DE3037567A1

DE3037567A1 - Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren eines optischen messsystems

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Publication number: DE3037567A1
Application number: DE19803037567
Authority: DE
Inventors: Clair L. Bronxville N.Y. Farrand; William H. Thornwood N.Y. Grace; Edward W. Mahopac N.Y. Murray
Original assignee: Farrand Industries Inc
Current assignee: Farrand Industries Inc
Priority date: 1979-10-12
Filing date: 1980-10-04
Publication date: 1981-05-07
Also published as: IT8068554A0; FR2467383A1; JPS5664604A; SE8007100L; BR8006560A; NO803055L; GB2060931A; IL61217A0; IT1130528B; AU6310680A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Lichtgeschwindigleit unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen in Verbindung mit einem Interferometer. Interferometer zur Messung von Abständen sind bekannt. Hierzu gehören beispielsweise auch Laserinterferometer, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 458 259 beschrieben sind. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines derartigen Inter ferometers erläutert, wobei zu vermerken ist, daß die Erfindung auch anwendbar ist bei optischen Meßsystemen allgemein.

Interferometrisehe Längenmessungen werden ausgeführt durch Zählen der Anzahl der Lichtwellenlängen in dem zu messenden Abstand. Die Lichtfrequenz in einem Laserinterferometer ist feststehend. Die Wellenlänge des Lichts hängt ab von der Geschwindigkeit des Lichts in der Umgebung. Deshalb verändert sich die Geschwindigkeit des Interferometerlichtes

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mit den atmosphärischen Umgebungsbedingungen, wie Luftdruck, Temperatur und relative Feuchtigkeit. Diese Faktoren müssen in Betracht gezogen werden, um zur tatsächlichen Umgebungsgeschwindigkeit des Lichts in einem Laserinterferometer zu kommen, damit eine präzise Messung möglich ist.

Eine nach der vorgenannten US-PS aufgebautes Interferometer ist beispielsweise das Hewlett-Packard Modell 5501A. Dieses nachfolgend noch im Detail beschriebene Interferometersystem erzeugt zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz, welche miteinander" vermischt werden. Es wird somit eine resultierende Überlagerungsfrequenz erhalten. Das Gerät, welches die Überlagerungsfrequenz mißt, folgt Änderungen der Umgebungsbedingungen nur in begrenztem Maß.

Dieses bekannte Meßsystem mißt Abstände oder Längen in Längeneinheiten oder Teilen davon der Wellenlänge des Laserlichts in Umgebungsluft,

Die Wellenlänge des Laserlichts in Umgebungsluft verändert sich konstant mit atmosphärischen Veränderungen und muß daher kontinuierlich gemessen werden. Diese Wellenlänge ist stets langer als die bekannte Wellenlänge im Vakuum infolge der Dichte derr Luft und ihres Brechungsindexes. Hierdurch wird eine Abnahme der Wellenlänge von näherungsweise 0,9997300 + 0,0001000 hervorgerufen. Diese Zahl wird als VA bezeichnet, die Vakuumluftzahl.

In einem VA~Multiplizierzähler werden die letzten vier Stellen dieser Zahl angezeigt. Die letzte Zahl entspricht einem Teil von 10 Mio.

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Dieser Dezimalteil VA ist das Verhältnis der Wellenlänge des Laserlichts in der Umgebungsluft zur Wellenlänge des Laserlichts im Vakuum. Bei diesem Dezimalbruch wird die Wellenlänge des Lasserlichts im Vakuum als eins bezeichnet.

Der VA-Multiplizierzähler wird im Meßsystem dazu verwendet, die Wellenlänge des Laserlichts bei Umgebungsluft zu korrigieren_; damit diese Wellenlänge zu der bekannten Wellenlänge des Laserlichts in Vakuum korrespondiert, sodaß die bei Umgebungsluft durchgeführte Messung mit einer solchen im Vakuum übereinstimmt. Dieses System erfordert für seine Durchführung, daß, die Lichtgeschwindigkeit bei einer solchen Umgebung in das Gerät eingegeben wird als siebenstellige Dezimalzahl entsprechend dem Bruch :

Wellenlänge in Luft/ Wellenlänge in Vakuum.

Dieses Verhältnis wird nachfolgend als VA bezeichtnet. Unter typischen Umgebungsbedingungen lautet diese Zahl etwa 0,9997000 und kann sich im Bereich zwischen 0,996000 und 0,999800 bewegen. Um dieses Verhältnis zu erhalten, sind zwei Verfahren bekannt:

1. Unter Verwendung eines korrigierten Barometers, Thermometers und Hygrometers werden der atmosphärische Druck, die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit gemessen. Aufgrund dieser Werte wird anhand von Tabellen diese Weglängenverhältniszahl ermittelt.

2. Der automatische Kompensator 5510 der Firma Hewlett-Packard verwendet Sensoren zum Messen des atmosphärischen Drucks, der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit. Dieser Kompensator errechnet automatisch and periodisch die erforderliche Verhältniszahl.

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Diese Zahl wird sodann in das Meßsystem eingegeben zur Korrektur der in Umgebungsluft gemessenen Länge auf einen Wert entsprechend einer in Vakuum gemessenen Länge.

Jede der vorgenannten Methoden weist wesentliche Fehler auf. Beim ersten Verfahren treten menschliche Ablese- und Rechenfehler auf. Beim zweiten Verfahren treten Meßfehler und gelegentlich falsche Verhältnisfehler auf.

Es besteht die Aufgabe, ein Meßverfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu finden, bei welchem eine rasche Bestimmung des Wertes VA möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteranisprüchen entnehmbar.

Bei der Lösung wird von der Überlegung ausgegangen, daß längs des Wegs des Interferometers eine bestimmte bekannte Länge in einem Behälter vorhanden ist. Diese bestimmte bekannte Länge längs des optischen Wegs kann ermittelt werden bei der Herstellung eines Behälters, der diese Länge beinhaltet, in dem seine Länge in Strahlrichtung bei bekannter Temperatur vermessen wird. Dieser Behälter wird zuerst mit Umgebungsluft gefüllt und sodann evakuiert. Sobald Luft vom Behälter entfernt wird, erhöht sich die Wellenlänge des Laserlichts und die Zahl der Wellenlängen längs der feststehenden Strecke wird reduziert. Die scheinbare Änderung der Länge des optischen Weges infolge der Veränderung der Wellenlänge des Lichts,

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wenn die Umgebungsatmosphäre zum Vakuum hin verändert wird, wird im Laserinterferometer als eine Dimension angezeigt.

Die angezeigte Differenz in der Länge des optischen Wegs von der Umgebungsbedingung zur Vakuumbedingung wird nachfolgend als 5. bezeichnet. Diese Längendifferenz wird zum Errechnen des Kalibrierverhältnisses VA herangezogen gem. folgender mathematischer Gleichung

1 - VA = Λ /L,

wobei L die bekannte Länge des optischen Wegs im Behälter ist. Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß das gewünschte Verhältnis VA bestimmt werden kann mit einer siebenstelligen dezimalen Genauigkeit, während die bestimmte Länge L des optischen Wegs im Behälter und die gemessene Längenänderung des optischen Wegs & lediglich mit einer Genauigkeit von 4 Dezimalstellen bekannt sein muß. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Geräts kann die Änderung der Wellenlänge, wie sie durch die Atmosphäre bewirkt wird, gemessen werden als l/80tel einer Wellenlänge oder in Teilen einer Million. Vorausgesetzt, das VA-Verhältnis sei 0,999700, dann ist dieses öestimmbar bis zur siebten Stelle, also auf 0,9997000. Der Bereich von der Umgebungsluft bis zum Vakuum (1 - VA) ist gleich 0,0003000 und ist bestimmbar auf + ein Teil in 3000 oder näherungsweise auf 0,05 %. Falls die gemessene Längenänderung des Zählers gemessen wird auf 1 Teil in 10.000, dann ist es lediglich notwendig, daß die Länge des Nenners Limit der gleichen Genauigkeit erhalten wird.

Zusammenfassend bezieht sich also die Erfindung auf ein Gerät zum Kalibrieren eines optischen Meßsystems, wobei das System umfaßt eine Lichtquelle, Mittel zum Richten des Lichts von dieser Lichtquelle zu einem ersten und

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zweiten optischen Element längs des Lichtstrahles und mit Mitteln zum Messen und Anzeigen der Längenänderung dieses optischen Strahles, wenn er einmal Umgebungsluft und zum anderen ein Vakuum durchwandert. Das erste und das zweite optische Element sind in einem bekannten bestimmten Abstand zueinander angeordnet und definieren einen linearen optischen Weg.

Das Verfahren arbeitet wie folgt, Z wischen einem ersten und einem zweiten optischen Element wird bei einer gegebenen Temperatur eine bekannte Strecke bzw. Abstand L gebildet und zwar längs einer optischen Meßstrecke. Der Abstand zwischen den beiden optischen Elementen wird mit Umgebungsatmosphäre ausgefüllt. Sodann wird die Geschwindigkeit gemessen, mit welcher ein Lichstrahl die Strecke zwischen dem ersten und zweiten optischen Element durchwandert. Nachfolgend wird der Raum zwischen dem ersten und zweiten optischen Element evakuiert und dann die Geschwindigkeit gemessen, die ein Lichtstrahl zwischen dem ersten und zweiten optischen Element zum Durchlauf benötigt. Die Durchlaufzeiten der Lichtstrahlen ist ein Maß für den Abstand zwischen den beiden optischen Bauteilen. Hieraus ergibt sich eine Längendifferenz Λ entsprechend der Längendifferenz zwischen dem ersten und zweiten optischen Bauteil einmal für den Fall, daß der Raum zwischen den Bauteilen evakuiert und einmal das er nicht evakuiert ist. Der Kalibrierfaktor wird sodann errechnet nach der Gleichung

VA = 1 - f\ /L.

Dieser Faktor VA stellt das Verhältnis der Wellenlänge des Meßsystems unter Vakuumbedingungen zur Wellenlänge des Systems unter Umgebungsbedingungen dar. Der Kalibrierfaktor VA kann dann verwendet werden zur Umsetzung der angezeigten Messungen des Meßsystems unter Umgebungs-

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bedingungen zu Abständen, welche äquivalent sind zu denjenigen unter Vakuumbedingungen. Das vorbeschriebene Verfahren kann auch umgekehrt durchgeführt werden, in dem zuerst eine Messung erfolgt, wenn der Raum zwischen den optischen Elementen evakuiert ist, worauf sodann eine Messung erfolgt wenn sich Umgebungsluft in diesem Raum befindet.

AusfUhrungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines ersten AusfUhrungsbeiSpieles;

Fig. 2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispi1 es und

Fig. 3: ein drittes Ausführungsbeispiel, bei welcher die Vorrichtung an einer separaten Kalibrierachse eines zweiachsigen Laser interferometers angeordnet ist.

Die Vorrichtung ist verwendbar bei beliebigen optischen Meßvorrichtungen, bei denen die sichtbare Wellenlänge (oder relative Geschwindigkeit) des Lichts in einer Umgebung dazu verwendet wird, den Abstand zwischen zwei optischen Elementen zu messen. Die Erfindung wird jedoch im speziellen erläutert anhand eines Laserinterferometers nach der US-PS 3 458 295, wie er auch handelsüblich erhältlich ist von Hewlett-Packard unter der Typenbezeichnung 5501A.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes und das wohl einfachste Ausführungsbeispiel der Erfindung. Als Lichtquelle 10 dient ein Hewlett-Packard Laser Transducer 5501A, bei welchem

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es sich um eine hochstabile Laserquelle handelt, die als Basis für Abstandsmessungen dient. Im Speziellen handelt es sich bei der Lichtquelle 10 um einen zweifrequenten einstrahligen Laser, dessen Lichtstrahl 12 aus zwei Komponenten mit den Frequenzen f, und f„ besteht. Die Frequenz f~ unterscheidet sich von f. durch eine zählbare Zwischenfrequenz, beispielsweise von 200OkHz. Dieser zweifrequenzige Laser 10 kann einen Röhrenlaser umfassen, welcher in seinem Inneren im Abstand angeordnete Spiegel aufweist, welche einander gegenüber und rechtwinklig zur Achse der Röhre angeordnet sind, damit alle Polarisationen direkt verstärkt werden. Längs der Röhre wird ein Magnetfeld überlagert, wodurch rechtsdrehende und linksdrehende cirkular polarisierte Lichtkomponenten unterschiedlicher Frequenz erzeugt werden. Der aus dem Laser 10 austretende Strahl ist auf ein Interferometer 20 gerichtet. Hierbei handelt es sich um ein optisches Bauteil, welches den Strahl aufspaltet in einen Bezugsstrahl und in einen Meßstrahl, wobei die beiden Strahlen später miteinander kombiniert werden zur Erzeugung einer Überlagerungszwischenfrequenz. An der anderen Seite des Interferometers 20 ist ein Lambda-Viertel-Blättchen 25 angeordnet. Längs des Strahlenwegs, der von der Laserquelle 10 erzeugt wird, ist eine zylindrische Stahlröhre 30 angeordnet, welche beispielsweise 127 mm lang sein kann und welche zwei ebene transparente Glasfenster 32 und 34 aufweist, welche die Röhre 30 an jedem Ende hermetisch abschließen.

Mit dem Inneren der zylindrischen Röhre 30 ist eine mechanische Vakuumpumpe 40 und ein einstellbares Ventil 42 verbunden, wobei das Ventil 42 das Innere der Röhre völlig abschließen kann bzw. das Innere der Röhre mit

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der Umgebungsluft verbunden werden kann. Am Ende des Strahlenwegs ist ein ebener Spiegelreflektor 50 angeordnet.

Ein Empfangsdetktor 60 liegt im Strahlengang des Interferometers 20. Dieser Detektor 60 erfaßt sowohl den Laserausgangsstrahl als auch den Interferometerausgang zur Erzeugung einer Zwischenfrequenz von 2000 kHz. Dieser Detektor 60 ist verbunden mit einem ZeI1/metrisehen Impulsausgangssystem 70, welches seinerseits an eine numerische Anzeigevorrichtung 80 angeschlossen ist. Die Ausgangselektronik 70 umfaßt unter anderem Kompensationsschaltkreise, welche das Einfügen der vorstehend diskutierten Kompensation VA ermöglichen.

Der in den Interferometer 20 eintretende Strahl 12 wird aufgespalten in die Frequenzkomponenten f, und f„, welche beide nach erfolgten Reflektionen .demEmpfangsdetektor zugeführt werden. Die Komponente f, wird dem Spiegel 50 zugeführt und von dort zurückreflektiert mit einer geringen Frequenzdifferenz in Folge der Dopplerverschiebung Af. falls irgendeine Relativbewegung zwischen dem Interferometer 20 und dem Reflektor 50 vorhanden sein sollte. Das Lambda-Viertel-Blättchen 25 bewirkt die Polarisation der rückkehrenden Frequenz, welche hierdurch um 90° gedreht wird, sodaß eine Frequenzkomponente f, + /^ f ein zweites Mal vom Interferometer 20 nach außen reflektiert wird und abermals einer Dopplerverschiebung unterworfen wird. Die Polarisation von f^ + 2Af wird abermals um 90° gedreht, und sodann dem Empfänger 60 zugeführt. Die Frequenzkomponente fp wird direkt durch den Interferometer 20 auf den Empfänger 60 reflektiert. Infolge der zusätzlichen Dopplerverschiebung wird eine Verdoppelung der Auflösung erreicht. Die Relativbewegung zwischen dem Interferometer 20 und dem Spiegel 50 bewirkt eine Veränderung der durch den Empfänger 60 gemessenen Zwischenfrequenz. Diese dopplermodulierte Differenzfrequenz ^f ₂ " ^fl ί ²~^{f wird} P^nasenmäß¹'9 erfaßt,

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multipliziert, integriert und verstärkt durch die Ausgangselektronik 70 und angezeigt durch die nummerische Anzeigevorrichtung 80 in Zo11- oder metrischen Einheiten.

Das Auführungsbeispiel nach Fig. 1 dient dazu, den Kalibrierfaktor VA auf die nachfolgende Weise zu bestimmen. Als erstes wird die tatsächliche Länge L der Röhre 30 zwischen den Fenstern 32 und 34 exakt vermessen. Die Länge L des geschlossenen optischen Wegs zwischen den Fenstern 32 und 34 kann auch bestimmt werden, wenn der Faktor VA aufgrund eines anderen Verfahrens bekannt ist. Zum Erhalt des Faktors VA wird als erstes durch öffnen des Ventils das Innere der Röhre 30 mit der Umgebungsatmosphäre verbunden . Die Anzeige der nummerischen Anzeigevorrichtung 80 wird aufgezeichnet oder diese nummerische Anzeige wird auf Null gestellt. Sodann wird das Ventil 42 geschlossen und die mechanische Pumpe 40 betätigt, um das Innere der Röhre 30 leer zu pumpen. Die Pumpe 40 ist konventioneller Art und das letztlich benötigte Vakuum liegt lediglich in der Größenordnung von einigen 10mm Quecksilbersäule. Der Pumpvorgang beträgt normalerweise einige Minuten, sodaß die Veränderung des Unterdnucks gut durch das optoelektronische Meßsystem verfolgt werden kann. Wenn letztlich ein konstanter Unterdruck erreicht ist, wird die Meßsystem — anzeige 80 abermals abgelesen bzw. erfaßt. Die Meßdifferenz gibt die Längendifferenz ,\ zwischen der Umgebungsluft-und dem Vakuum zu diesem Zeitpunkt wieder. Der zu ermittelnde Kalibrierfaktor VA kann sodann erhalten werden durch die Gleichung VA = 1 -Δ/L . Hierbei ist sowohl -V also auch L bekannt. Der so bestimmte Faktor VA wird sodann in die Meßschaltung 70,80 eingegeben, wodurch nunmehr fehlerfreie kalibrierte Messungen zwischen dem Interferometer 20 und dem Reflektor 50 bei den zuvor erwähnten Umgebungsverhältnissen möglich sind. Dieses Vorgehen kann so

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häufig wie gewünscht wiederholt werden, um einen neuen Kalibrierfaktor VA zu bestimmen, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern.

Zu anfang, wenn das Gerät erstmals installiert ist, kann die Länge L des optischen Wegs zwischen den Fenstern 32 und durch das Gerät selbst bestimmt werden. Balls durch die vorbeschriebene Messung die auftretende Längenänderung A und der genaue Kalibrierfaktor VA bekannt.sind, dann kann die Weglänge L errechnet werden nach der Formel L =A/(1 - VA),- Der genaue Kalibrierfaktor VA kann bestimmt werden durch Messen der Umgebungstemperatur, der relativen Fechtigkeit und des Luftdruckes wobei dann mit diesen Werten aufgrund der Tabellen des Hewlett-Packard "manual compensator" (manual card No. 10156-90002, veröffentlicht durch Hewlett-Packard im Jahre 1975) der Wert von VA ermittelt wird. Da mittels der vorliegende Vorrichtung der geaaue Wert von VA unmittelbar erhalten wird, ist es in der Folge nicht mehr notwendig, die vorgenannten Messungen durchzuführen und den Tabellenwert von VA zu ermitteln.

Es sei vorausgesetzt, daß die Weglänge L 127 mm und die Auflösung 25,4 χ 10 mm zur Bestimmung des Wertes /^ beträgt, dann kann, wenn die Weglänge L genau bekannt ist, der Wert von VA mit einer Genauigkeit von 1 χ 10 bestimmt werden. Die Weglänge L kann als genau bekannt unterstellt werden bei 2O⁰C. Die Weglänge bei anderen Temperaturen verändert sich demgemäß durch den Ausdehnungskoeffizienten der Stahlrohre 30. Wird vorausgesetzt, daß die Stahlröhre 30 einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 11,7 χ 10" /⁰C aufweist, dann ist die Längenänderung bei normalen Laborumgebungstemperaturen gering.

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Da die scheinbare Weglängenänderung ^> auftritt infolge der Differenz des Brechungsindex zwischen einem Vakuum und atmosphärischen Bedingungen wird die Qualität des erreichten Vakuums während der Kalibrierung die Ergebnisse beeinflußen. Wird unterstellt, daß der Brechungsindex der Luft proportional zur Luftdichte ist, dann ergibt sich, daß bei einem Vakuum von einem lOOOtel Luftdruck zu Fehlern in der gleichen Größenordnung beiträgt wie ein Weglängenfehler von 0,1 %. Die meisten Vakuumpumpen können ein Vakuum von 1 χ 10 Torr oder 0,1 Micron Quecksilbersäule erzeugt. Dies entspricht näherungsweise 0,000013 % des normalen Luftdruckes, woraus geschlossen werden kann, daß eine derartige Vakuumpumpe verwendbar ist_/ohne daß dabei ein bemerkbarer Fehler auftritt.

Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei welchem die Vorrichtung im Todweg der Meßachse des Laserinterferometers angeordnet ist. Die Bauteile dieses Ausführungsbeispieles sind zum Großteil gleich zu denjenigen des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1. Eine zwei Frequenzen erzeugende einstrahlige Laserquelle 110 richtet ihren Lichtstrahl 112 auf einen Interferometer 120. An der anderen Seite des Interferometers 120 ist ein Lambda-Viertel-Blättehen 125 angeordnet, welches, eine zylindrische Stahlröhre 130 der bekannten Länge L hermetisch abschließt. Das andere Ende der Röhre 130 ist durch ein ebenes Glasfenster 135 hermetisch abgeschlossen. Mit dem Innerern der Röhre 130 verbunden sind eine mechanische Vakuumpumpe 140 und ein abschließbares Entlüftungsventil 142. Am entfernten Ende der optischen Meßachse des Geräts ist ein beweglicher ebener Spiegel 150 angeordnet. Der frequenzüberlagerte Austrittslichtstrahl vom Interferometer 120 wird einem Empfangsdetektor 160 zugeführt. Dieser ist verbunden mit einer Ausgangselektronik 170 und einer nummerischen Anzeigevorrichtung ISO,

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welche gleich sind zu den entsprechenden Teilen des ersten Ausführungsbeispiels.

Im Normalbetrieb dient das Gerät nach Fig. 2 dazu die Entfernung zwischen einer vorbestimmten Null-Lage auf der Meßachse und dem Reflektor 150 zu messen. Die Entfernung zwischen dem Mittelpunkt des Interferometers 120 und diesem Null-Punkt wird als Totweg bezeichnet. Dieser Totweg wiro in die AuSjgangselektronik 170 eingegeben, sodaß dieser Totweg die angezeigte Messung des Geräts nicht beeinflußt. Beim Gerät nach Fig. 2 ist der Totweg der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Interferometers 120 und der Oberfläche des transparenten Fensters 135. Der Meßweg ist dann somit der Abstand zwischen dem Fenster 135 und dem Reflektor 150.

Beim AusTührungsbeispiel nach Fig. 2 kann gewechselt werden zwischen einem Kalibriervorgang und einem Meßvorgang. Beim Kalibriervorgang wird ein entfernbarer Reflektor 150 irgendwo im Meßweg aufgestellt. Der Kalibriervorgang findet in der Weise statt, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben: Die nummerische Anzeige 180 wird auf Null gestellt, das Ventil 142 wird geschlossen und die Vakuumpumpe 140 wird angestellt. Sobald das Innere der Stahlröhre 130 mit der bekannten Länge L evakuiert ist, wird die Veränderung des angezeigten Abstands Λ gemessen. Am Ende des Evakuiervorganges wird der Kalibrierfaktor VA errechnet nacn der Formel VA = l-/\ /L Dieser Faktor wird in die Kompensationselektronik des Ausgangsschaltkreises 170 eingegeben. Nachdem der Faktor VA in die Elektronik 170 eingegeben ist, wird der Abstand von der Null-.Lage zum beweglichen Reflektor 150 genau gemessen, wobei die Meßwerte kompensiert sind unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen.

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Beim dritten Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 3 wird ein zweiachsiges Lasermeßsystem verwendet. Eine Laserquelle 210 der zuvor beschriebenen Art richtet ihren Ausgangsstrahl 212 auf einen Strahl aufteiler 214, der das Licht in zwei zueinander rechtwinklig verlaufende Strahlen und 218 aufteilt. Der eine Strahl 216 bildet eine Kalibrierachse, während der andere Strahl 218 die Meßachse des Geräts bildet.

Der Kalibrierstrahl 216 gelangt zu einem Interferometer 220, zu einem Lambda-Viertel-Blättchen 225 und sodann auf einen ebenen Spiegelreflektor 250. Zwischen dem Lambda-Vnertel-Blättchen 225 und dem.Reflektor 250 ist eine zylindrische Stahlröhre 230 bekannter Länge angeordnet. Das Blättchen 225 und der Reflektor 250 schließen das Innere der Röhre hermetisch ab. Mit dem Inneren der Röhre 230 verbunden ist ein Entlüftungsventil 242 und eine Vakuumpumpe 240. Der Ausgangsstrahl vom Interferometer 220 gelangt an einen Detektor 260 welcher verbunden ist mit einer Ausgangselektronik 270 und einer nummerischen Anzeigevorrichtung 280, welche vergleichbar mit den entsprechenden vorstehend erwähnten Bauteilen sind.

Der Meßstrahl 213 ist auf einen weiteren Interferometer 320, ein Lambda-Viertel-Blättchen 325 und längs des Meßwegs auf einen ebenen Spiegelreflektor 350 gerichtet. Das von diesem Interferometer 320 austretende Licht gelangt zu einem weiteren Detektor 360, welcher mit einer Ausgangselektronik 370 und einer nummerischen Anzeigevorrichtung 380 verbunden ist, wobei diese Teile gleich sind zu den vorerwähnten vergleichbaren Bauteilen.

Zum Kalibrieren der Meßachse des Geräts wird die Kalibrierachsenröhre 230 zuerst belüftet durch öffnen des Entlüftungsventils 242, sodaß Umgebungsluft in das Innere

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der Röhre 230 gelangt. Danach wird das Ventil 242 geschlossen und die Vakuumpumpe 240 in Betrieb gesetzt wodurch Luft vom Innern der Röhre 230 entfernt wird.
Wenn das gewünschte Vakuum erhalten ist, dann wird die Veränderung der gemessenen Entfernung, welche auf der nummerischen Anzeige 280 angezeigt wird, erhalten als Wert L. . Da die Länge der Röhre 230 bereits als L bekannt ist, wird das Kalibrierverhältnis VA abermals erhalten durch die Gleichung VA = 1 -J^ /L.Dieser Wert
VA kann in die Kompensationselektronik der Meßausgangsschaltung 370 eingegeben werden, wodurch die Meßachse bezüglich der Umgebungsbedingungen kalibriert ist, sodaß eine Messung in Luft durchgeführt wird, so als
wäre es eine Messung in Vakuum.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

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VerfahrenVzum Kalibrieren eines optischen Meßsystems, das eine Lichtquelle und eine optische Meßstrecke zwischen zwei optischen Bauteilen aufweist, wobei die Strecke zwischen den optischen Bauteilen gemessen wird mittels eines von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden optischen Bauteile längs der Meßstrecke in einem bekannten vorbestimmten Abstand L zueinander angeordnet werden, Umgebungsluft in den Raum zwischen den beiden Bauteilen geleitet wird, der Raum sodann evakuiert wird, die Änderung h zwischen den Streckenmessungen bei Umgebungsluft und im Vakuum ermittelt und der Kalibrierfaktor VA aufgrund der Gleichung VA = I-,£: L errechnet wird, der das Verhältnis der angezeigten Wellenlänge des Meßsystems im Vakuum und der angezeigten Wellenlänge des Meßsystems bei Umgebungsluft darstellt und diese Fraktur als Korrektur-Fraktur der Messungen in Umgebungsluft zu korrektur dieser Messungen entsprechend einer Entfernungsmessung im Vakuum dient.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei optische Bauteile längs einer optischen Meßstrecke in definiertem Abstand zueinander angeordnet S'nä und der geschlossene Raum zwischen den Bauteilen

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einmal mit der Umgebtingsl uf t verbindbar zum anderen an eine Vakuumquelle anschließbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Bauteile ebene transparente Fenster sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Bauteil ein Lambda-Viertel-Blättchen ist und das zweite optische Bauteil aus einem ebenen Reflektor besteht,
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Bauteil ein Lambda-Viertel Blättchen und das zweite optische Bauteil ein ebenes transparentes Fenster ist und im Abstand zum Fenster ein auf das Fenster gerichteter ebener Spiegelreflektor vorgesehen ist.

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