DE19822129A1

DE19822129A1 - Anordnung und Meßverfahren zur Fluchtung höchster Präzision mit zweidimensionalen optischen Symmetrierelementen

Info

Publication number: DE19822129A1
Application number: DE1998122129
Authority: DE
Inventors: Gerald Sparrer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 1999-11-11

Abstract

Bei Fluchtungsmessungen bietet ein optisches Symmetrierelement gemeinsam mit einem positionsempfindlichen Detektor (PSD) die Möglichkeit, räumliche Schwankungen und Profilverschiebungen eines Fluchtungsstrahls zu kompensieren, um diesbezügliche Meßabweichungen zu vermeiden. DOLLAR A Dies geschieht dadurch, daß aus dem kollimierten Fluchtungsstrahl zwei über die Fluchtungsstrecke laufende komplementäre Teilstrahlen erzeugt werden, die geometrisch nahezu übereinanderliegen und bei Schwankungen des Ausgangsstrahls sich mit gleichem Betrag zueinander gegenläufig bewegen und spiegelbildliche Strahlprofile aufweisen. Nach dem gemeinsamen Auftreffen dieses Strahlenpaares auf dem PSD, tritt ein optischer Kompensationseffekt ein. Geradheitsnormal ist nicht ein einzelner Fluchtungsstrahl, sondern die Symmetrielinie zwischen den beiden Teilstrahlen. DOLLAR A Durch erfindungsgemäße Maßnahmen wird besonders dafür gesorgt, daß die beiden Teilstrahlen nicht miteinander interferieren können. Dies geschieht bei Benutzung von kohärenter Strahlung dadurch, daß zwei linear polarisierte Teilstrahlen mit strenger Orthogonalität ihrer Schwingungsebenen erzeugt werden. Eine zweite Möglichkeit ist, daß inkohärente Strahlung, z. B. Weißlicht, angewandt wird und auf diese Weise von vornherein Störinterferenzen vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft optische und mechanische Anordnungen und ein Meßverfahren zur absoluten nichtinterferometrischen optoelektronischen Geradheits- und Fluchtungs messung höchster Präzision. Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo es bei kontinuierlichen Meßabläufen gilt, die Formabweichung von der Geraden (z. B. von Ma schinenbetten) zu bestimmen. Weitaus wichtiger ist aber das zweite Einsatzgebiet, bei dem es darauf ankommt, Lageabweichungen von mechanischen Elementen zueinan der an diskontinuierlichen bzw. unterbrochenen Meßobjekten zu bestimmen, weil für diese Meßaufgabe im Gegensatz zum ersten Einsatzgebiet die bekannten klassischen Winkelmeßverfahren (z. B. Winkelinterferometer, elektronisches Neigungsmeßgerät, Autokollimationsfernrohr) wegen des dafür erforderlichen kontinuierlichen Meßablaufs prinzipiell nicht eingesetzt werden können.

Durch die Anwendung der Erfindung kann die Präzision der optoelektronischen La serfluchtung wesentlich erhöht werden und zwar nicht nur in Laborräumen, sondern auch bei rauhen Umweltbedingungen in Maschinenhallen. Diese hohe Präzision ist auch für große Arbeitsbereiche möglich. Aus diesen Gründen ergeben sich zahlreiche Anwendungsgebiete der Erfindung, wie z. B. Geradheits- bzw. Fluchtungsmessung an großen Maschinen-, Schiffsmotoren, Schienenfahrzeugen, Kraftwerksturbinen, Drucke reimaschinen und zahlreichen anderen Anlagen.

Zum Stand der Technik gehören einfache nichtinterferometrische Meßanordnungen, die aus einer Strahlungsquelle, vorwiegend einem Gaslaser oder Diodenlaser, einem Kollimator und einem mit einem mechanischen Antastelement gekoppelten positions empfindlichen Detektor (z. B. Vollflächendiode, Quadrantenempfänger), im folgenden PSD genannt, bestehen. Wird mit dem Antastelement ein Meßobjekt angetastet, des sen Geradheits- oder Lageabweichung bezüglich eines als gerade angenommenen Lichtstrahls (Geradheitsnormal) bestimmt werden soll, so ergibt sich der Meßwert direkt und absolut für die beiden senkrecht zur Strahlrichtung Z liegenden Koordinaten X und Y an den Ausgängen der Meßelektronik des PSD als wegproportionales Spannungs signal.

Die Vorteile dieses Grundaufbaus und Meßverfahrens sind:

1. Direktes und absolutes Längenmeßverfahren, kein indirektes Winkelmeßverfahren.
2. Messung an diskontinuierlichen Meßobjekten möglich, da Lichtstrahl bzw. Meßab lauf im Gegensatz zu interferometrischen Winkelmeßverfahren unterbrochen werden kann.
3. Synchrone Messung in Horizontal- und in Vertikalrichtung X bzw. Y.
4. Hohe Empfindlichkeit und Linearität der PSD (z. B. Duolateral-Vollflächendiode), Nichtlinearitäten können als systematische Meßabweichungen kalibriert und korri giert werden.
5. Einfacher Aufbau der Meßanordnung.

Demgegenüber besitzt die Meßanordnung bzw. das -verfahren den Nachteil, daß i. allg. der als Geradheitsnormal benutzte Laserstrahl nicht in ausreichendem Maße zeitlich und räumlich stabil ist, d. h. er unterliegt Schwankungen und ist nicht ideal ge rade, sondern gekrümmt. Die Ursachen hierfür sind:

1. Thermische bzw. mechanische Instabilitäten am Resonator des Laserkopfes oder an anderen Strahlungsquellen, die Lage- und Richtungsschwankungen des ausgesand ten Lichtstrahls hervorrufen.
2. Veränderungen des Strahlprofils in Ausbreitungsrichtung des kollimierten Licht strahls, d. h. die jeweiligen mittels des PSD in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls bestimmten optoelektronischen Strahlschwerpunkte liegen bei einer idealen geradli nigen Verschiebung nicht auf einer Geraden, sondern auf einer gekrümmten Bahn, was besonders bei Diodenlasern der Fall ist, da hier die Kollimierung des elliptischen Strahlprofils mit zunehmender Strahllänge schneller an ihre physikalisch-technischen Grenzen stößt als dies beim Gaußprofil eines Gaslasers der Fall ist.
3. Refraktionseinflüsse auf den Fluchtungsstrahl beeinflussen zusätzlich mit zu nehmen der Strahllänge in hohem Maße seine Stabilität und Geradlinigkeit. Es gibt hierbei zwei Grenzfälle, die i. allg. nicht separat, sondern überlagert auftreten:
- - das zeitlich konstante, räumlich inhomogene oder sich zeitlich sehr langsam än dernde Brechzahlfeld, welches zusätzlich zu Punkt 2 Krümmungen bzw. sehr langsames Driften des Fluchtungsstrahls hervorruft,
- - das zeitlich sich relativ schnell ändernde Brechzahlfeld infolge von Turbulenzen, welches entsprechende räumliche Schwankungen des Fluchtungsstrahls bewirkt.

Alle unter Punkt 1 bis 3 genannten Effekte überlagern sich i. allg. und können sehr nachteilig das eingangs geschilderte an und für sich hochgenaue Meßverfahren beein flussen oder stellen es überhaupt in Frage, wenn höhere Meßgenauigkeiten gefordert werden.

Zum Stand der Technik gehören auch Strahlschutzrohre, mit denen diese in Punkt 3 angeführten störenden Refraktionseinflüsse auf den Fluchtungsstrahl wesentlich ver kleinert werden können [1], [2]. Dies ist dadurch möglich, daß die Rohre aus solchem Material (z. B. Aluminium) beschaffen und so dimensioniert sind, daß sie hohe thermi sche Leitwerte besitzen. Durch den dadurch einsetzenden thermischen Kurzschluß in der Rohrwandung gelingt es, daß außerhalb der Rohre existierende Gradienten der Lufttemperatur bzw. der Brechzahl der Luft im Inneren der Rohre so klein werden, daß sie kaum noch Krümmungen und räumliche Schwankungen des Fluchtungsstrahls be wirken können und dadurch eine wesentlich genauere Fluchtungsmessung möglich wird.

Es gab auch Bestrebungen, die Nachteile gemäß Punkt 2 zu beseitigen. Entspre chende Kollimatoren, d. h. Teleskopsysteme, mit denen ein Fluchtungsstrahl mit gerin ger Divergenz und symmetrischen Strahlprofilen im gesamten Arbeitsbereich erzeugt werden kann, sind ebenfalls Stand der Technik. Dabei werden auch sogenannte Raum filterblenden erfolgreich eingesetzt. Wegen ihrer elliptischen Profile von durch Dioden laser erzeugten Laserstrahlen werden bereits auch Kollimatoren benutzt, die in Hori zontal- und Vertikalrichtung unterschiedliche Brechkräfte aufweisen. Diese Maßnahme stößt aber mit zunehmendem Arbeitsbereich schnell an ihre physikalisch-technischen Grenzen.

Zum Stand der Technik gehören schließlich auch Beleuchtungssysteme, bei denen zwischen Strahlungsquelle und Kollimator eine polarisationserhaltende Singlemode- Lichtleitfaser (PM-Faser) mit entsprechender Einkoppeloptik eingesetzt ist. Das Ende dieser Faser stellt dann eine für die Kollimierung vorteilhafte quasi punktförmige Licht quelle dar.

Zur Beseitigung des ersten Nachteils gemäß Punkt 1 wurden lage- und richtungssta bile Fluchtungslaser entwickelt, die ein konisches Laserrohr besitzen [3], sich aber in der Praxis nicht durchsetzen konnten.

Ein anderer praktizierter Lösungsweg war, die Laserspiegel in einem Zerodurblock zu befestigen, um auf diese Weise bei wechselnden Temperatureinflüssen die Bewe gungen dieser Spiegel auf ein Minimum zu reduzieren und dadurch eine Beruhigung des austretenden Fluchtungsstrahls zu erreichen [4], [5]. Letzterer Lösungsweg brachte zwar deutlich höhere räumliche Stabilitäten des ausgesandten Fluchtungsstrahls, wur de aber in der Industriepraxis kaum angewandt.

In den folgenden beschriebenen bekannten Lösungsvorschlägen werden kommer zielle und preiswerte Gas- und Diodenlaser benutzt, deren Lage- und Richtungs schwankungen mittels eines oder zweier Referenz-PSD meßtechnisch erfaßt und das Meßergebnis der Fluchtung rechnerisch korrigiert wird [4]-[7]. Der Referenzstrahl bzw. die beiden Referenzstrahlen werden durch entsprechende physikalische Strahlteiler vom eigentlichen Fluchtungs-Meßstrahl abgetrennt. Auch diese Lösungswege konnten sich aber in der Praxis nicht durchsetzen, weil durch die Benutzung unterschiedlicher Strahlkorridore für Meß- und Referenzstrahl und damit unterschiedlicher Refraktions einflüsse sowie Drifterscheinungen und ungleicher Kennlinienfelder der benutzten zwei oder drei PSD die Korrektionen unsicher werden und zu neuen Meßabweichungen füh ren können.

Bei allen im folgenden dargestellten Entwicklungen zum Stand der Technik werden ebenso kommerzielle und preiswerte Strahlungsquellen eingesetzt. Sie haben aber im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Lösungswegen das Ziel, die von diesen Quel len verursachten räumlichen Schwankungen der Fluchtungsstrahlen mit Hilfe eines op tischen Symmetrierelements zu kompensieren.

In den Erfindungsbeschreibungen [8] und [9] ist das Symmetrierelement ein Kösters- Prisma. Bei der physikalischen Strahlteilung an diesem Prisma erfährt der eine Teil strahl ein Reflexion mehr als der andere, so daß sich die beiden nahezu parallel ge führten Teilstrahlen zueinander im gleichem Maße gegenläufig bewegen wie der den Laserkopf verlassende Eingangsstrahl seine Lage und Richtung ändert. Die Positionen der beiden parallel zueinander verlaufenden Teilstrahlen werden jeweils mit einem PSD detektiert, deren Ausgangssignale in geeigneter Weise elektronisch miteinander verknüpft sind. Das durch diese Verknüpfung entstehende elektrische Signal ändert sich dadurch prinzipiell nicht, wenn das Symmetrierelement und der Empfängerblock in Ruhestellung verbleiben. Geradheitsnormal ist jetzt nicht mehr ein einzelner i. allg. schwankender Strahl, sondern die räumlich stabilere Symmetrielinie zwischen den bei den sich gegenläufig bewegenden Teilstrahlen.

Ein Vorteil der Anordnung ist, daß der Kompensationsvorgang der räumlichen Schwankungen des Fluchtungsstrahls direkt auf elektronischem Weg erfolgt. Nachteilig sind aber die Eigenschaften, daß die beiden Teilstrahlen im gesamten Arbeitsbereich unterschiedlichen Refraktionseinflüssen unterliegen und daß beide PSD i. allg. unter schiedliches Driftverhalten aufweisen, was zu Meßabweichungen der Fluchtungsmes sung führt. Ein weiterer großer Nachteil dieser Anordnung ist, daß es nicht möglich ist, gleichzeitig in zwei Koordinaten, sondern in diesen nur nacheinander messen zu kön nen, wobei jeweils ein zusätzlicher zeitaufwendiger Umrüstvorgang in Kauf genommen werden muß.

Die Patentschrift [10] führte zur Herstellung eines kommerziellen Meßgerätes mit dem zusätzlichen Vorteil, daß es ein für den Praktiker sehr nützliches kabelfreies An tastelement besitzt [11]. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, daß aufgrund der geometrischen Strahlteilung am Antastelement zwischen diesem und dem am Ende der Meßstrecke fest angeordneten Empfängerblock Refraktionseinflüsse praktisch keine Meßabweichungen der Fluchtungsmessung hervorrufen können. Ansonsten besitzt aber das genannte Meßgerät die gleichen nachteiligen Eigenschaften wie die beiden genannten Erfindungsbeschreibungen [8] und [9].

Der letztgenannte Nachteil, nur in einer Koordinate gleichzeitig messen zu können, wird mit einer in [12] beschriebenen Meßanordnung beseitigt. Doch auch dieses zwei dimensionale Symmetrierelement ist noch mit den übrigen Nachteilen der bereits be schriebenen eindimensionalen Meßanordnungen behaftet, d. h. vor allem Führung der beiden Teilstrahlen in separaten Strahlkorridoren und Benutzung zweier PSD.

Zielstellung aller weiteren im folgenden beschriebenen Entwicklungen war es, ein zweidimensionales Symmetrierelement aufzubauen, bei dem die verbliebenen Nachtei le ebenfalls beseitigt werden. Dies ist nur möglich, wenn die beiden Teilstrahlen in ei nem Strahlkorridor geführt, d. h. geometrisch optisch quasi übereinanderliegen und nur noch mit einem PSD lokalisiert werden. Eine notwendige Bedingung hierbei ist, daß die beiden Teilstrahlen solche optischen Eigenschaften aufweisen müssen, daß sie nicht miteinander interferieren können, d. h. die zu Meßabweichungen führenden Störinter ferenzen vermieden werden.

In [13] wurde versucht, die o.g. Forderungen zu realisieren. Das Symmetrierelement besitzt eingangsseitig einen Intensitäts-Strahlteilerwürfel. Der eine erzeugte Teilstrahl läuft durch ein Bildumkehrprisma. Dieses Porro-Prisma zweiter Art bewirkt, daß sich die beiden Teilstrahlen in gleichem Maße gegenläufig zueinander bewegen wie der den Laserkopf verlassende und in das Symmetrierelement eintretende Strahl seine Lage und Richtung ändert und zwar in X- und Y-Richtung. Der zweite Teilstrahl wird mittels eines Polarisationsrotators so in seiner Polarisationsebene gedreht, daß die beiden Teilstrahlen nach ihrer Vereinigung an einem polarisierenden Strahlteilerwürfel ortho gonal zueinander linear polarisiert sind, gleiche Leistungen aufweisen und gemeinsam auf einen PSD fallen. Mit letzterem kann direkt die Position des resultierenden opti schen Schwerpunktes der beiden komplementären Teilstrahlen in bekannter Weise be stimmt werden, was einen großen Vorteil bedeutet.

Ein Nachteil der Anordnung ist aber, daß der vorher eingestellte Leistungsabgleich der Teilstrahlen aufgehoben wird und zur Verschiebung der Referenzgeraden führt, wenn sich die Polarisationsrichtung des vom Laser ausgehenden Eingangsstrahls gegenüber dem Ausgangsjustierzustand ändert. Weitere Nachteile dieses Aufbaus sind der in dem einem Teilstrahlengang befindliche Polarisator mit einem endlichen Polarisationsgrad sowie das dadurch bedingte Auftreten von interferenzfähigen Strahl komponenten und überhaupt der asymmetrische Aufbau des Symmetrierelements mit den unterschiedlichen Glaswegen in seinen beiden optischen Kanälen. Alle diese Nachteile bewirken Meßabweichungen bei der Fluchtungsmessung.

Mit [14] werden eine Reihe der beschriebenen Nachteile des optischen Prinzips der zuletzt beschriebenen Anordnung und bereits vorhandenen Vorteile beibehalten. Das diesbezügliche Symmetrierelement besitzt zwei polarisierende Strahlteilerwürfel, wobei der erste die beiden senkrecht zueinander linear polarisierten Teilstrahlen erzeugt und der zweite die quasi geometrische Vereinigung dieser Teilstrahlen herbeiführt. In dem ersten Teilstrahlengang befindet sich ein Bildumkehrsystem (Porro-Prisma zweiter Art). In den beiden Teilstrahlengängen sind planoptische Bauelemente so eingesetzt, daß beide Teilstrahlengänge gleiche optische Längen aufweisen, was ein weiterer Vorteil ist. Alle optischen Elemente sind fest miteinander verkittet.

Der Leistungsabgleich der beiden Teilstrahlen erfolgt durch eine um die Strahlachse drehbare Polarisationsfolie, mit der die Polarisationsrichtung der Strahlung vor dem Eintritt in das eigentliche Symmetrierelement auf 45° eingestellt wird. Am Ausgang des Symmetrierelements treten dann zwei quasi geometrisch übereinanderliegende Teil strahlen aus, die sich analog zu [13] wiederum in gleichem Maße zweidimensional ge genläufig zueinander bewegen wie sich der in das Symmetrierelement eintretende Strahl räumlich verändert. Ihre Polarisationsrichtungen liegen je nach Polarisationsgrad der Schicht des Strahlteilerwürfels mehr oder weniger exakt orthogonal zueinander. Bei Benutzung von kohärentem Licht ist aber diese Orthogonalität die Voraussetzung dafür, daß keine störenden Interferenzen zwischen den beiden Teilstrahlen entstehen können. In der Praxis besitzt auch ein hochwertiger polarisierender Strahlteilerwürfel einen endlichen Polarisationsgrad und damit ein Übersprechen der Polarisationsrich tungen in den jeweils anderen "verbotenen" Kanal. Auf diese Weise können also Stör interferenzen mit zwar geringem Kontrast entstehen, die aber auf dem PSD bereits zu unkontrollierbaren Verschiebungen der Schwerpunkte der Intensitätsverteilung und da mit zu Meßabweichungen führen können. Diese ungünstige Eigenschaft und weitere bisher nicht betrachtete Nachteile der Anordnung sind nachfolgend zusammengefaßt:

- Es treten Störinterferenzen und damit Meßabweichungen durch endliche Polarisa tionsgrade der beiden benutzten polarisierenden Strahlteilerwürfel auf.
- Die vor dem Symmetrierelement angeordnete Polarisationsfolie absorbiert zu viel Energie des Eingangsstrahls.
- Im Symmetrierelement fehlt eine Blende, welche es gestattet, für den Leistungsab gleich der beiden Teilstrahlen den einen oder anderen Strahl abzudecken und bei der eigentlichen Messung beide Teilstrahlen freizugeben.
- Ein- und Ausgangsstrahl fluchten nicht zueinander, wobei die Flucht der beiden Strahlen keine notwendige Bedingung ist, aber die Justierung der Anordnung er leichtert.
- Für das Symmetrierelement fehlt ein Gehäuse aus gut wärmeleitendem Material mit einem kräftefreien Übergang für die Strahlschutzrohre.
- Es fehlen geeignete Mittel, um die Teilstrahlen zueinander justieren zu können.

Aufgabe und Ziel der nachfolgend beschriebenen Erfindung ist es, ein neues ver bessertes zweidimensionales optisches Symmetrierelement zu schaffen, welches die Nachteile der bisher beschriebenen Ideen bzw. Lösungswege beseitigt und deren Vor teile beibehält. Zusätzlich sollen diese erfindungsgemäßen Symmetrierelemente mit an und für sich bekannten sowie erfindungsgemäßen Anordnungen bzw. Verfahren kombi niert bzw. ergänzt werden, um auf diese Weise, eine wesentlich höhere Präzision bei der Laserfluchtung zu erreichen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß das neue Symmetrierelement wie in [14] zwei physikalische Strahlteiler besitzt, wobei der erste die beiden Teilstrahlen er zeugt und der zweite die quasi geometrische Vereinigung dieser Teilstrahlen herbei führt. In dem ersten Teilstrahlengang befindet sich in bekannter Weise wiederum ein Bildumkehrsystem (z. B. Porro-Prisma zweiter Art), welches bewirkt, daß sich die beiden Teilstrahlen wie in den oben beschriebenen Anordnungen in gleichem Maße ge genläufig zueinander bewegen wie der in das Symmetrierelement eintretende Strahl seine Lage und Richtung ändert und zwar in den beiden zur Ausbreitungsrichtung Z der Strahlung senkrechten Richtungen X und Y.

Die optischen Bauelemente sind so angeordnet, daß beide Teilstrahlengänge eben falls nahezu gleiche optische Längen aufweisen. Die einzelnen optischen Bauelemente sind aber zum Teil gegenüber dem oben zitierten Patent vom Typ her verändert, wie weiter unten gezeigt wird.

Am Ausgang des Symmetrierelements treten also wieder zwei quasi geometrisch übereinanderliegende zueinander gegenläufige Teilstrahlen aus, die solche optischen Eigenschaften haben müssen, daß sie nicht miteinander interferieren können. Dies ist erfindungsgemäß im Gegensatz zur bekannten Lösung mittels zweier Varianten vorge sehen, die vor allem ein und demselben Ziel dienen sollen:
Minimierung oder im günstigsten Fall Verhinderung von Störinterferenzen nach der Überlagerung der beiden Teilstrahlen, um Schwerpunktverschiebungen des Strahl profils des Fluchtungsstrahls infolge dieser Interferenzen zu verhindern.

Bei Variante 1 werden zunächst, wie in [14] beschrieben, zwei polarisierende Strahl teilerwürfel mit ihren technisch bedingten endlichen Polarisationsgraden eingesetzt. Das damit verbundene Übersprechen der beiden Polarisationsrichtungen in den jeweils anderen "verbotenen" Kanal und Entstehen von Störinterferenzen wird erfindungsge mäß dadurch wesentlich minimiert, daß die Polarisationsgrade in den beiden Kanälen durch optische Maßnahmen erhöht werden. Dies bedeutet, daß die im o.g. Patent [14] eingesetzten einfachen Glaswürfel zur Erzielung nahezu gleicher Glaswege erfin dungsgemäß durch zwei weitere in geeigneter Weise angeordnete polarisierende Strahlteilerwürfel ersetzt werden (siehe Fig. 3b). Mit diesen wird im Zusammenspiel mit dem bereits vorhandenen polarisierenden Strahlteilerwürfel zur Vereinigung der Teil strahlen erreicht, daß der resultierende Polarisationsgrad, welcher sich jeweils in den beiden Kanälen aus der Hintereinanderschaltung zweier polarisierender Strahlteiler würfel ergibt, deutlich erhöht wird. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird ein wesentlich kleineres Übersprechen der jeweiligen Polarisationsrichtung in den anderen Kanal, damit ein deutlich geringerer Kontrast der Störinterferenzen und diesbezügliche vernachlässigbare Meßabweichungen bei der Fluchtungsmessung erreicht.

Bei der erfindungsgemäßen Variante 2 wird kein kohärentes, sondern quasi inkohä rentes Licht, z. B. Weißlicht benutzt. Letzteres ist nur interferenzfähig, wenn der Gang unterschied zwischen beiden Teilstrahlen nahezu Null ist. Die optischen Wege der bei den Teilstrahlen, die aus meßtechnischen Gründen an und für sich gleich sein sollen, müssen aber jetzt eine sehr kleine Differenz aufweisen, die größer als die Kohärenz länge des Weißlichtes sein muß (z. B. einige 10 µm), so daß mit Sicherheit keine Weiß lichtinterferenzen bei Überlagerung der beiden Teilstrahlen entstehen können. Bei Va riante 2 ist es also nicht mehr nötig, vier polarisierende Strahlteilerwürfel im eigentlichen Symmetrierelement zu benutzen. Es genügen hierbei bereits zwei preiswertere Intensitäts-Strahlteilerwürfel, die wie bisher jeweils am Eingang und am Ausgang des Symmetrierelements angeordnet sind. An Stelle der beiden anderen polarisierenden Strahlteilerwürfel werden wieder wie in [14] zwei einfache Glaswürfel eingesetzt. Wenn die Intensitäts-Strahlteilerwürfel jeweils ein Teilungsverhältnis von 1 : 1 aufweisen, kann auf den im folgenden beschriebenen Leistungsabgleich und damit auf den Polarisator vor dem eigentlichen Symmetrierelement verzichtet werden.

Der vorwiegend in Variante 1 erforderliche Leistungsabgleich der beiden Teilstrah len, erfolgt wie in [14] durch einen um die Strahlachse drehbaren Polarisator, mit dem die Polarisationsrichtung der Strahlung vor dem Eintritt in das eigentliche Symmetrier element auf 45° eingestellt wird. Kriterium für diese Einstellung ist die Gleichheit der Leistungen der beiden Teilstrahlen. Im Gegensatz zur genannten Patentschrift, wird aber als Polarisator nicht vorwiegend eine Polarisationsfolie, sondern vorzugsweise ein polarisierender Strahlteilerwürfel oder eine polarisationserhaltende Singlemode-Faser eingesetzt, da diese Bauelemente eine wesentlich höhere Durchlässigkeit des Lichtes aufweisen. Das ist nicht nur von Vorteil, wenn die Leistung der Strahlung gering ist.

Zum Leistungsabgleich der beiden Kanäle des Symmetrierelements mit dem ge nannten drehbaren Polarisator ist erfindungsgemäß gegenüber dem o.g. Patent eine mechanische Blende vorgesehen, die es ermöglicht, jeden der beiden Teilstrahlen ein zeln oder diese gemeinsam auf den PSD gelangen zu lassen, was ein weiterer Vorteil der Erfindung ist. Dies bedeutet aber, daß im Symmetrierelement erfindungsgemäß in geeigneter Weise in jeden der beiden Teilstrahlen ein entsprechender Luftspalt zum Einbringen der Blende vorgesehen ist. Das macht es erforderlich, daß das eigentlich kompakt aufzubauende Symmetrierelement vorzugsweise aus zwei Baugruppen be steht.

Bei der Messung gelangen also die beiden quasi geometrisch optisch übereinander liegenden Teilstrahlen, die die gleiche Leistung aufweisen und nicht miteinander inter ferieren dürfen, gemeinsam auf die Frontfläche des PSD. Mit letzterem kann direkt die Position des resultierenden optischen Schwerpunktes der beiden komplementären Teil strahlen in bekannter Weise bestimmt werden, was von großem Vorteil ist.

Eine weiteres Merkmal gegenüber der alten Anordnung ist, daß bei Bedarf ein opti sches Element, vorwiegend ein Rhomboidprisma, erfindungsgemäß so an den Aus gang des Symmetrierelements gesetzt werden kann, daß der in das Symmetrierele ment eintretende Strahl mit der Symmetrielinie des austretenden Paares der Teilstrah len fluchtet und nicht parallel versetzt ist. Diese zweckmäßige aber nicht notwendige Maßnahme ermöglicht einen einfacheren Justiervorgang der gesamten Meßanordnung, was einen weiteren Vorteil bedeutet.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal ist, daß das gesamte optische Symme trierelement auf oder an einer stabilen Grundplatte befestigt ist.

Weiterhin ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Symmetrierelement vorzugsweise die vier im folgenden angeführten Justierfreiheitsgrade mit entsprechen den Klemmungen aufweisen sollte: Verschiebungen in X- und Y- Richtung sowie Ver drehungen um die X- und Y-Achse (Achsenbezeichnungen gemäß Fig. 1).

Zusätzlich ist erfindungsgemäß i. allg. vorgesehen, daß das Symmetrierelement mit einem gut wärmeleitenden Material, z. B. Aluminium so abgeschirmt ist, daß in der Wandung rund um die Strahlachse ein thermischer Kurzschluß auftritt, der im Inneren kleinste Temperaturgradienten sowie hohe thermische und damit mechanische Stabili tät des Symmetrierelements gewährleistet [1], [2].

Eine erfindungsgemäße Maßnahme ist auch, Möglichkeiten am Ausgang des Sym metrierelements zu schaffen, damit eine lückenlose Abschirmung des Fluchtungs strahls z. B. durch ineinanderragende Rohrenden unterschiedlichen Durchmessers oder aneinandergelegte Rohrflansche gleichen Durchmessers realisiert wird, ohne daß me chanische Kräfte oder Momente auf das empfindliche Symmetrierelement einwirken können. Eine solche Maßnahme sollte auch vor dem Eingang des Symmetrierelements vorgesehen werden, obwohl sie prinzipiell wegen des auftretenden Kompensationsef fektes durch das Symmetrierelement nicht zwingend notwendig ist, aber von vornherein eine starke Beruhigung des Lichtstrahls ermöglicht. Die einzige Ausnahme gilt für den letzten Teil der Fluchtungsmeßstrecke auf der Seite des PSD: hier kann je nach Ge nauigkeitsforderung auf die Abschirmung eines mehr oder weniger großen Teilstückes durch Schutzrohre verzichtet werden.

Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme ist, daß bei Bedarf vor das Symmetrier element ein an und für sich bekanntes Beleuchtungssystem mit Singlemode-Lichtleit faser eingesetzt werden kann. Auf diese Weise erhält man eine für die Kollimierung des Lichtes günstige nahezu punktförmige Lichtquelle und ein symmetrisches Strahlprofil, im Falle der Beleuchtung mit einem Laser ein Gaußprofil.

Auch die Luftspalte zwischen Laserkopf und Einkoppeloptik sowie Auskoppeloptik und Symmetrierelement - zu letzteren gehört gegebenenfalls auch der benutzte ein stellbare Polarisationsrotator - können erfindungsgemäß durch entsprechende Ab schirmungen, wie bereits oben beschrieben, geschlossen werden. Diese stellen aber ebenfalls keine notwendige Bedingung dar, führen jedoch von vornherein zu einer Er höhung der Präzision der Fluchtungsmessung.

Eine Fluchtungsmessung mit einem PSD wird i. allg. in bekannter Weise nach der Absolutmethode durchgeführt. Das bedeutet, daß zur Erzielung kleiner Meßunsicher heiten ein PSD eingesetzt werden muß, welcher hinsichtlich seiner Empfindlichkeit und Linearität, zumindest hinsichtlich der Stabilität dieser Parameter, gute Eigenschaften aufweisen sollte. Eine Kalibrierung der zweidimensionalen Kennlinienfelder des PSD ist hierzu für spätere durchzuführende Korrektionen der systematischen Meßabwei chungen erforderlich und zwar auch in Abhängigkeit von der Position Z zwischen Strahlungsquelle und dem PSD, was einen Nachteil darstellt. Bei diesen relativ um fangreichen Kalibrierungen müssen natürlich die beiden quasi übereinanderliegenden Original-Teilstrahlen bei der jeweiligen Position Z benutzt werden. Ein weiterer Nachteil dieser Absolutmethode ist, daß man über längere Zeiträume nicht sicher sein kann, ob der Kalibrierzustand noch erhalten ist oder eine neue Kalibrierung erfordert.

Meßtechnisch einfacher und sicherer ist die erfindungsgemäß im Zusammenhang mit dem neuen Symmetrierelement durchgeführte Nullmethode, bei welcher der PSD auf einem zur Strahlrichtung senkrecht angeordneten X-Y-Tisch sitzt, dessen Meßhübe längenmeßtechnisch, z. B. mit zwei elektronischen Feintastern, erfaßt werden können.

Die Fluchtungsmessung erfolgt so, daß der jeweilige Meßpunkt des Meßobjektes mechanisch angetastet wird und danach jeweils die elektrische Null des PSD vorzugs weise mittels eines Servosystems angefahren wird. Nach Erreichen der elektrischen Null werden jeweils die beiden Meßwerte der Feintaster registriert. Auf diese Weise kann eine Fluchtungsmessung über direkte Längenmessungen herbeigeführt werden, bei welcher die o.g. Kriterien bzw. Eigenschaften des PSD eine untergeordnete Rolle spielen. Da in diesem Fall der PSD nur noch als Nulldetektor eingesetzt ist, kann ein preiswerterer Typ ausgewählt werden. Der bei der Nullmethode scheinbar höhere Auf wand im Zusammenhang mit dem benötigten X-Y-Tisch mit Stellmotoren und zwei Län genmeßmitteln, z. B. Feintastern, muß für Präzisionsmessungen nach der Absolut methode für die erforderlichen Kalibrierungen ohnehin getrieben werden, so daß die Vorteile der Nullmethode überwiegen.

Das Fluchtungsmeßverfahren wird erfindungsgemäß so durchgeführt, daß vor der eigentlichen Fluchtungsmessung die Segmente des Schutzrohres lückenlos zwischen Symmetrierelement und PSD ausgelegt werden. Dabei kommt es darauf an, daß das erste Rohrsegment unmittelbar in der bereits beschriebenen Weise (d. h. ohne mecha nischen Kontakt) in der Nähe des Symmetrierelements angeordnet wird und die anderen Segmente so aufgebaut werden, daß ihre Verbindungsstellen frei von äußeren Luft spalten sind. Einzige Ausnahme ist der Weg zwischen letztem Segment und dem PSD, welcher, wie bereits beschrieben, in einem bestimmten Bereich nicht abgeschirmt sein muß, da die Auswirkungen der Einflüsse der Luftrefraktion am Ende des Fluchtungs strahls, wesentlich geringer sind als am Anfang des Strahls.

Die Wirkung der Schutzrohre im Zusammenhang mit dem thermischen Kurzschluß wurde bereits bei der Analyse des Standes der Technik beschrieben und trägt ent scheidend zur Präzision einer Fluchtungsmessung bei, wenn erfindungsgemäß die Messung im größten Arbeitsbereich begonnen und die Rohrsegmente dann von dort aus schrittweise immer nur jeweils so weit abgebaut werden, daß die nächste Meßstelle am Meßobjekt angetastet werden kann.

Weitere Merkmale der Erfindung werden in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit den Figuren Fig. 1 bis 4 erläutert:

Fig. 1 Schema der gesamten Meßanordnung zur Fluchtungsmessung mit Strahlungs quelle, Kollimator, Symmetrierelement, positionsempfindlichem Detektor (PSD), Meßelektronik und Strahlschutzrohren als Beispiel mit Fig. 2a kombiniert (auch Kombinationen mit jeweils einer der Fig. 2b-g sind möglich),

Fig. 2 Varianten der Baugruppen vor dem Symmetrierelement in Fig. 1

a) mit Strahlungsquelle, Kollimator, mechanischem Drehelement und polarisieren dem Strahlteilerwürfel,
b) wie a), jedoch mit einem weiteren mechanischen Drehelement und damit ge koppeltem Polarisator (letzterer nicht dargestellt),
c) mit Weißlichtquelle und Kollimator, ohne weitere polarisationsoptische Bauele mente,
d) mit Strahlungsquelle, polarisationserhaltender Singlemode-Faser (PM-Faser) und daran gekoppeltem Kollimator mit mechanischem Drehelement,
e) mit Strahlungsquelle, einer PM-Faser, daran gekoppeltem Kollimator und einem zusätzlichen polarisierenden Strahlteilerwürfel mit mechanischem Drehelement,
f) wie e), jedoch mit zusätzlichem mechanischem Drehelement für die PM-Faser,
g) mit Weißlichtquelle, Faser und daran gekoppeltem Kollimator ohne weitere po larisationsoptische Bauelemente,

Fig. 3 Varianten für optische zweidimensionale Symmetrierelemente (Blenden nicht dargestellt)

a) Symmetrierelement für kohärente Strahlung mit zwei polarisierenden Strahltei lerwürfeln, davor ein weiterer polarisierender Strahlteilerwürfel zum Leistungs abgleich,
b) Symmetrierelement für kohärente Strahlung mit vier polarisierenden Strahltei lerwürfeln, davor ein weiterer polarisierender Strahlteilerwürfel zum Leistungs abgleich,
c) Symmetrierelement für Weißlicht mit zwei physikalischen Strahlteilerwürfeln, davor ein polarisierender Strahlteilerwürfel zum Leistungsabgleich,
d) Symmetrierelement für Weißlicht mit zwei Intensitäts-Strahlteilerwürfeln (1 : 1) ohne Leistungsabgleich,

Fig. 4 Symmetrierelement nach Fig. 3b mit Blende und Grundplatte, als Beispiel für andere Symmetrierelemente in Draufsicht, Seitenansicht und Schnitten.

Fig. 1 zeigt als Schema die gesamte Meßanordnung zur Fluchtungsmessung mit Strahlungsquelle 15, Kollimator 16, positionsempfindlichem Detektor (PSD) 17, Meß elektronik 18 mit Verstärkern, ADC(s) - gegebenenfalls mit Multiplexer - und PC, mecha nischem Antastelement 19, Meßobjekt 20, hier mit unterbrochenen Meßflächen, Basis platte 21, Justierelemente 22 für Strahlungsquelle 15 und Symmetrierelement 23, me chanischem Drehelement 24 für den polarisierenden Strahlteilerwürfel 2, Strahlschutz rohren 25 und Strahlschutzhülsen 26. Aus dem kollimierten Strahl 1 werden durch das Symmetrierelement zwei quasi übereinanderliegende Teilstrahlen 1''' erzeugt (in Fig. 1 Ablage der beiden Teilstrahlen 1''' zueinander stark übertrieben dargestellt). Diese dürfen nicht miteinander interferieren, da auf den PSD gelangende Störinterferenzen Meßabweichungen der Fluchtungsmessung bewirken. Die Maßnahmen zur Minimie rung bzw. Unterdrückung möglicher Störinterferenzen werden weiter unten beschrie ben.

Das Symmetrierelement bewirkt, daß die beiden quasi übereinanderliegenden Teil strahlen 1''' sich entsprechend der Lage- und Richtungsschwankungen des kollimierten Eingangsstrahls 1 gegenläufig zueinander bewegen. Außerdem sind in den beiden Teilstrahlen mögliche Profilverschiebungen, die sich auch in Abhängigkeit der Z-Posi tion ändern, ebenfalls spiegelbildlich zueinander. Der PSD 17 detektiert die Position der jeweils resultierenden Intensitätsverteilung der beiden Teilstrahlen, die sich bei feststehendem PSD aufgrund der komplementären Teilstrahlen nicht ändert, wenn bei dieser Betrachtung die Schwankungen infolge Refraktionseinflüssen als hinreichend klein angenommen werden. Letztere Annahme ist bei Benutzung von Strahlschutz rohren aus gut wärmeleitendem Material zutreffend. Durch das Symmetrierelement und den PSD wird also bewirkt, daß alle geometrischen Schwankungen und Profilverschie bungen, die von der Strahlungsquelle und vom Kollimator herrühren, weitgehend kom pensiert werden. Auch Refraktionseinflüsse, allerdings nur jene, die vor dem Symme trierelement einwirken, werden durch die Anordnung eliminiert.

Die Symmetrielinie des Strahlenpaares 1.1''' bzw. die Verbindungslinie der Schwer punkte der jeweiligen mit dem PSD gemessenen resultierenden Intensitätsverteilung stellen das eigentliche Geradheitsnormal dar.

Die Justierung der Strahlungsquelle erfolgt zunächst ohne Symmetrierelement und Strahlteilerwürfel 2 mit dem Justiertisch 22 so lange bis Strahl 1 in den beiden Extrem lagen der Z-Richtung auf den PSD 17 fällt und zwar so, daß der Strahl in keiner Z-Po sition den Rand der lichtempfindlichen Schicht des Empfängers berührt. Dann wird der Strahlteilerwürfel 2 und das komplette Symmetrierelement 23 in den Strahlengang ge bracht. Der eine Teilstrahl, der nicht durch das Umkehrsystem läuft, wird durch das Symmetrierelement quasi nicht beeinflußt, d. h. er gelangt an die gleiche Stelle des PSD wie zuvor der direkte Strahl. Der andere Teilstrahl, wird vor dem weiteren Justier vorgang i. allg. weit entfernt vom ersten Teilstrahl verlaufen und zunächst mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht in ausreichendem Maße auf den Empfänger gelangen. Mittels der Justierelemente 22 des Symmetrierelements kann aber dieser Teilstrahl mit dem anderen quasi zur Deckung gebracht werden. Hierzu ist der PSD bei Bedarf wieder im Wechsel in die Extrem lagen der Z-Richtung zu setzen. Die beiden Teilstrahlen brau chen nur so weit koinzidieren, daß mit Sicherheit für alle Z-Positionen niemals der Rand der lichtempfindlichen Schicht des PSD durch die Lichtbündel berührt wird. Für höchste Genauigkeitsanforderungen sollten aber die beiden Teilstrahlen möglichst im mittleren Bereich dieser Schicht des PSD auftreffen.

Der Polarisator vor dem Symmetrierelement, hier der polarisierende Strahlteilerwür fel 2, kann mit Hilfe des Drehelements 24 im Zusammenspiel mit dem Symmetrierele ment nach den Fig. 3a-c axial bei etwa 45° so lange eingestellt werden, bis die beiden das Symmetrierelement passierenden Teilstrahlen gleiche Leistungen aufweisen.

Nach Abschluß der Justierung erfolgt die Fluchtungsmessung so, daß an der am weitesten von der Strahlungsquelle entfernten Meßstelle des Meßobjekts 20 bei auf gebauten Schutzrohren begonnen wird, d. h. dort das Antastelement 19 mit dem PSD 17 und der zugehörigen Meßelektronik 18 aufgesetzt und die erste Messung durchgeführt wird. Es folgen die weiteren Messungen an den nächsten noch frei zu gänglichen Meßpunkten. Dann wird das erste Teilstück des Schutzrohres weggenom men, und es werden die nunmehr freigewordenen Meßpunkte angetastet. Dieser Vor gang wird so lange wiederholt bis der letzte Meßpunkt in der Nähe der Strahlungs quelle erreicht ist.

In Fig. 1 sind als Ausführungsbeispiel die Fig. 2a, 3a oder 3b und Fig. 4 enthalten. Weitere Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 ergeben sich in analoger Weise durch Kom bination mit den übrigen gezeichneten Figuren, sind hier aber nicht dargestellt.

Die Fig. 2a-d zeigen einige Varianten der Baugruppen vor dem eigentlichen Sym metrierelement 23, wobei als Beleuchtungssystem jeweils eine Strahlungsquelle 15, z. B. ein Laser oder eine Weißlichtquelle, ein Kollimator 16 ohne oder mit angekoppelter Faser 27 benutzt wird. Das Symmetrierelement kann unterschiedliche Bauformen 23a-d aufweisen, wie später in den Fig. 3a-d gezeigt wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Basisplatte 21 und die Justierelemente 22 werden auch in diesen Ausführungsbeispielen benötigt, sind aber zur Vereinfachung nicht dargestellt.

In Fig. 2a wird ein mechanisches Drehelement 24 benutzt, mit dessen Hilfe der pola risierende Strahlteilerwürfel 2 axial bei etwa 45° so lange verdreht werden kann, bis im Zusammenspiel mit dem ersten polarisierenden Strahlteilerwürfel 3.1 bzw. des Symme trierelements 23a, (b, c) (nach den Fig. 3a-c) die beiden das Symmetrierelement pas sierenden Teilstrahlen 1''' gleiche Leistungen aufweisen.

In Fig. 2b ist zusätzlich zum Aufbau der Fig. 2a ein weiteres mechanisches Drehele ment 24 vorgesehen, mit welchem ein zweiter hier nicht dargestellter Polarisator eben falls axial verdreht und auf diese Weise die ursprüngliche Polarisationsrichtung der Strahlungsquelle nachgeführt werden kann.

In Fig. 2c sendet die Lichtquelle 15 quasi inkohärente Strahlung, vorzugsweise wei ßes Licht aus. Es können dadurch von vornherein hinter dem Symmetrierelement 23d (nach Fig. 3d) keine Störinterferenzen entstehen, weswegen auf eine polarisationsopti sche Trennung der beiden Teilstrahlen 1''' verzichtet werden kann, wie in Fig. 3d ge zeigt wird. Aus diesem Grund braucht das Symmetrierelement nicht mehr mit polarisie renden, sondern kann mit zwei preiswerteren Intensitäts-Teilerwürfeln ausgestattet sein, jedoch nur dann, wenn durch diese ein Teilungsverhältnis von 1 : 1 gewährleistet ist. Deshalb kann in Fig. 2c auf einen Polarisator zwischen Kollimator 16 und dem Symmetrierelement 23d verzichtet werden, da ein Leistungsabgleich nicht mehr erfor derlich ist.

In den Fig. 2d-f befindet sich jeweils zwischen Strahlungsquelle 15 und Kollimator 16 vorzugsweise eine PM-Faser. Auf diese Weise gelingt es, eine für die Kollimierung des Lichtes günstige nahezu punktförmige Lichtquelle zu erzeugen. Außerdem erhält man bereits vor dem Symmetrierelement eine bessere Symmetrie des Strahlprofils und eine höhere räumliche Stabilität des Lichtstrahls. Ein weiterer Vorteil ist, daß die PM-Faser selbst einen Polarisator darstellt und deswegen die Faser zum Leistungsabgleich der beiden Teilstrahlen mit Hilfe des mechanischen Drehelements 24 um ihre Längsachse mit oder ohne Kollimator 16 verdreht werden kann.

In Fig. 2d kann aus dem letztgenannten Grund auf einen drehbaren polarisierenden Strahlteilerwürfel verzichtet werden.

In den Fig. 2e und 2f wird wieder jeweils ein drehbarer polarisierender Strahlteiler würfel 2 benutzt. Während in Fig. 2e nur dieser verdreht werden kann, können in Fig. 2f sowohl dieser als auch die Faser um ihre Längsachse mittels der beiden me chanischen Elemente 24 verdreht werden. Auf diese Weise kann analog zu Fig. 2b sowohl ein Leistungsabgleich erfolgen als auch die ursprüngliche Polarisationsrichtung der Strahlung nachgeführt werden.

In Fig. 2g wird analog zu Fig. 2c eine inkohärente Lichtquelle 15, vorzugsweise eine Weißlichtquelle benutzt. Störinterferenzen können dadurch im Symmetrierelement 23d von vornherein nicht entstehen, wenn der Gangunterschied zwischen den beiden Teil strahlen größer als die Kohärenzlänge ist. Aus diesem Grund ist auch kein Leistungs abgleich durch einen drehbaren Polarisator erforderlich, weswegen hier auf einen sol chen und auf das entsprechende Drehelement verzichtet werden kann. Als Lichtlei ter 27 braucht in der Anordnung keine PM-Faser eingesetzt zu werden.

Die Fig. 3a-d zeigen vier Varianten für optische zweidimensionale Symmetrierele mente 23a-d, wobei weitere Beispiele, z. B. mit Faser entsprechend der Fig. 2d-g, ge zeichnet werden könnten.

In Fig. 3a ist zunächst der optische Grundaufbau nach [14] zu erkennen, der den bisherigen Stand der Technik darstellt. Die Polarisationsfolie am Eingang dieses Sym metrieelements ist erfindungsgemäß durch den verdrehbaren polarisierenden Strahl teilerwürfel 2 ersetzt, was den Vorteil bietet, daß wesentlich weniger Lichtleistung verlorengeht. Das vom Laser ausgehende kohärente Lichtbündel 1.1 gelangt durch diesen Strahlteiler zu dem polarisierenden Strahlteilerwürfel 3.1 und wird in die beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen 1.1' und 1.1.'' aufgespalten. Durch die Orthogonalität der beiden Polarisationsrichtungen soll verhindert werden, daß bei der späteren Vereinigung der Teilstrahlen Interferenzen entstehen, bei deren Auftreten das nichtinterferometrische Fluchtungsmeßverfahren erheblich gestört oder überhaupt nicht möglich wäre.

Die Gleichheit der Leistungen der beiden Teilstrahlen wird dadurch realisiert, daß der polarisierende Strahlteilerwürfel 2 axial auf 45° eingestellt werden kann. Letzterer kann aber auch durch eine um ihre Achse drehbare PM-Faser 27 ersetzt werden, wie bereits in den Fig. 2d-f gezeigt worden ist.

Während der eine Teilstrahl 1.1' durch die Strahlumlenker 4', 4'' und 5 läuft, wird der andere Teilstrahl 1.1'' durch das Umkehrsystem (Porro-Prisma zweiter Art) 9', 9'', 9''' geführt. Durch diese Strahlführung gelingt es, daß die beiden am polarisierenden Strahlteilerwürfel 6.1 quasi vereinigten Teilstrahlen 1.1''' in zwei Dimensionen gegen läufig bzw. ihre Strahlprofile spiegelbildlich zueinander sind (in Fig. 3a mit einem Strahl, in Fig. 1 als Strahlenpaar dargestellt). Dieses Strahlenpaar 1.1''' wird, wie bereits in Fig. 1 beschrieben, zur Fluchtungsmessung benutzt. Deren Symmetrielinie stellt das Geradheitsnormal dar.

Das Strahlenpaar 1.1''' kann mit oder ohne Umlenksystem 10', 10'' aus dem Sym metrierelement ausgekoppelt werden. Dieses Umlenksystem ermöglicht, daß der Ein gangsstrahl 1.1 mit der Symmetrielinie des Ausgangsstrahlenpaares 1.1''' fluchtet, was den Justiervorgang der gesamten Anordnung vereinfacht.

Die im Symmetrierelement angeordneten Glaswürfel 7 und 8 sorgen mit dafür, daß die beiden separat geführten Teilstrahlen bis zu ihrer quasi Vereinigung am polarisie renden Strahlteilerwürfel 6.1 gleiche Weglängen haben, was für die Symmetrie der beiden Teilstrahlen von Bedeutung ist. Anstelle des polarisierenden Strahlteilerwür fels 2 kann aber auch eine um ihre Achse drehbare PM-Faser eingesetzt werden, wie bereits in den Fig. 2d-f gezeigt worden ist.

Das Symmetrierelement in Fig. 3a besitzt gegenüber [14] einige hier nicht zeichne risch dargestellte Verbesserungen. Hierzu gehört die Blende 11 (siehe Fig. 4), die es ermöglicht, daß das Strahlenpaar, der eine oder der andere Teilstrahl auf den PSD ge langen kann. Weiterhin ist erfindungsgemäß eine in vier Freiheitsgraden justierbare Grundplatte (Verschiebung in X- und Y-Richtung, Verdrehung um die X- und Y-Achse) sowie ein Gehäuse aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Aluminium mit kräftefreiem Übergang für Strahlschutzhülsen 26 bzw. -rohre 25 vorgesehen (in Fig. 1 dargestellt).

Ein entscheidender Nachteil der in Fig. 3a eingesetzten polarisierenden Strahlteiler würfel 3.1 und 6.1 ist, daß diese jeweils, auch wenn dafür hochwertige Bauelemente ausgewählt werden, einen endlichen Polarisationsgrad aufweisen und daß das damit verbundene Übersprechen der Polarisationsrichtungen in den jeweils anderen "verbo tenen" Kanal auftritt. Dadurch entstehen zwischen den sich überlagernden Teilstrah len 1''' Störinterferenzen mit nur relativ geringem Kontrast, die aber zu Meßabweichun gen der Fluchtungsmessungen führen können.

In Fig. 3b wird der Polarisationsgrad durch optische Maßnahmen erhöht und dafür gesorgt, daß der Kontrast der Störinterferenzen wesentlich kleiner wird und nur noch vernachlässigbare Meßabweichungen hervorgerufen werden können. Dies geschieht dadurch, daß die in Fig. 3a eingesetzten einfachen Glaswürfel 7 und 8 erfindungsge mäß durch die beiden polarisierenden Strahlteilerwürfel 7.1 und 8.1 ersetzt werden. Mit diesen beiden Bauelementen, die in geeigneter Weise, z. B. gemäß der zeichnerischen Darstellung in Fig. 3b oder um 180° verdreht, angeordnet sind, wird im Zusammenspiel mit dem polarisierenden Strahlteilerwürfel 6.1 erreicht, daß der resultierende Polarisa tionsgrad, welcher sich jeweils in den beiden Kanälen aus der Hintereinanderschaltung zweier polarisierender Strahlteilerwürfel ergibt, deutlich erhöht wird.

In der weiter unten beschriebenen Fig. 4 sind mehrere Ansichten von Fig. 3b dargestellt.

Symmetrierelemente können auch für ein quasi inkohärentes Lichtbündel 1.2, vor zugsweise für ein Weißlichtbündel, wirken, wie die beiden folgenden Fig. 3c und 3d zeigen. Die Benutzung von inkohärentem Licht hat den Vorteil, daß von vornherein kei ne Störinterferenzen nach Überlagerung der Teillichtbündel entstehen können, weswe gen polarisationsoptische Maßnahmen zum Erreichen der Orthogonalität der beiden Teilstrahlen nicht mehr erforderlich sind. Es muß nur für eine entsprechende Dimensio nierung der optischen Bauelemente innerhalb des Symmetrierelements gesorgt wer den, damit die optische Wegdifferenz zwischen den beiden separat geführten Teil strahlen größer als die Kohärenzlänge des Lichtes ist, d. h. für Weißlicht z. B. minde stens einige 10 µm betragen muß.

Das Symmetrierelement in Fig. 3c ähnelt der vorher gezeigten Fig. 3a. Mit dem axial verdrehbaren polarisierenden Strahlteilerwürfel 2 kann im Zusammenhang mit dem po larisierenden Strahlteilerwürfel 3.2 in bekannter Weise ein Leistungsabgleich der bei den Teilstrahlen vorgenommen werden. Als physikalischer Strahlteiler 6.2 kann ein po larisierender, vorzugsweise aber ein preiswerterer Intensitäts-Strahlteilerwürfel einge setzt werden. Um etwa gleiche optische Weglängen für beide Teilstrahlen 1.2' und 1.2'' zu erreichen, genügt es wieder, die einfachen Glaswürfel 7 und 8 zu benutzen, natürlich unter der o.g. Voraussetzung, daß z. B. keine Weißlichtinterferenzen entstehen können.

Den einfachsten Aufbau weist die Fig. 3d auf: hier sind als physikalische Strahltei ler 3.2 und 6.2 keine relativ teuren polarisierenden, sondern preiswerte Intensitäts- Strahlteilerwürfel eingesetzt. Voraussetzung dafür ist aber, daß diese Bauelemente möglichst exakt ein Teilungsverhältnis von 1 : 1 aufweisen. Dann kann auf einen Lei stungsabgleich der beiden Teilstrahlen verzichtet werden, weswegen kein polarisieren der Strahlteilerwürfel 2 und auch keine Blende 11 (siehe Fig. 4) erforderlich sind. Der Polarisationszustand des benutzten Lichtes kann dann beliebig sein.

Fig. 4 zeigt als Beispiel die räumlich dargestellte Fig. 3b in zwei Ansichten und drei Schnitten. Zu erkennen ist hier die in den Fig. 3b nicht dargestellte Grundplatte 12 und die Blende 11, die wahlweise den einen, den anderen oder beide Kanäle freigeben kann. Die Justierelemente für die vier erforderlichen Freiheitsgrade Translation in X- und Y-Richtung sowie Drehung um die X- und Y-Achse und das Schutzgehäuse aus gut wärmeleitendem Material sind in Fig. 4 nicht, sondern in Fig. 1 zeichnerisch ange deutet.

Auf Darstellungen möglicher Fig. 4a, 4c, 4d und weiterer entsprechender Figuren kann hier verzichtet werden, da sie sich analog zu den gezeichneten Fig. 1 bis 4 erge ben.

Bezugszeichenliste

1

ungeteilter Fluchtungsstrahl

1.1

ungeteilter Fluchtungsstrahl von kohärenter Strahlungsquelle

1.2

ungeteilter Fluchtungsstrahl von inkohärenter Strahlungsquelle

1

',

1.1

',

1.2

' jeweiliger Teilstrahl

1

von

1

,

1.1

bzw.

1.2

1

'',

1.1

'',

1.2

'' jeweiliger Teilstrahl

2

von

1

,

1.1

bzw.

1.2

1

''',

1.1

''',

1.2

''' vereinigter Fluchtungsstrahl von

1

,

1.1

bzw.

1.2

2

polarisierender Strahlteiler zum Leistungsabgleich

3.1

polarisierender Strahlteiler zur Teilung des Fluchtungsstrahls

3.2

Intensitäts-Strahlteiler zur Teilung des Fluchtungsstrahls

4

',

4

'',

5

Strahlumlenker

6.1

polarisierender Strahlteiler zur Vereinigung der Teilstrahlen

6.2

Intensitäts-Strahlteiler zur Vereinigung der Teilstrahlen

7

Glaswürfel

8

Glaswürfel

7.1

polarisierender Strahlteiler zur Erhöhung des Polarisationsgrades

8.1

polarisierender Strahlteiler zur Erhöhung des Polarisationsgrades

9

',

9

'',

9

''' Porro-Prisma zweiter Art

10

',

10

'' Rhomboid-Prisma

11

Blende

12

Grundplatte

15

Strahlungsquelle (kohärent oder inkohärent)

16

Kollimator

17

positionsempfindlicher Detektor (PSD)

18

Elektronik zum PSD

19

Antastelement

20

Meßobjekt

21

Grundplatte für Strahlungsquelle und Symmetrierelement

22

Justiertische für Strahlungsquelle und Symmetrierelement

23

Symmetrierelement

23

a-d Symmetrierelement a-d (von

Fig.

3a-d)

24

Drehelement

25

Strahlschutzrohr

26

Strahlschutzhülse

27

Lichtleit-Faser
ADC Analog-Digital-Converter
PC Computer

Literatur

[1] Sparrer, G.: Normal-Laser-Fluchtungsmeßstrecke und -verfahren des ASMW.
Gastvortrag 33. IWK der TH Ilmenau 1988, Heft 2 Vortragsreihe Prozeßmeß- und Sensormeßtechnik, 87-90
[2] Sparrer, G.: Darstellung der Geraden im Raum. Jahresbericht 1990 des Bereiches Meßwesen des ASMW, PTB-Bericht TWD-37, 24-27.
[3] UK patent application No 26309176, U.S. serial No. 746367
[4] Pfeiffer, T; Trapet, E.: Aspekte zur Realisierung und Anwendung hochgenauer stabiler Fluchtungsmeßsysteme auf Laserbasis. Proceedings Kolloquium INFERT 1982, Dresden, 201-215, Manuskript der RWTH Aachen
[5] Trapet, E.; Pfeiffer, T.: Modern Laser Aliners Replace Conventional Techniques. Proceedings IMEKO-Symposium 1982, Berlin, 203-212. Manuskript der RWTH Aachen
[6] Schüßler, H.-H.: Measurement of Straighness Deviations by Means of a Laser- Beam with Multiple Position-Sensitive Photodetectors. Proceedings of the IMEKO-Symposium on Measurement and Inspection in Industry by Computer Aided Laser Metrology, Balatonfüred, Hungary, 24.-27. September 1990,
[7] Firmenschrift Fa. KOMEG, D-66333 Völkingen: Beschreibung und Bedienungsanleitung des Laserfluchtungssystem LFS
[8] Offenlegungsschrift DT-OS 20 00 228
[9] Patentschrift DD-PS 146999
[10] Drenckhan, J.; Salewsi, K.-D.: Laser-Geradheits-Meßsystem mit kabelfreien und verlustarmen Taster. Feingerätetechnik, Berlin 34, (1985) 5, 206-207.
[11] Firmenschrift Fa. Feinmeß Dresden: Gebrauchsanleitung LMS 100, Ergänzungsausrüstung Fluchtungsmessung
[12] Miyashita, K., Narto University of Education, Takashima, 772 Japan; Ishihara, N., Ogawa, Y., Sugahara, R., National Laboratory for High Energy Physics, Oho, 305 Japan; Hayakawa, A., Yasuda, K., Kawasaki Heavy Industries, Ldt., 650-91 Japan: Transverse Displacement Measurement Using Splitt Laser Beam. Soderdruck
[13] Patentschrift DD-PS 217622
[14] Patentschrift DD WP GO 1B/308292.6

Claims

1. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision bei Benutzung einer Strah lungsquelle, einem Kollimator, einem optischen zweidimensionalen Symmetrierelement, mit welchem zur Kompensation von räumlichen Schwankungen dieser Strahlung und Änderungen ihres Strahlprofils zwei leistungsgleiche zueinander gegenläufig schwankende und spiegelbildliche Teilstrahlen erzeugt werden, die nahezu übereinan derliegen, so daß nicht mehr die instabile Schwerpunktlinie eines Fluchtungsstrahls, sondern die stabile Symmetrielinie zwischen zwei komplementären Teilstrahlen das op tische Geradheitsnormal verkörpert,
der in beiden zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung senkrechten Dimensionen stattfindende gegenläufige Effekt im wesentlichen durch zwei im Symmetrierelement befindliche physikalische Strahlteiler und ein dazwischen liegendes zweidimensionales nur auf den einen Teilstrahl einwirkendes optisches Bildumkehrsystem herbeigeführt wird, wobei der erste Strahlteiler die beiden Teilstrahlen erzeugt und der zweite die quasi Vereinigung dieser Strahlen realisiert,
die beiden vereinigten Teilstrahlen, die solche Eigenschaften haben müssen, daß sie nicht miteinander interferieren können, auf die Frontfläche eines positionsempfindlichen Empfängers (PSD) fallen und durch diesen jeweils die Lage des Schwerpunktes der resultierenden Intensitätsverteilung gemessen wird,
eine direkte Fluchtungsmessung dadurch herbeigeführt wird, daß ein mit diesem PSD verbundenes mechanisches Antastelement auf das Meßobjekt aufgesetzt wird und in geeigneter Weise die der Fluchtungsabweichung proportionalen verstärkten so wie anderweitig gewandelten Meßsignale registriert werden,
je nach meßtechnischen Anforderungen an die Fluchtungsmessung die Meßstrahlen entsprechend mit gut wärmeleitenden direkt aneinandergereihten Rohrstücken ab geschirmt werden können, um möglichst kleine Gradienten der Temperatur bzw. der Brechzahl der Luft im Meßvolumen zu erreichen und auf diese Weise eine hohe räum liche und zeitliche Stabilität des optischen Geradheitsnormals zu erreichen,
gekennzeichnet dadurch,
daß die eine Fluchtungsmessung störenden Interferenzerscheinungen zwischen den beiden das Symmetrierelement verlassenden, quasi übereinanderliegenden, zueinan der gegenläufig schwankenden und spiegelbildlichen, d. h. komplementären Teilstrahlen dadurch minimiert werden,
daß für die Fluchtungsmessung kohärente Strahlung benutzt wird,
daß die beiden Teilstrahlen linear polarisiert sind, wobei ihre Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander sind, was dadurch erreicht wird, daß das Symmetrierelement in bekannter Weise an seinem Eingang und Ausgang je einen polarisierenden Strahlteiler zur Erzeugung bzw. Vereinigung der beiden Teilstrahlen besitzt,
daß diese Strahlteiler im Zusammenhang mit den übrigen optischen Bauelementen zur Bildumkehr, Richtungsänderung bzw. zur Erzeugung gleicher Glaswege in den bei den Kanälen in geeigneter Weise zueinander orientiert sind (siehe Beschreibung)
und zusätzlich bei höchsten Genauigkeitsanforderungen in jedem der beiden Kanäle des Symmetrieelements ein weiterer in geeigneter Weise orientierter polarisierender Strahlteiler eingesetzt ist (siehe Fig. 3b), so daß durch diese Hintereinanderschaltung der polarisierenden Strahlteiler die resultierenden Polarisationsgrade sich jetzt so weit erhöhen, daß durch die nunmehr erhöhte Orthogonalität der Polarisationsrichtungen der Teilstrahlen nach ihrer Vereinigung kaum noch nachweisbare Störinterferenzen entstehen und dadurch praktisch nur noch vernachlässigbare Meßabweichungen hervorrufen werden können, was wegen des in der Praxis existierenden Übersprechens an einer Polarisationsteilerschicht bzw. ihres endlichen Polarisationsgrades nicht in dem Maße möglich wäre.

2. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision bei Benutzung einer Strah lungsquelle, einem Kollimator, einem optischen zweidimensionalen Symmetrierelement, mit welchem zur Kompensation von räumlichen Schwankungen dieser Strahlung und Änderungen ihres Strahlprofils zwei leistungsgleiche zueinander gegenläufig schwankende und spiegelbildliche Teilstrahlen erzeugt werden, die nahezu übereinan derliegen, so daß nicht mehr die instabile Schwerpunktlinie eines Fluchtungsstrahls, sondern die stabile Symmetrielinie zwischen zwei komplementären Teilstrahlen das op tische Geradheitsnormal verkörpert,
der in beiden zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung senkrechten Dimensionen stattfindende gegenläufige Effekt im wesentlichen durch zwei im Symmetrierelement befindliche physikalische Strahlteiler und ein dazwischen liegendes zweidimensionales nur auf den einen Teilstrahl einwirkendes optisches Bildumkehrsystem herbeigeführt wird, wobei der erste Strahlteiler die beiden Teilstrahlen erzeugt und der zweite die quasi Vereinigung dieser Strahlen realisiert,
die beiden vereinigten Teilstrahlen, die solche Eigenschaften haben müssen, daß sie nicht miteinander interferieren können, auf die Frontfläche eines positionsempfindlichen Empfängers (PSD) fallen und durch diesen jeweils die Lage des Schwerpunktes der resultierenden Intensitätsverteilung gemessen wird,
eine direkte Fluchtungsmessung dadurch herbeigeführt wird, daß ein mit diesem PSD verbundenes mechanisches Antastelement auf das Meßobjekt aufgesetzt wird und in geeigneter Weise die der Fluchtungsabweichung proportionalen verstärkten so wie anderweitig gewandelten Meßsignale registriert werden,
je nach meßtechnischen Anforderungen an die Fluchtungsmessung die Meßstrahlen entsprechend mit gut wärmeleitenden direkt aneinandergereihten Rohrstücken ab geschirmt werden können, um möglichst kleine Gradienten der Temperatur bzw. der Brechzahl der Luft im Meßvolumen zu erreichen und auf diese Weise eine hohe räum liche und zeitliche Stabilität des optischen Geradheitsnormals zu erreichen,
gekennzeichnet dadurch,
daß die eine Fluchtungsmessung störenden Interferenzerscheinungen zwischen den beiden das Symmetrierelement verlassenden, quasi übereinanderliegenden, zueinan der gegenläufig schwankenden und spiegelbildlichen, d. h. komplementären Teilstrahlen dadurch minimiert werden,
daß für die Fluchtungsmessung eine quasi inkohärente Strahlungsquelle, vorwie gend eine Weißlichtquelle, benutzt wird,
daß zwischen den beiden einzelnen im Symmetrierelement verlaufenden Teilstrah len mit optischen Mitteln ein sehr kleiner Gangunterschied mit solch einem Betrag her beigeführt wird, daß wegen der sehr kleinen Kohärenzlänge der benutzten Strahlung keine Störinterferenzen mehr hervorgerufen werden können und das Prinzip der an und für sich aus meßtechnischen Gründen geforderten gleichen optischen Wege der Teilstrahlen praktisch erhalten bleibt
und daß der Polarisationszustand der sich überlagernden Teilstrahlen an und für sich beliebig sein kann, da wegen der Inkohärenz dieser Strahlen von vornherein keine Störinterferenzen entstehen können,
was zur Folge hat, daß das Symmetrierelement nur an seinem Eingang und Aus gang je einen physikalischen Strahlteiler zur Erzeugung und Vereinigung der beiden Teilstrahlen haben muß.

3. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch,
daß in den Eingangsstrahl vor dem eigentlichen Symmetrierelement ein Polarisator eingesetzt ist und dieser um seine optische Achse so gedreht werden kann, daß der in das Symmetrierelement eintretende Eingangsstrahl eine Polarisationsrichtung von 45° aufweist und durch diese Drehung die Leistungen der beiden entstehenden linear pola risierten Teilstrahlen mit senkrecht aufeinanderstehenden Polarisationsrichtungen auf Gleichheit eingestellt werden können.

4. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach Anspruch 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß bei Benutzung von inkohärenter Strahlung, vorwiegend Weißlicht, kein Lei stungsabgleich der Teilstrahlen vorgenommen werden muß und somit auch kein um seine optische Achse drehbarer Polarisator vor dem eigentlichen Symmetrierelement benötigt wird, jedoch nur dann, wenn die beiden physikalischen Strahlteiler des Sym metrierelements zur Erzeugung und Wiedervereinigung der beiden Teilstrahlen, vor wiegend zwei Intensitätsteiler, ein resultierendes Teilungsverhältnis von 1 : 1 aufweisen.

5. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach Anspruch 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß in dem Fall, wenn das im Anspruch 4 genannte Teilungsverhältnis der beiden Intensitätsteiler von 1 : 1 nicht erreicht werden kann, der Leistungsabgleich dadurch her beigeführt wird, daß in den einen Teilstrahl oder beide Teilstrahlen geeignete optische Mittel, z. B. Graufilter, eingesetzt werden
oder in den Eingangsstrahl vor dem eigentlichen Symmetrierelement analog zu An spruch 3 wieder ein Polarisator zur Drehung der Polarisationsrichtung bzw. zur Einstel lung gleicher Leistungen der beiden Teilstrahlen eingesetzt ist, was erfordert, daß zur Strahlteilung im Symmetrierelement ein Polarisationsteiler und zur Vereinigung der beiden Teilstrahlen ein beliebiger physikalischer Strahlteiler eingesetzt werden kann, wenn gemäß Anspruch 2 von vornherein eine Inkohärenz der beiden Teilstrahlen vorhanden ist.

6. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach den Ansprüchen 3 und 5,
gekennzeichnet dadurch,
daß als Polarisator vor dem eigentlichen Symmetrierelement zur Einstellung der Po larisationsrichtung von 45° vorzugsweise ein Polarisationsteiler eingesetzt ist und auf diese Weise geringere Leistungsverluste als z. B. mit einer Polarisationsfolie entstehen.

7. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach Anspruch 6,
gekennzeichnet dadurch,
daß zur Orientierung der Polarisationsrichtung der von der Strahlungsquelle ausge henden Strahlung vor den in Anspruch 6 genannten Polarisator ein weiterer Polarisator eingesetzt sein kann.

8. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach den Ansprüchen 3 und 5,
gekennzeichnet dadurch,
daß als drehbarer Polarisator vor dem eigentlichen Symmetrierelement zur Einstel lung der Polarisationsrichtung von 45° vorzugsweise eine an und für sich bekannte po larisationserhaltende Singlemodefaser mit Ein- und Auskoppeloptik eingesetzt ist,
hierzu das Faserende mit oder ohne zugehörige Auskoppeloptik (Kollimator) um sei ne Längsachse verdreht und auf diese Weise der Leistungsabgleich der beiden Teil strahlen herbeigeführt werden kann,
sowie dadurch, daß das Faserende eine nahezu punktförmige Lichtquelle darstellt und die Faser selbst eine Raumfilterwirkung besitzt, eine verbesserte Kollimierung der Strahlung, ein symmetrischeres Strahlprofil und eine Verkleinerung der räumlichen Schwankungen der Strahlung bereits vor dem Symmetrierelement erreicht werden kann
und zusätzlich die Strahlungsquelle nicht auf dem Meßobjekt sondern auf einer se paraten Auflage angeordnet werden kann, was weitere meßtechnische Vorteile bietet.

9. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach Anspruch 8,
gekennzeichnet dadurch,
daß nach der polarisationserhaltenden Singlemodefaser und dem Kollimator als Po larisator vor dem eigentlichen Symmetrierelement zur Einstellung der Polarisationsrich tung von 45° auch ein um die Meßachse drehbarer Polarisator, vorzugsweise ein Pola risationsteiler, eingesetzt ist
und die Faser mit Auskoppeloptik und gegebenenfalls auch mit Kollimator fest ange ordnet ist oder zusätzlich um ihre Achse mit geeigneten Mitteln verdreht werden kann.

10. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach Anspruch 4,
gekennzeichnet dadurch,
daß zwischen einer inkohärenten Strahlungsquelle, vorwiegend einer Weißlichtquel le, und dem Kollimator eine geeignete Lichtleitfaser mit einer an und für sich bekannten Ein- und Auskoppeloptik eingesetzt ist, um diese nicht als Polarisator, sondern wegen der in Anspruch 8 angegebenen Vorteile einer Faserkopplung zu nutzen und hierzu das Faserende mit der Auskoppeloptik nicht um seine Längsachse verdreht zu werden braucht, sondern vorwiegend fest angeordnet ist.

11. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach den Ansprüchen 1 und 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß zum Leistungsabgleich mit dem vor dem eigentlichen Symmetrierelement ange ordneten drehbaren Polarisator oder zur Kontrolle der Leistungen der beiden Teilstrah len eine mechanische Blende so im Symmetrierelement angeordnet ist, daß die beiden Teilstrahlen jeweils einzeln oder gemeinsam auf den PSD gelangen können, was erfor derlich macht, daß im sonst kompakt aufgebauten Symmetrierelement ein geeigneter Luftspalt für die Blende vorhanden ist.

12. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach Anspruch 11,
gekennzeichnet dadurch,
daß mit Rücksicht auf die einzubauende Blende die optischen Baugruppen im Sym metrierelement weitgehend kompakt aufgebaut, d. h. die optischen Elemente vorzugs weise miteinander verkittet sind.

13. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach den Ansprüchen 1 und 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß das Symmetrierelement so eingesetzt werden kann, daß seine Eingangs- und Ausgangsstrahlen zueinander parallel versetzt (und) oder zueinander verdreht sind
oder am Ausgang des Symmetrierelements, unabhängig von seiner Ausführung, ein optisches Element, z. B. ein Rhomboidprisma, vorgesehen ist, das dafür sorgt, daß die o.g. Strahlen zueinander fluchten und auf diese Weise eine leichtere Justierung des Meßaufbaus möglich ist.

14. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach den Ansprüchen 1 und 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß die optischen Bauelemente des Symmetrierelements auf oder an einer stabilen Grundplatte befestigt sind, die in Meßrichtung vorzugsweise horizontal oder vertikal an geordnet ist und
die in vorwiegend vier Freiheitsgraden (Verschiebung in X- und Y-Richtung sowie Verdrehung um die X- und Y-Achse) justiert und geklemmt werden kann und auf diese Weise die beiden den Ausgang des Symmetrierelements verlassenden Teilstrahlen an nähernd oder quasi in räumliche Übereinstimmung gebracht werden können.

15. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach den Ansprüchen 1 und 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß das gesamte Symmetrierelement mit gut wärmeleitendem Material, z. B. Alumi nium, so abgeschirmt ist, daß in der Wandung rund um die Strahlachsen ein thermi scher Kurzschluß auftritt, der im Inneren kleinste Temperaturgradienten sowie eine hohe thermische und somit mechanische Stabilität des Symmetrierelements gewährlei stet,
daß am Symmetrierelement für die beiden Ausgangsstrahlen ebenfalls zur entspre chenden Abschirmung z. B. Abschirmhülsen vorgesehen werden, die so in das Strahl schutzrohr hineinragen oder umgekehrt das Schutzrohr umgeben können, daß der Fluchtungsstrahl immer völlig abgeschirmt ist, ein Luftspalt nur zwischen den ineinan derragenden Abschirmungen entsteht und auf diese Weise kaum eine thermische Be einflussung des Fluchtungsstrahls möglich ist, aber durch diesen Spalt eine mechani sche Entkopplung des empfindlichen Symmetrierelements gewährleistet ist
und daß eine ähnliche Maßnahme auch für den Eingangsstrahl getroffen wird, die zwar prinzipiell nicht erforderlich ist, weil durch die Wirkung des Symmetrierelements Lageschwankungen des Eingangsstrahls weitgehend kompensiert werden, aber von vornherein eine starke Beruhigung dieses Strahls herbeigeführt wird und auf diese Weise kleinere Meßabweichungen erzielt werden können.

16. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach den Ansprüchen 1 und 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß vor der eigentlichen Fluchtungsmessung die Segmente des an und für sich be kannten Schutzrohres lückenlos zwischen Symmetrierelement und dem letzten Rohr segment vor dem PSD ausgelegt werden, wobei es darauf ankommt, daß das erste Rohrsegment gemäß Anspruch 15 nicht mechanisch mit dem Symmetrierelement ge koppelt ist und die anderen Segmente so aufgebaut werden, daß ihre Verbindungs stellen frei von äußeren direkten Luftspalten sind sowie eine gute thermische Abschir mung bieten, was z. B. durch zwei ineinanderragende Rohrenden mit unterschiedlichen Durchmessern oder zwei aneinandergelegte Rohrflansche erreicht werden kann
und zwischen dem letzten Rohrstück und dem PSD die Fluchtungsstrahlen unabge schirmt verlaufen können, weil in diesem Bereich Refraktionseinflüsse der Luft wesent lich geringere Auswirkungen auf die Lage von Fluchtungsstrahlen ausüben und somit viel kleine Meßabweichungen hervorrufen können als dies am Anfang der Meßstrecke der Fall ist.

17. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach den Ansprüchen 1 und 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß bei der Nutzung von Strahlschutzrohren eine Fluchtungsmessung im größten Ar beitsbereich, d. h. mit aufgebauten Schutzrohren, begonnen wird und die Rohrsegmente dann von dort aus schrittweise immer nur jeweils so weit abgebaut werden, daß mit dem PSD jeweils nacheinander in Richtung der Strahlungsquelle die nächsten freien Meßstellen auf dem Meßobjekt angetastet werden, dann das folgende Rohrsegment abgebaut und in gleicher Weise die nächsten Meßstellen entsprechend der vorhan denen Längen der Rohrsegmente angetastet werden.

18. Meßanordnung und -verfahren zur Darstellung einer stabilen optischen Geraden im Raum und zu Fluchtungsmessungen hoher Präzision nach den Ansprüchen 1 und 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß mit dem PSD eine Fluchtungsmessung nicht nur nach der bekannten Absolut methode, d. h. mit seinen kalibrierten Kennlinienfeldern oder -matrizen, sondern auch nach der Nullmethode durchgeführt werden kann, wobei der PSD in X- und Y-Richtung senkrecht zum Fluchtungsstrahl vorzugsweise mittels zweier Servosysteme bewegt wird und die Positionen dieser Bewegungen jeweils mit einem Längenmeßmittel, z. B. mit zwei Feintastern, gemessen werden
und die Fluchtungsmessungen in der Weise durchgeführt werden, daß das Antast element mit dem PSD und den genannten Zusatzeinrichtungen auf die jeweilige Meß stelle aufgesetzt, anschließend jeweils die elektrische Null des PSD mit oder ohne Ser vosystem angefahren wird und dann die Meßpositionen in X- und Y-Richtung mit den Längenmeßmitteln erfaßt werden und auf diese Weise eine Fluchtungsmessung als di rekte Längenmessung durchgeführt werden kann, was gegenüber einer Absolutmes sung die Vorteile bietet, daß preiswertere PSD mit größeren Nichtlinearitäten benutzt werden können und die vor einer Absolutmessung notwendigen umfangreichen Kali brierungenen der von zahlreichen Parametern abhängenden Kennlinienfelder des PSD nicht erfolgen müssen und somit diesbezügliche Meßabweichungen vermieden werden.