DE2123667A1 - Interferometer - Google Patents

Description

Interferometer

Die Erfindung "betrifft Interferometer, insbesondere zur Längenmessung, mit einer einen scharfgebiindelten, monochromatischen Lichtstrahl aussendenden Lichtquelle, einem gegenüber der Lichtquelle auf linearem Pfad bewögbareaPrismenreflektor und halbdurchlässigen, planparallelen OJrennplatten, an denen der Eingangalicht«? strahl in einen Meß- und einen Bezugsstrahl aufgeteilt r)2w. rücklauf ende Komponenten von Meß- und Besugs™ strahl zur Erzeugung von Interferenzbild-Ausgangssig« nalen vereinigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Längenmeß-Interferometer zu schaffen, das nur aus drei optischen Bauelementen» ₉ nämlich zwei konventionellen Trennplatten und einem einzigen. Prisraea-Reflekfcor besteht und daher ganz erheblich weniger kostet als übliche Interferometer_p welche für Meßstrshl und Beaugaatrahl je einen Reflektor haben ■

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Ferner bezweckt die Erfindung., ein Interferometer so auszubildenο daß man Fehler der optischen Bauelemente^ insbesondere Fehler am Priamenreflektürs, beim Zusammenbau kompensieren kamic so daß trotz der u3vemneLd~~ liehefi Fahler uiid Ü7ivollk©mmeaheitew der optische« Bauelemetite ein optimales InterferenB'blld und ein gleich=· förmig beleuchte tee optisches Feld erreichbar sindο

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Interferometer der einleitend genannten Art erfisiduagagemäß dadurch gekennzeichnet, daß auf einem gemeinsamen Sockel_P der such die Lichtquelle trägt₉ zwei physikalisch ⁿn

ander unabhängige Trennplatte» mit „hren verspiegelten Oberflächen einander mater einem V/iukej. zugev/aadt angeordnet sind a wobei dieser Winkel uo gewählt ist_g daß trotz optischer Fehler des Prismenreflektors und/oder gestörter Parallelität der Trennplatten„ der an der ver spiegelten Oberfläche der ersten Trennplatte unter Abtrennung des abgelenkten Bezugsstrahls aus dem dort auf= treffenden Eingangsstrahl der lichtquelle gewonnene Meßstrahl nach der Reflexion an dem Priiimenreflektr-r und dem Durchqueren der zv/eiten Trennplatte den gleichen Punkt auf dessen verspLegeiter Oberfläche ei.reicht, wie der an der verspiegelten Oberfläche der ^rsteii Trennplatte abgetresm 5a fie^i

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Gemäß einem weitere« Merkmal der Erfindung ist dabei die Anordmmg so getroffen_f daß die ers^e Trennplatte entsprechend dem Durchgang der halbem Lichtstrahlenergie mit dielektrischen Stoffen besahishtet fat_P während die Beschichtung der zweiten Trennplatte aus Metalls inaheat.,iderc; aus Aluminium besteht. Auf diese Weise ergibt sl'.:h ein extrem geringer Verlust an Licht« energie uml es ergibt si«h gleichzeitig eine 90^e~ Phasenverschiebung; der Ausgangasignale_r die für die Auswertung sehr erwünseh? ist,

Wenn auch Iöterferemei?ei? mit nur einem Prismenreflektor an sich nicht neu und beispielsweise in den 196Θ er^ teilten britischen Patent 1 108 214 offenbart sinä„ war die Schaffuisg eines Interferometers mit sllen anderen vorerwähnten Vorteilen bis zu dieser Erfindung nicht möglichο

Weitere Einzelheiten und Merkmale äsr Erfindung ergebevi sich aus der iischfölgenöen ausführlichen Beachreibung uad den beigefügten Zeichnungen_r iß dtnen eine bevorzugte Ausführu?igaforin der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist-

In den Zeichnungen zeiger·: BAD ORIGINM.

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1 eine Seitenansicht einer Werkzeugmaschine mit erfindungsgemäßem Interferometer zum Messen des rom Werkstückhalter zurückgelegten Weges entlang einer Achse und Figo 2 eine schematisehe, stark übertriebene Darstellung zur Erläuterung der Kompensation von Fehlern am Prismenreflektor des er= findungsgemäßen Interferometers_o

In dem in Fig_e 1 gezeigten Maschinenbett 5 einer Werkzeugmaschine kann ein Werkstückhalter 6 mit nicht dargestellten Antrieben entlang 3er Führungen 7 auf einem linearen Weg verschoben werden_o Die Größe und auch die Richtung der Bewegung lässt sich mit einer Steuerung erfassen und steuern* zu der als wesentliches Bauelement ein Interferometer 8 gehört«

Wie bei solchen Meßgeräten üblich, gehören zum Interferometer 8 eine Lichtquelle, insbesondere ein Laser 9₉ der einen gebündelten monochromatischen Lichtstrahl 10 ■ erzeugt, eine prismatische Trennplatte 11, mit der der .Eingangsstrahl 10 in divergierende Bezugs-» bzw., Meßstrah* len 12 und 13 aufgeteilt wird« Der Meßstrahl 13 trifft auf einen Prismenreflektor 14, der den Strahl zurückwirft und eine rücklaufende Komponente 15 erzeugte Diese

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rücklaufende Heßstrahlkomponente 15 und der Bezugsstrahl 12 vereinigen sich auf einer zweiten Trennplatte 16„ wo zwei Ausgangssignale 17 und 18 entstehen»

Damit das Interferometer die Bewegung des Werkstück» halters entlang der Führung messen und die Bewegungsrichtung feststellen kann, ist der Prismenreflektor 14 starr am Werkstücktisch oder an einem festen Teil des» a selben tafestigt, während der Laser 9 und die zwei Trenn-' platten 11 und 16 am Maschinenbett 6 festgelegt sind_B was vorzugsweise dadurch geschieht,, daß man den gemein» samen Sockel 19 der Trennplatten und des Lasers entsprechend verbindetο

Wie bei Interferometern üblich, handelt es sich bei den Trennplatten um klare planparallele Glasplatten oder «streifen, die einseitig halbdurchlässig verspiegelt sindο Die erste Trennplatte 11 weist mit der verspiegeln I ten Seite 11c zum Laser 9 und bildet mit dem Eingangsstrahl 10 einen Winkel von 45°, so daß der Bezugsstrahl 12 rechtwinklig und der Meßstrahl 13 bei entsprechender Versetzung in Abhängigkeit von der Dicke und dem Brechungsexponenten der Trennplatte parallel zum Eintritte» strahl 10 weiterläuft»

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Die zweite Trennplatte 16₉ ebenfalls eine klare Glasplatte ©der ein Glasstreifen_p welche physikalisch von der ersten Trennplatte unabhängig ist_fl bildet mit der ersten Trennplatte nominell einen rechten Winkele Die verspiegelte Seite 16c der Trennplatte 16 ist eben= falls dem Laser 9 zugewandt_P liegt aber nicht im Bereich des Eingangsstrahles 10-, Die Relativlage zwischen den zwei Trennplatten ist so gewählt, daß die rück» laufende Komponente 15 des Meßstrahles 15 und der Bezugs= strahl 12 sich an der Verspiegelung 16c treffen_c sich vereinigen uad atfrei Paare von Interferenzbild-Ausgangs= Signalen 17 und 18 bilden-,

Da es erwünscht ist₉ die Interferenzlinien mit einem in zwei Richtungen arbeitenden Zähler zu zählen_p wird eines der Ausgangssignalpaare gegenüber dem anderen um 90° phasenverzögertο Gemäß der Erfindung wird diese 90°-=Pha3enverSchiebung leicht und wirkungsvoll dadurch erzieltβ daß man für die Verspiegelung 16c Metalls speziell Aluminium verwendet» Wenn auch Aluminium den Nachteil hat_e daß es bis zu 40 36 der durchtretenden Lichtenergie absorbiert, so hat es doch einen ganz her-=» vorragenden Strahlteilereffekt und erzeugt zusätzlich die erwünschte !^»Phasenverschiebung der Ausgangssignaleo

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Da gemäß der Erfindung unterschiedliche Stoffe für die Überzüge der zwei Trennplatten verwendbar sind, kann man die relativ hohe Energieabsorption eines Metallüberzuges an der zweiten Trennplatte dadurch kompensieren, daß man als überzug 11c der ersten Trennplatte ein dielektrisches Material verwendet.

Bei dielektrischen Trennplatten besteht der Überzug aus mehreren einander abwechselnden Schichten zweier dielektrischer Stoffe, beispielsweise Magnesiumfluorid und Kryolith^ wobei die einzelnen Schichten sehr dünn sind und etwa in der Größenordnung einer viertel Wellenlänge des monochromatischen Interferometer-Liehtes liegen. Mit einem solchen dielektrischen Überzug erreicht man nicht nur eine gleichmäßige Aufspaltung des Eingangslichtstrahles sondern hält dabei auch die Yerluste minimal* Bei der Strahltrennung beträgt der Lichtenergieverlust nicht mehr als 5/10 eines Prozentes (0,5 #) > >

Die Ausnutzung erwünschter Merkmale dielektrischer und metallischer !rennplatten bildet nicht den einzigen Vorteil der Erfindung.

Pur einen vorgegebenen Prismenreflektor kann man das größte Interferenzbild und eine gleichförmige Verteilung

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der hellen und dunklen Teile im gesamten optischen Feld selbst darm erhalten _f wenn das Prisma Fehler hat oder die Parallelität der gegenüberliegenden Oberflächen der Trennplatte?: gestört ist«

Bei vollkommenem Prismenreflektor und vollkommenen Trennplatten verlaufen die vor= und rücklaufende« Komponenten des MeSstrahles 13 und 15 exakt parallel zu= einander in einsm Abstand der gleich der Länge des Bezugsstrahles 12 plus dem Doppelten der Brechungsver-Setzung ais den Trennplatten ist» Bei dieser idealen Situation treffsn Eezugsstrahl- und Meßstrahl im gleichen Punkt der Vereinigungsfläche 16c zusammen ₉ so daß die diese Oberfläche verlassenden Signalstrahlen köinzident sindc Das Ergebnis ist dann ein gleichförmig ausgeleuchtetes optisches PeId₈. von äem 100 $ der beobachteten optischen Energie (interferenzbilö) mit einem niohtdargest'ellten Lichtdetektor in zwei gegeneinander 90° phasen^erschobsriS elektrische SignaT.e umgewandelt v/erden kann,

Prismenreflektoten sind jedoch selten vollkommen und auch Trennplatte haben oft nicht exakt parallele Oberflächen» Die ideale Beziehung zwischen den verschiedenen Lichtstrahlen kenn man somit nur sehr schwer und in

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einigen Fällen, beispielaweise bei der Anordnung gemäß br it ο Patentschrift 1 108 214» überhaupt nicht erzielen,,

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann man aber Fehler und Unvollkommenheiten der optischen Komponenten dee Interferometers βο kompensieren, daß man ein nahezu perfektes Znterferenzbild erhält«.

Fig. 2 erläutert übertrieben die zu beanstandenden Folgen von Fehlern am Prismenreflektor und wie man ge» |

maß der Erfindung diese Fehler beseitigen kann., Wie dargestellt» verlaufen die vorlaufenden und die rücklauf end en Komponenten des Meßstrahles wegen eines Prismenfehlers nicht exakt parallel» Wären in einem solchen Falle die Trennplatten unter einem Winkel von 90° gegeneinander angeordnet, wie es entsprechend der strichpunktierten Darstellung der Srennplatte 16 für vollkommene Prismen nötig ist, würden sich der Bezugsstrahl und die rücklaufende Komponente des Neßetrahls nicht am gleichen Punkt der Vereinigungsfläohe 16c treffen. So ergäbe sich auch keine Koinzidenz der Ausgangseignale an der Yereinigungs-Trennplatte; vielmehr ergäbe sich eine Divergenz, so daß es unmöglich wäre, ein gleichförmig ausgeleuchtetes optisches Feld zu erhaltene Da die Trennplatten aber physikalisch voneinander unab-

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hängige Bauelemente und nicht miteinander fest verbunden sind j kann man sie, wie in fig· 2 mit ausgezogenen Linien dargestellt_s unter einem beliebigen Winkel gegen= einander anordnen ₉ um auf diese Weise wieder eine Koinzidenz der Ausgangssignale herzustellen-

Es ist nicht nur möglich ₉ den Vfinkel zwischen den Trenaplatten einzuregeln und so auszubilden₉ daß sich die richtige Beziehung bezüglich der Liehtwege des Prismenreflektors ergibt_f sondern maa kann auch die beiden Tresaplatten gemeinsam um die Aehsa des B©zugss$rahls drehen» um die vom Eingsngslaserstirahl 10 und dam 3eaugsstrahl 12 definierte Ebene parallel zu einer Ebene zu stellen,, in der sich die beiden Komponenten des Meßstrahles befindenο Es lassen sich also Parallelitätsfehler an den gegenüberliegenden Oberflächen der Erenn» platten und auch Prismenfehler kompensieren„ so daß man optimale I'iterferenzbilder erhält»

Die entsprechenden Einregelungen der Trennplatten werden vorgenommen, bevor man sie auf dem Sockel 19 befestigt₉ der wie vorerwähnt$, fest mit dem Maschinenbett verbundeir ist und damit aueh festliegt gegenüber dem linearen Bewegungspfad ρ auf oem sich der den Prismenreflektor tragende Maschinenteil bewegt» Hach entsprechend, korrekter

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Einstellung werfen die !Trennplatte« auf dem Sockel mit einem geeigneten Kleber befestigt*

Aus der vorstehenden Beschreibung der Erfindung ergibt sich die außerordentliche Einfachheit des Aufbaues und der Konstruktion des Interferometersο Durch den Fort"
fall des einen Erii3mfnreflektors_s der sonst bei üblichen Interferometer^ vorhanden ist* ergibt sich eine erhebliche * Kostenvermindering*

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Claims (1)

- 12 Patentansprüche

1.] Interferometer,, insbesondere zur Längenmessung,, mit einer einen scharfgebündelten monochromatischen Lichtstrahl aussendenden Lichtquelle, einem gegenüber der Lichtquelle auf linearem Pfad bewegbaren Prismen~ reflelctor und halbdurchlässigen, planparallelen Trennplatte _p an denen der Eingangslichtstrahl in einen Meß- und einen Bezugsstrahl aufgeteilt bzw_o rücklaufenae Komponenten von Meß- und Bezugsstrahl zur Erzeugung von Interferenzbild- Ausgangssignalen vereinigt worden, dadurch gekennzeichnet!, daß auf einem gemeinsamen Sockel (19)» der auch die Lichtquelle (9) trägtj zwei physikalisch voneinander unabhängige Trennplatten (11,16) mit ihren verspiegelten Oberflächen (11c,16c) einander unter einem Winkel zugewandt angeordnet sind, wobei dieser Winkel so gewählt ist, ßaß trotz optischer Fehler des Prismenreflefctors (H) und/oder gestörter Parallelität der Trennplatter. (11„16)₉ der an der verspiegelten Oberfläche (11c} der ersten Trennplatte (11) unter Abtrennung des abgelenkten Besugsstrahls (12) aus dem dort euftreffenden Eingangsstrahl (10) der Lichtquelle (9) gewonnene Meßstrahl (13) nach der Reflexion an dem Prismeni-eflelctor (H) und dem Durchqueren der

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zweiten Trennplatte (16) den gleichen Punkt auf dessen verspiegelter Oberfläche (16c) erreicht» wie der an <3er verspiegelten Oberfläche (11c) der ersten Trennplatte (11) abgetrennte Be2ugsstrahl (12)o

2ο Interferometer nach Anspruch 1_e dadurch gekenn» !zeichnet ₉ daß die erste Trennplatte (11) entsprechend dem Durchgang der halben Lichtstrahlenergie mit dielektrischen Stoffen beschichtet ist, während die t

Beschichtung (16c) der zweiten Trennplatte aus

Metall, insbesondere aus Aluminium besteht»

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