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Die vorliegende Erfindung betrifft System zum Messen von Längenänderungen eines Messobjekts im Vakuum.
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Messverfahren im Allgemeinen und insbesondere auch optische Messverfahren sind aus dem Stand der Technik bereits hinreichend bekannt. So ist es beispielsweise üblich eine Abstandsmessung mittels eines optischen Messverfahrens durchzuführen. Hierbei wird üblicherweise ein Laser verwendet. Bei einem derartigen Lasermessverfahren kann grundsätzlich zwischen drei möglichen Varianten unterschieden werden. Eine erste Alternative zur Abstandsmessung ist die Laufzeitmessung. Bei diesem Verfahren wird ein zeitlicher Lichtimpuls ausgesandt. Gemessen wird hierbei die so genannte Pulslaufzeit. In Verbindung mit der Lichtgeschwindigkeit lässt sich aus der Pulslaufzeit die Distanz zwischen der Lichtquelle und dem Messobjekt ermitteln.
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Eine weitere Messalternative stellt die Messung über die Phasenlage dar. Hierbei ist die Phasenverschiebung des reflektierten Lichtstrahls gegenüber dem ausgesandten Strahl abhängig von der zurückgelegten Entfernung. Die Distanz wird hierbei über die gemessene Phasenverschiebung ermittelt.
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Eine weitere Möglichkeit der Abstandsmessung stellt die Lasertriangulation dar. Bei diesem Verfahren wird ein Laserstrahl auf ein Messobjekt fokussiert und mit einer in einem Sensor befindlichen Kamera, einer ortsauflösenden Photodiode oder einer CCD-Zeile beobachtet. Wenn sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor verändert, ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Mit Hilfe der Winkelfunktionen kann so die Entfernung des Objekts zur Laserquelle berechnet werden.
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Problematisch bei derartigen Messverfahren ist allgemein die Abhängigkeit des Lichts von Brechungsindizes. So ist beispielsweise bei Messungen von Entfernungen unter Atmosphärenbedingungen der Brechungsindex unter anderem abhängig von Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit. All diese Faktoren können das Messergebnis verfälschen, weswegen zu jeder Zeit diese Faktoren gemessen werden müssen, um den sich verändernden Brechungsindex bei der Berechnung der Entfernung berücksichtigen zu können.
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Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, welche Messobjekte innerhalb abgeschlossener Temperaturkammern messen können, um die Auswirkungen der Temperatur auf das Messobjekt messen zu können. Hierbei ist die Messapparatur in der Regel außerhalb der Temperaturkammer angeordnet, um die Messapparatur nicht den Temperaturen in der Temperaturkammer auszusetzen, da dies beispielsweise die Sensoren beschädigen könnte. Aus diesem Grund sind die Temperaturkammern mit Sichtfenstern ausgestattet, durch welche beispielsweise ein Lichtstrahl auf das Messobjekt gerichtet werden kann.
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Hierbei ergibt sich allerdings die Problematik, dass der Lichtstrahl verschiedene Medien durchlaufen muss. Dies kann zu einer erhöhten Ungenauigkeit bei der Messung beitragen, da sich der Brechungsindex je nach Medium und Temperatur verändert. So muss der Lichtstrahl bei einem derartigen gängigen Verfahren Luft außerhalb der Temperaturkammer, das Sichtfenster und dann die Luft innerhalb der Temperaturkammer durchlaufen. Da die Temperatur innerhalb der Kammer verändert wird, ändert sich auch der jeweilige Brechungsindex der Luft. Weiterhin kann es aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen innerhalb und außerhalb der Kammer zu Veränderungen des Materials des Sichtfensters kommen, was wiederum den Brechungsindex des Sichtfensters verändert. Eine derartige Verformung beispielsweise von Glas aufgrund unterschiedlicher Temperaturen lässt sich nur sehr schwer bestimmen, wodurch eine Fehlerkorrektur bei einer derartigen Anordnung kompliziert wird.
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Weiterhin sind allgemein auch Vakuumkammern aus dem Stand der Technik bekannt, in welchen ein bestimmter Unterdruck mittels einer Vakuumpumpe erzeugbar ist, wobei eine derartige Kammer vollständig abgedichtet werden muss. Bei der Durchführung von Messungen oder Experimenten innerhalb solcher Kammern kann ein Problem darin bestehen, dass je nach Komplexität der Messapparatur mehrere Zugänge durch die Kammerwand für Kabel, Sensoren, Sichtfenster o.ä. abgedichtet werden müssen. Das bedeutet, dass je aufwändiger der Aufbau des Systems ist, desto schwieriger wird eine vollständige Abdichtung.
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Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein System zum Messen von Längenänderungen eines Messobjekts im Vakuum bereitzustellen, welches die eingangs genannten Probleme löst und ein einfaches und zuverlässiges System zur Messung bereitstellt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System nach dem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein System umfassend wenigstens eine erste Kammer, insbesondere eine Vakuumkammer, eine Vakuumpumpe, über Flansche mit der ersten Vakuumkammer verbundene Sichtfenster und Apparaturen sowie ein in der ersten Vakuumkammer angeordnetes Messobjekt vorgesehen. Erfindungsgemäß ist eine optische Messvorrichtung zum Messen einer Längenänderung aufgrund von Temperaturänderungen unter Vakuumbedingungen eines in der ersten Vakuumkammer angeordneten Messobjektes vorgesehen.
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Bevorzugt verwendet das optische Messsystem wenigstens einen Lichtstrahl zur Messung der Längenänderung. Bevorzugt ist in dieser Ausführungsform die Messvorrichtung vollständig innerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass der Lichtstrahl immer in demselben Medium gehalten wird und eine Veränderung des Brechungsindex aufgrund unterschiedlicher Medien nicht stattfindet. Weiterhin ist in dieser Vakuumkammer eine Einrichtung zum Erzeugen von unterschiedlichen Temperaturen vorgesehen. Eine derartige Einrichtung kann beispielsweise Wärmestrahlung direkt auf das Messobjekt projizieren, um dieses zu erwärmen. Denkbar wäre auch, dass die Temperatur in der gesamten Kammer veränderbar ist. Bevorzugt ist jedoch, dass die Temperatur nur in einem Teil der Vakuumkammer und zwar nur in dem Teil um das Messobjekt herum in der Temperatur veränderbar ist. Dies könnte unter anderem dadurch erreicht werden, dass in einer Hälfte der Kammer in die Wandteile beispielsweise Kapillarrohrmatten eingebracht werden, welche nach Belieben aufgeheizt oder abgekühlt werden können. Bei ausreichender Nähe zu dem Messobjekt kann so die Wärme bzw. Kälte auf das Messobjekt übertragen werden und eine Längenänderung des Messobjekts im Vakuum beobachtet werden. Es wäre auch denkbar, eine Hälfte der Kammer mit Temperierplatten auszustatten, um die gewünschte Temperaturänderung zu erreichen. Diese Temperierplatten können elektrisch oder über ein Fluid betreibbar sein.
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Weitere mit der zumindest ersten Vakuumkammer verbundene Apparaturen können unter anderem Temperatursensoren, Anschlusselemente für eine Energieversorgung des Lasers oder verschiedene Mittel zum Übertragen von Daten sein, welche beispielsweise die von dem Sensor gemessenen Werte an eine außerhalb der Kammer angeordnete Recheneinheit übertragen können.
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Alternativ ist es auch denkbar, das Messobjekt mit einer Temperiermanschette zu umgeben. Dies wäre insbesondere vorteilhaft, da auf diese Weise die Temperatur direkt auf das Messobjekt übertragen werden kann und eine Ausdehnung in eine bestimmte Richtung gesteuert werden könnte. Dies würde eine Messung der Ausdehnung des Messobjekts vereinfachen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine weitere Kammer innerhalb der ersten Kammer angeordnet. In dieser zusätzlichen Kammer kann beispielsweise die Messvorrichtung angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein Temperatureinfluss auf die Messvorrichtung vermindert bzw. zumindest reduziert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine weitere Kammer direkt angrenzend zu der ersten Kammer angeordnet. Hierbei sind die beiden Kammern lediglich über eine Öffnung für den Lichtstrahl verbunden. Ansonsten können die beiden Kammern separiert voneinander im Hinblick auf das vorliegende Vakuum und die einzustellende Temperatur betrachtet und gesteuert werden. Mit einer derartigen Ausführung kann ebenfalls die Temperatureinwirkung auf die Messapparatur verhindert bzw. zumindest reduziert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Messobjekt auf einem Drehteller angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise der Aufbau der Messapparatur vereinfacht werden kann, da beispielsweise nicht alle Seiten des Messobjektes gleichzeitig gemessen werden müssen und ein einzelner Lichtstrahl ausreichend ist. Bei einem statisch angeordneten Messobjekt müsste der Lichtstrahl beispielsweise mehrfach aufgespalten werden, um eine umfängliche Messung des Messobjekts zu gewährleisten, was wiederum eine komplizierte Messapparatur benötigt.
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Weiterhin ist besonders bevorzugt, dass das Messobjekt innerhalb einer Temperaturkammer angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein direkteres Erwärmen des Messobjekts ermöglicht wird und der Temperatureinfluss auf die Messapparatur verhindert werden kann. Die Temperaturkammer weist an der Seite eine Öffnung auf, welche der Messeinrichtung zugewandt ist, so dass das Messobjekt über die optische Messvorrichtung vermessen werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Temperaturkammer Temperaturen in einem Bereich von -300 °C bis 800 °C, bevorzugt von -180 °C bis 300 °C einstellbar.
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Besonders bevorzugt ist die optische Messvorrichtung ein Interferometer. Denkbar sind verschiedene Arten von Interferometern. Bevorzugt ist das Interferometer aus einem der folgenden Zweistrahlinterferometern ausgewählt: Bath-Interferometer, Michelson-Interferometer oder Weißlichtinterferometer.
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Alternativ zu den Interferometern wäre es auch denkbar, ein geometrisches LichtstrahlVerfahren durchzuführen. Hierbei ist es zum einen möglich, einen so genannten zeitlichen Lichtschnitt durchzuführen. Bei diesem Verfahren wird ein Laserstrahl über einen rotierenden Polygonspiegel derart abgelenkt, dass das Messobjekt zeitlich nacheinander abgescannt wird. Weiterhin ist hierfür eine Linsenoptik vorgesehen, mittels welcher das Licht parallel geführt werden kann und auf der gegenüberliegenden Seite auf einen Detektor fokussiert werden kann. Aus dem Detektorsignal lässt sich durch die von der Abschattung hervorgerufene Intensitätsabsenkung beispielsweise der Durchmesser ablesen, der proportional die Abschattungszeit ist.
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Alternativ hierzu wäre ein derartiges geometrisches Lichtstrahl-Verfahren mittels Lichtvorhang und Diodenzeilenkamera realisierbar. Hierbei wird im Gegensatz zu dem zeitlichen Lichtschnitt das Objekt nicht zeitlich abgetastet, sondern es wird ein Lichtvorhang durch ein Linsensystem erzeugt, der das Messobjekt zeitgleich auf eine Diodenzeile abbildet. Derartige geometrische Lichtstrahlverfahren sind vorteilhaft, da mit diesen ein größerer Bereich gemessen werden kann und so auch eine Längenänderung bzw. eine Ausdehnung des Messobjekts leicht erfassbar ist. Hierbei wäre es notwendig, das Messobjekt zwischen der Lichtquelle und dem dazugehörigen Sensor anzuordnen.
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Eine weitere Alternative zu Interferometern stellen so genannte Triangulations-Verfahren dar. Hierbei wird ein Laserstrahl über eine Linse auf das Messobjekt fokussiert und so ein Lichtfleck erzeugt. Dieser Lichtfleck wird unter einem festen Winkel mit einem Lagedetektor oder einer Kamera betrachtet. Bei einer Verschiebung des Lichtflecks kann so beispielsweise der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Messobjekt ermittelt werden. Eine Verschiebung des Lichtflecks kann in dem erfindungsgemäßen Fall dadurch entstehen, dass sich das Messobjekt aufgrund der vorherrschenden Temperatur ausdehnt oder zusammenzieht, wodurch der Abstand vergrößert oder verkleinert wird. Aufgrund der Abstandsänderung kann dann beispielsweise die Ausdehnung des Messobjekts ermittelt werden. Eine derartige Anordnung wäre vorteilhaft, da unter anderem keine Spiegel und keine externen Sensoren verwendet werden müssten und somit die Messvorrichtung einfacher ausgestaltet werden könnte.
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Bei einer weiteren besonders bevorzugten Alternative eines optischen Phasenmessverfahrens wird anders als bei einem Interferometer die Phasenverschiebung einer IntensitätsModulation und nicht die Phasenverschiebung der Lichtwelle selbst gemessen. Das Licht wird hierbei lediglich als Träger verwendet und das vom Laser ausgesandte Licht mit einer Frequenz f von einem Modulator moduliert gesendet. Nach einer Reflexion wird das Licht von einem Photodetektor empfangen, welcher das optische Signal in ein elektrisches Signal mit der Frequenz f umwandelt. Der Wechselstrom wird verstärkt und mit einem Phasenmesser mit der Phase des Bezugssignals vom Oszillator verglichen. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Messung unabhängig von Brechungsindizes ist, da das Licht lediglich als Trägermedium fungiert. Auf diese Weise können genauere Messungen auch unter nicht optimalen Rahmenbedingungen durchgeführt werden.
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Weiterhin ist die Messvorrichtung bevorzugt zumindest teilweise innerhalb der ersten Kammer oder innerhalb einer weiteren Kammer angeordnet. In diesem Fall ist es vorgesehen, dass Teile der optischen Messvorrichtung, wie beispielsweise die Sensoren, direkt an die Kammer angeflanscht werden und somit nicht innerhalb der Kammer angeordnet werden. Andere Teile, wie beispielsweise Spiegel oder Strahlteiler können allerdings nach wie vor innerhalb der Kammer angeordnet werden.
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Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung der anliegenden Figuren erläutert. Gleichartige Komponenten können in den verschiedenen Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen aufweisen.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Systems;
- 2 eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems;
- 3 eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1. Das System 1 umfasst hierbei eine erste Kammer 3 sowie eine weitere Kammer 7. In der ersten Kammer 3 ist ein Laser 2, ein Spiegel 6, ein Sensor 4 sowie die weitere Kammer 7 angeordnet, welche eine Öffnung bzw. einen Spalt an der Seite aufweist, welche dem Laser 2 zugewandt ist. In der weiteren Kammer 7 ist das Messobjekt 5 auf einem Drehteller 9 angeordnet. Der Drehteller 9 ist drehbar an einem Basiselement 8 angeordnet. Über eine Vakuumpumpe V ist in den beiden Kammern 3 und 7 ein Vakuum erzeugbar. Weiterhin sind zwei Temperaturregelvorrichtungen T1 und T2 vorgesehen. T1 regelt dabei die Temperatur in der ersten Kammer 3 und T2 die Temperatur in der weiteren Kammer 7, welche in diesem Fall als Temperaturkammer ausgestaltet ist. In dieser Darstellung wird von dem Laser 2 ein Laserstrahl L in Richtung des Messobjekts 5 emittiert. Dabei durchläuft der Laserstrahl L einen halbtransparenten Spiegel 6 und wird von dem Messobjekt 5 reflektiert und über den Spiegel 6 zu einem Sensor 4 geleitet. Die Anordnung des Messobjekts in einer separaten Kammer hat den Vorteil, dass so eine Temperaturübertragung auf die Messapparatur verhindert werden kann.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems 1. Auch in dieser Figur sind eine erste Kammer 3 sowie eine weitere Kammer 7 gezeigt. In dieser Darstellung sind die beiden Kammern angrenzend zueinander angeordnet und lediglich über einen Spalt miteinander verbunden, durch welchen der Laserstrahl L hindurchtreten kann. Auch in hier wird von dem Laser 2 ein Laserstrahl L in Richtung des Messobjekts ausgesendet und von diesem wiederum reflektiert. Anschließend wird der reflektierte Strahl L in einen Sensor 4 geleitet. In den beiden Kammern 3, 7 wird wie auch in 1 ein Vakuum über eine oder mehrere Vakuumpumpen V erzeugt.
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3 zeigt eine weitere schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systems 1. In dieser Darstellung ist der Laser 2 sowie der Sensor 4 außerhalb der ersten Kammer 3 angeordnet und über Flansche 10 mit der Kammer 3 verbunden. Das Messobjekt 5 befindet sich in einer weiteren Kammer 7 welche auch in diesem Fall als Temperaturkammer ausgestaltet ist.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Laser
- 3
- erste Vakuumkammer
- 4
- Sensor
- 5
- Messobjekt
- 6
- Spiegel
- 7
- weitere Kammer
- 8
- Basiselement
- 9
- Drehteller
- 10
- Flansch
- V
- Vakuumpumpe
- T1
- Temperaturregler der ersten Kammer
- T2
- Temperaturregler der zweiten Kammer
- L
- Laserstrahl
