zum Spiegel 102 oder den Pfad zum Spiegel 105 freigibt, werden an dem Detektor 103 entsprechend zeitsequentiell unterschiedliche Interferenzsignale erfasst, wie sie in Gleichungen (2) und (3) angegeben sind. Aus den zeitsequentiell erfassten Interferenzsignalen bestimmt die Auswerteeinrichtung 51 rechnerisch die Phasenverschiebung zwischen Interferometer-Objektstrahl und einem der Interferometer-Referenzstrahlen an dem Detektor 103.
Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wurden detailliert beschrieben. Abwandlungen können bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert sein. Während beispielsweise Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben wurden, bei denen das Grob-Messsystem auf der Auswertung einer Signalkomponente einer Folge von Lichtpulsen beruht, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, können parallel oder zeitlich sequentiell mehrere Signalkomponenten ausgewertet werden, die mit unterschiedlichen Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren, und/oder es kann auch die mit der Repetitionsrate oszillierende Grundwelle ausgewertet werden.
Während Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben wurden, bei denen ein Einwellenlängen-Interferometer eingesetzt wird, kann bei Vorrichtungen und Verfahren auch ein Mehrwellenlängen-Interferometer verwendet werden.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben die Bestimmung der absoluten Objektposition mit einer Genauigkeit, die durch die interferometrische Messanordnung begrenzt ist, und über einen Längenbereich, der durch das Grob-Messsystem gegeben ist. Die Vorrichtungen und Verfahren können allgemein zur Abstands- oder Positionsbestimmung eingesetzt werden, wobei beispielhafte Anwendungsfelder Messanwendungen in industriellen Anlagen, beispielsweise in automatisierten Fertigungs- oder Transportanlagen sind.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der absoluten Position eines Objekts (12; 15) unter Verwendung einer interferometrischen Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) und eines Messsignals (113), das eine Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eine Folge von Lichtpulsen, umfasst, wobei das Messsignal (113) und ein Interferometer-Objektstrahl (39; 109) der interferometrischen Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) so kombiniert werden, dass sie denselben Messpfad (8) zwischen dem Objekt (12; 15) und einer Referenzposition (16; 49) durchlaufen, wobei eine Intensität des Messsignals (113) nach Durchlaufen des Messpfads (8) als Funktion der Zeit erfasst wird, um eine Grob-Information für eine Länge des Messpfads (8) zu bestimmen, wobei abhängig von einer Intensität eines durch Überlagerung des Interferometer-Objektstrahls (39; 109) und eines Interferometer-Referenzstrahls (38; 107, 108) erzeugten Interferenzsignals (40; 111, 112) eine dem Messpfad (8) zugeordnete Phasenverschiebung zwischen dem Interferometer-Objektstrahl (39; 109) und dem Interferometer-Referenzstrahl (38; 107, 108) bestimmt wird, und wobei die absolute Position des Objekts (12; 15) abhängig von der Grob-Information und der Phasenverschiebung bestimmt wird, wobei zum Bestimmen der Phasenverschiebung die Intensität des Interferenzsignals (40; 111, 112) mit einer abstandsabhängigen Interferenzamplitude verglichen wird, die unter Verwendlung elektronischer Rechenmittel (7; 51) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Interferenzamplitude abhängig von der Grob-Information und/oder abhängig von der Intensität des Interferenzsignals (40; 111, 112) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine Intensität eines durch Überlagerung des Interferometer-Objektstrahls (109) und eines weiteren Interferometer-Referenzstrahls (108) erzeugten weiteren Interferenzsignals (112) erfasst wird, wobei der weitere Interferometer-Referenzstrahl (108) phasenkohärent zu dem Interferometer-Referenzstrahl (107) ist, wobei die Position des Objekts (12; 15) abhängig von der Grob-Information, der Phasenverschiebung und der Intensität des weiteren Interferenzsignals (112) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Interferenzsignal (111) und das weitere Interferenzsignal (112) zeitlich parallel ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das weitere Interferenzsignal (112) so erzeugt wird, dass eine Differenz zwischen der Phasenverschiebung und einer dem weiteren Interferenzsignal (111) zugeordneten weiteren Phasenverschiebung einen von π und von ganzzahligen Vielfachen Von π verschiedenen bekannten Wert aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Grob-Information ein Auswerten einer Signalkomponente des erfassten Messsignals (113) umfasst, die mit einem Vielfachen einer Repetitionsrate der Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung oszilliert, wobei das Vielfache der Repetitionsrate so gewählt wird, dass eine Abweichung zwischen der Länge des Messpfads (8) und der bestimmten Grob-Information kleiner als ein Eindeutigkeitsbereich der interferometrischen Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen der absoluten Position des Objekts (12; 15) abhängig von der Grob-Information eine ganzzahlige Anzahl von in der Länge des Messpfads (8) enthaltenen Eindeutigkeitsbereichen der interferometrischen Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) ermittelt wird, und wobei die Anzahl abhängig von der Phasenverschiebung einer Konsistenzprüfung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die interferometrischen Messanordnung (2, 58) eine Quelle (2) kohärenter elektromagnetischer Strahlung umfasst, und wobei die Quelle (2) kohärenter elektromagnetischer Strahlung zum Pumpen einer Quelle (4) des Messsignals eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zeitsequentiell wenigstens drei Richtungen des Messpfads (8) eingestellt und für jede der drei Richtungen die Grob-Information für die Länge des Messpfads (8) und die dem Messpfad (8) zugeordnete Phasenverschiebung ermittelt wird, und wobei mehrere Koordinaten einer Position des Objekts (12; 15) abhängig von den für die drei Richtungen ermittelten Grob-Informationen und Phasenverschiebungen bestimmt werden.
Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Position eines Objekts (12; 15), umfassend eine interferometrische Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) und eine Quelle (4) zum Erzeugen eines Messsignals (113), das eine Folge von Pulsen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eine Folge von Lichtpulsen, umfasst, optische Komponenten (48–50; 49, 50, 68), die eingerichtet sind, um das Messsignal (113) und einen Interferometer-Objektstrahl (39; 109) der interferometrischen Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) so zu kombinieren, dass sie denselben Messpfad (8) zwischen dem Objekt (12; 15) und einer Referenzposition (16; 49) durchlaufen, einen Detektor (44) zum Erfassen einer Intensität des Messsignals nach Durchlaufen des Messpfads (8) als Funktion der Zeit, und eine Auswerteeinrichtung (7; 51), die mit dem Detektor (44) und der interferometrischen Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) gekoppelt und eingerichtet ist, um abhängig von der von dem Detektor (44) erfassten Intensität eine Grob-Information für eine Länge des Messpfads (8) zu bestimmen, um abhängig von einer mit der interferometrischen Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) erfassten Intensität eines Interferenzsignals (40; 111, 112) eine dem Messpfad (8) zugeordnete Phasenverschiebung zwischen dem Interferometer-Objektstrahl (39; 109) und einem Interferometer-Referenzstrahl (38; 107, 108) zu bestimmen, und um die absolute Position des Objekts (12; 15) abhängig von der Grob-Information und der Phasenverschiebung zu bestimmen, wobei die Auswerteeinrichtung (7; 51) eingerichtet ist, um eine abstandsabhängige Interferenzamplitude rechnerisch zu ermitteln und um die dem Messpfad (8) zugeordnete Phasenverschiebung abhängig von der erfassten Intensität des Interferenzsignals (40; 111, 112) und der Interferenzamplitude zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die interferometrische Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) wenigstens einen Detektor (37; 103, 106) zum Erfassen der Intensität des Interferenzsignals (40; 111) und einer Intensität eines durch Überlagerung des Interferometer-Objektstrahls (39; 109) und eines weiteren Interferometer-Referenzstrahls (108) erzeugten weiteren Interferenzsignals (112) umfasst, wobei die Auswerteeinrichtung (7; 51) eingerichtet ist, um die Position des Objekts (12; 15) abhängig von der Grob-Information, der Phasenverschiebung und der Intensität des weiteren Interferenzsignals (112) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die interferometrische Messanordnung (2, 3; 2, 36–38; 2, 58; 2, 37, 61–63) eine Quelle (2) kohärenter elektromagnetischer Strahlung umfasst, und wobei ein Ausgangssignal der Quelle (2) kohärenter elektromagnetischer Strahlung zum Pumpen der Quelle (4) zum Erzeugen des Messsignals verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10–12, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2–9 eingerichtet ist.