DE3124357C2 - Längenmeßeinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserinterferometer mit einem in konstanter Relativlage zum Prüfling (1) gehalterten Interferometerteiler (5) mit Referenzreflektor (7), einem sowohl parallel als auch quer zur Hauptmeßachse (19) verfahrbaren Meßtaster (8) und einem in konstanter Relativlage zum Meßtaster (8) gehalterten Meßreflektor (12). Zur Verkürzung und Vereinfachung des Aufbaues des Interferometers ist der als Planspiegel ausgebildete Meßreflektor (12) am Meßtaster (8) befestigt, wobei dieser geradlinig aus der Hauptmeßachse (19) herausbewegt wird. Der Durchmesser des Meßreflektors (12) ist ausreichend groß, so daß bei diesem relativen Querhub (h) der Strahlengang nicht unterbrochen wird. Zur Ausschaltung von leichten Ausricht- und Kippfehlern des Meßreflektors (12) wird der Meßstrahl aufgrund einer Zwischenreflektion (7, 16, 27) genau parallel zu sich selber zweimal auf den Meßreflektor (12) geworfen, wobei der schließlich reflektierte Meßstrahl stets exakt parallel zu der Einfallsrichtung zu liegen kommt. Dadurch ergeben sich kontrastreiche Hell/Dunkel-Übergänge bei der Interferenzbildung und außerdem eine höhere Auflösung. Zur Einhaltung des Prinzips nach Abbe können symmetrisch zur Haupt meß achse (19) und in deren Ebene zwei von einer Laserlichtquelle ausgehende Meßstrahlanordnungen (17, 18) vorgesehen sein. Auch diese Meßstrahlen sind unempfindlich gegen Kipp- und Ausrichtfehler; ein vierfacher Verlauf des Meßstrahles durch die Meßstrecke ergibt darüberhinaus eine ......

Description

a) die Laserlichtquelle (3) und der einzige Interferometerteiler (5) sind zueinander gleichachsig und parallel zur Hauptmeßachse (19) angeordnet;

b) der Interferometerteiler (S) ist so angeordnet, daß die Meßstrahlen nach zwei entgegengesetzten Richtungen quer zur Hauptmeßachse (19) verlaufen;

c) der ebenfalls einzige Referenz-Tripelreflektor (7) ist mit seiner optischen Achse parallel zu dem von der Laserlichtquelle (3) einfallenden Strahl am Interferometerteiler (5) derart angeordnet, daß er die beiderseitigen Meßstrahlen (17,18) jeweils ein zweites Mal auf den oder die Meßreflektoren (12) reflektiert;

d) im Bereich der beiderseitigen Meßstrahlen (17, 18) sind — im Strahlengang hinter dem Interferometerteiler (5) — jeweils Umlenkspiegel (16) angeordnet; e) für den mittelbar aus beiden Meßstiahlenanord nungen (17, 18) kommenden Meßstrahl ein

schließlich des reflektierten Referenzstrahles ist nur ein gemeinsamer Empfänger (4) vorgesehen.

is 8. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 6,

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Meß- und Referenzstrahl verlaufen vor dem Interferometerteiler (25) quer zur Hauptmeßachse (19);

b) der Meß- und Referenzstrah! wird den beiderseitigen Meßstrahlenanordnungen (17', 18') durch Umlenkspiegel (22—24), von denen einer

(22) teildurchlässig ist, zugeleitet, die im

einfallenden Strahlengang vor dem Interferometerteiler (25) liegen;

c) jeder Meßsu-ahlenanordnung (17', 18') ist ein gesonderter Interferometerteiler (25) zugeord net, der mit seiner Durchlaßrichtung parallel zur

Hauptmeßachse (19) ausgerichtet ist;

d) an jedem Interferometerteiler (25) sind jeweils zwei mit ihrer optischen Achse quer zur Hauptmeßachse (19) liegende Tripelreflektoren (26,27) gegenüberliegend befestigt;

e) für die beiden aus den beiderseitigen Meßstrahlanordnungen (17', 18') zurückgeworfenen Meßstrahlen einschließlich der jeweils zugehörigen Referenzstrahlen ist jeweils ein gesonder- ter Empfänger (20,21)vorgv jehen.

Die Erfindung betrifft eine Längenmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der Zeitschrift »Meßtechnik« 1973, Seiten 1 bis 6 oder durch die insoweit inhaltsgleiche DE-AS 21 43 655 als bekannt hervorgeht

Bei der bekannten Längenmeßeinrichtung ist der Meßreflektor des darin verwendeten Interferometers als Tripelspiegel ausgebildet der um seinen zentralsymmetrischen Punkt schwenkbar ist Ein sogenannter beweglicher »Zirkel« enthält diesen Tripelreflektor und den Meßtaster, welcher »Zirkel« in seinem Abstand zwischen Reflektor und Taster der größten zu messenden Prüflingslänge entsprechen muß. Die den Prüfling aufnehmende Auflage bzw. ein entsprechendes Führungsbett für den Meßtisch oder für den bewegli chen »Zirkel« muß mindestens doppelt so lang sein, wie der größte zu messende Prüfling, weil in einer Endposition der Prüfling und der bewegliche »Zirkel« in Meßrichtung hintereinander Platz haben müssen. Aufgrund dieser Anordnung baut die ganze Einrichtung nicht nur sehr groß und ist aufgrund dieser großen Außenabmessung auch entsprechend temperaturempfindlich, sondern wegen der schwenkbaren und verschiebbaren Lagerung des beweglichen »Zirkels« dieser

Längenmeßeinrichtung sind aufwendige und komplizierte Sonderkonstruktionen erforderlich,

Interferometeranordnungen sind in der Technik in vielfältiger Weise und in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen bekannt. Die US-PS 42 61107 zeigt die Anwendung sehr kompliziert aufgebauter Inferometer-Anordnungen in einer Dreikoordinaten-Meßmaschine in Einständerbauweise. Die Meßmaschine besteht im wesentlichen aus einem Stativ, einer daran vertikaibeweglich geführten Klemmeinheit und einem darin ι ο horizontalbeweglich gelagerten Kragarm. Das Stativ ist auf einem Tisch in Paaren von Führungsrillen horizontal entlang einer Linie beweglich. Am Außenende des Kragarmes ist ein Taster angeordnet, mit dem die Oberfläche eins auf dem Tisch aufgestellten Prüflings angetastet werden kann. Das Stativ ist lediglich eindimensional auf dem Tisch beweglich; in gleicher Weise ist die Klemmeinheit auch nur eindimensional auf dem Stativ beweglich uznd weiterhin ist der Kragarm lediglich eindimensional innerhalb der Klemmeinheit verschiebbar. Abgesehen von diesen großräumigen konstruktiv vorgegebenen Beweglichkeiten der einzelnen Glieder der Meßmaschine können die Glieder innerhalb ihrer Führungen in unkontrollierbarer Weise aufgrund von Spiel, Fonnungenauigkeiten, Bauteildeformationen oder dergleichen weitere Bewegungen ausführen, die für die Meßgenauigkeit der Meßmaschine von Bedeutung sind. Im Grunde genommen kann jedes Glied gegenüber dem Kinematisch unmittelbar benachbarten Glied drei translatorische und drei rotatorische Bewegungen ausführen, von denen jedoch lediglich eine einzige translatorische Bewegung konstruktiv gewollt ist Um nun die tatsächliche Lage der Meßtastspitze innerhalb des Meßvolumens der Dreikoordinaten-Meßmaschine erfassen zu können, ist zwischen jeweils ü unmittelbar benachbarten Gliedern der Meßmaschine eine sehr umfassende kompliziert aufgebaute interferometrische Meßanordnung vorgesehen, mit der sämtliche erwähnten sechs Freiheitsgrade der Bewegung erfaßt werden können. Wegen des dreigliedrigen Aufbaues der Meßmaschine sind dementsprechend drei verschiedene Interferometer-Meßanordnungen vorgesehen, mit denen jeweils sechs Bewegungen erfaßt werden. Eine erste Interferometeranordnung ist zwischen dem Tisch und dem Stativ vorgesehen, mit der 4> außer der gewellten horizontalen Verschiebung des Statives auch Seiten· und Höhenversatz wie Kippungen um sämtliche Dreikoordinaten-Achsen ermittelt werden können. In ähnlicher Weise ist ein davon unabhängiges zweites, ähnlich aufgebautes interferometrisches Meßsystem zwischen dem Stativfuß und der Klemmeinheit angebracht. Schließlich ist ein: dritte Interferometer-Meßanordnung vorgesehen. Mittels eines sehr komplizierten Rechners kann dann aufgrund der ermittelten Verlagerungen und Bauteildeformationen die genaue r> Lage der Meßtastspitze innerhalb des Meßvolumens errechnet werden. Die zur Bestimmung von Längenmaßen mit Hilfe der Interferometer-Anordnungen benötigten Reflektoren sind durchweg als Tripelreflektoren ausgebildet Im übrigen sind diese Reflektoren innerhalb einer Interferometer-Meßanordnung lediglich eindimensional in der konstruktiv vorgegebenen Weise bewegbar. Die vorliegende Erfindung geht jedoch aus von einer Längenmeßeinrichtung mit einer Interferometer-Meßanordnung, bei der der Meßtaster zweidi- mensional zur HauptmeGachse der Längenmeßeinrichtung bewegbar ist und e^nso der in konstanter Relativlage zum Meßtaster gehalterte Meßreflektor.

Die bekannte Dreikoordinaten^Meßmaschine und die darin vorgesehenen Interferometer-Meßanordnungen sind daher gegenüber der Ausgangsbasis der vorliegenden Erfindung gattungsfremd,

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Längenmeßeinrichtung anzugeben, die kürzer und einfacher aufgebaut ist als die bekannte Längenmeßeinrichtung·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst Aufgrund der Anordnung des Meßreflektors am Meßtaster wird die Erstreckung des beweglichen »Zirkels« gewissermaßen zu »null« gemacht, wodurch sich die Baulänge der Längenmeßeinrichtung beträchtlich reduziert Dies setzt allerdings voraus, daß der Meßreflektor als Planspiegel ausgebildet ist, der im Durchmesser so groß ausgebildet wird, daß bei dem Querhub des Meßtasters der Strahlengang nicht unterbrochen wird, sondern die Zahl-Information erhalten bleibt Die Anwendung eines Planspiegels als Meßreflektor setzt außerdem eine gerari'imge Querbewegung des Meßtasters voraus, was sich jedoch konstruktiv sehr vereinfachend auswirkt, weil geradlinige Tasterbewegungen nicht nur bei Neukonstruktionen eines Interferometers relativ einfach und sicher darstellbar sind, sondern auch bei bestehenden Mehrkoordinatenmeßgeräten ohnehin vorhanden sind. Die Erfindung hat daher außerdem den Vorteil, daß eine entsprechende Längenmeßeinrichtung auch auf einem bereits vorhandenen Mehrkoordinatenmeßgerät aufgebaut werden kann.

Da eine Interferenz mit kontrastreichen Hell/Dunkelübergängen eine sehr gute Parallelität von Referenz- und Meßstrahl voraussetzt, diese aber bei Reflexion des Lichtstrahles an einem Planspiegel nicht immer mit genügender Genauigkeit vorausgesetzt werden kann, wird in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung eine Doppelreflexion des Meßstrahles durch die Meßstrecke hindurch über einen Tripelreflektor vorgeschlagen (Anspruch 2). Dank einer zwischengeschalteten Reflexion des Meßstrahles auf einem Tripelreflektor wird ein vor. der Einfallrichtung aufgrund einer kleinen Schiefläge des Planspiegels leicht schräg zurückgeworfener Strahl in sich mit der gleichen Schräglage wieder auf den Planspiegel zurückgeworfen, so daß der erneut reflektierte Strahl genau parallel zu dem ersten einfallenden Strahl zu liegen kommt Der zurückgeworfene Strahl ist somit genau parallel zu dem Referenzstrahl, obwohl der Planspiegel bei seiner Bewegung leichte Kippbewegungen ausführen mag. Dadurch lassen sich in jedem Fall kontrastreiche Inferenzsignale, die sicher abgezählt werden können, erzeugen. Ein weiterer Vorteil der Doppelreflexion des Meßstrahles über die Meßstrecke hinweg, liegt darin, daß dadurch die Auflosung verdoppelt, die Meßgenauigkeit also gesteigert wird.

Die Hauptmeßachse bei einer Längenmessung wird bestimmt durch die Verbindungslinie der Antaststellen eines Meßtasters an einem Prüfling. Nach dem Prinzip von Abbe soll zur Reduzierung von Meßfehlern die Messung des Verschiebeweges in der gleichen Linie wie die Hauptmeßachse selber erfolgen. Nachdem aber die Reflexion des Meßstrahles erst auf der Höhe des Meßtasters erfolgt und der Meßstrahl den Prüfling nicht durchdringen kann, muß der Meßstrahl neben dem Prüfling verlaufen. Um dennoch das Prinzip nach Abb£ einhalten zu können, wird beiderseits, vorzugsweise symmetrisch neben der Hauptmeßachse eine Meßstrahlanordnung vorgesehen iAnsoruch 3). Hierdurch

erfolgt die Verschiebungsmessung in der Ebene der Hauptmeßachse, wobei gegenläufige Bewegungen der beiden Meßreflektoren aufgrund irgendwelcher Kippbewegungen gerade kompensiert werden und im Meßergebnis nicht erscheinen. Trotz einer Strahlanordnung neben der Hauptmeßachse wird also das Prinzip von Abbe eingehalten.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden. Nachfolgend wird die Erfindung durch zeichnerisch dargestellte Ausführungsbeispiele naher erläutert; dabei zeigt

Fig. I eine Längenmeßeinrichtung in Seitenansicht,

F i g. 2 eine gegenüber F i g. 1 vergrößerte Grundrißdarstellung der Längenmeßeinrichtung nach Fig. I,

F i g. 3 und 4 Seitenansicht (F i g. 3) und Stirnansicht ι > (F i g. 4) der Tasteranordnung bzw. -ausbildung der Längenmeßeinrichtung nach den F i g. 1 und 2,

Fig.5 eine gegenüber der Ausbildung nach Fig.4 modifizierte Halterung der Meßreflektoren unmittelbar am Taster selber und μ

F i g. 6 eine gegenüber der Anordnung nach F i g. 2 modifizierte Ausgestaltung des Verlaufes der Meßstrahlen an der Längenmeßeinrichtung.

Das in Fig. 1 in Seitenansicht gezeigte Ausführungsbeispiel einer Längenmeßeinrichtung weist einen :=, Meßtisch 2, sowie eine Horizontalführung 11 für einen längsbeweglichen Schlitten auf an dem eine Vertikalführung 10 für eine Pinole 9 angeordnet ist. Die Pinole ihrerseits trägt einen Meßtaster 8. Der Meßtisch 2 nimmt den Prüfling auf, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Stufenendmaß 1 mit vielen genau gefertigten Zinnen 37 sein möge.

Mit der Meßkugel des Meßtasters 8 sind die ansteigenden bzw. abfallenden Meßflächen des Stufenendmaßes auf der Höhe der Hauptmeßachse 19 antastbar. Stirnseitig von dem Prüfling ist eine Interferometer-Grundplatte 36 in konstanter Relativlage zu dem Prüfling sicher befestigt, suf der die wesentlichen optischen Bausteine einer Laserinterferometer-Anordnung befestigt sind, die nqch weiter unten behandelt werden. Etwa in einer Flucht mit der Hauptmeßachse 19 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 die Laserlichtquelle 3 auf einem Stativ angeordnet, die auch gleichzeitig den Empfänger 4 für die zurückgeworfenen Laserstrahlen enthält und die Auszählung der Interferenzsignale vornimmt. Die Laserlichtquelle 3 sendet gleichachsig zwei kohärente linear polarisierte Lichtstrahlen aus, deren Polarisationsebenen zueinander rechtwinklig sind. Gleichachsig zu der Laserlichtquelle 3 und zu der Hauptmeßachse 19 ist ein Interfer^meterteiler 5 mit einem Tripelreflektor 7 angeordnet. Der Interferometerteiler 5 besteht im wesentlichen aus zwei aufeinandersetzen, rechtwinkligen Dreikantprismen, die an ihrer Kontaktfläche eine aktive Schicht 6 aufweisen. Diese hat die Eigenschaft, lediglich Lichtstrahlen linear polarisierten Lichtes durchzulassen, deren Polarisationsebene in einer ganz bestimmten Richtung, beispielsweise horizontal liegt Diese Polarisationsrichtung hat der von der Laserlichtquelle 3 ausgesendete Referenzstrahl. Er wird deswegen von der aktiven Schicht ohne weiteres durchgelassen, trifft auf den Tripelreflektor 7 und wird von diesem mit einem gewissen Seitenversatz parallel zu sich selber durch die aktive Schicht 6 hindurch zurückreflektiert und gelangt in den Empfänger 4.

Seitlich an dem Interferometerteiier 5 sind beiderseits Polarisationsplatten 13 angebracht, die bei einer bestimmten Umfangseinstellung die Eigenschaft haben.

die Polarisationsrichtung eines linear polarisierten Lichtstrahles nach zweimaligem Durchtritt um 90° zu verändern.

Symmetrisch zu dem Interferometerteiler 5 sind auf der Grundplatte 36 noch zwei Umlenkspiegel 16 unter 45° befestigt, die die Meßstrahlen parallel zur Hauptmeßachse 19 umlenken. Die beiden Umlenkspiegel 16 sind in einem solchen Querabstand angeordnet, daß die Mitte der beiden reflektierten Strahlen einen Abstand A aufweist; sie sind im übrigen symmetrisch zur Hauptmeßachse 19 angeordnet, so daß die beiden jeweils reflektierten Strahlen einen gleichen Seitenabstand von der Hauptmeßachse 19 aufweisen. Im übrigen ist die Anordnung so getroffen, daß die beiden dies- und jenseits der Hauptmeßachse 19 liegenden Meßstrahlen und die Hauptmeßachse 19 in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Der Meßtaster des in den Fig. 1-4 gezeigten Ausführungsbeispieles einer Längenmeßeinrichtung weist eine Gehäuseplatte 32 auf, die auf der Höhe der Tastkugel 30 auf mehr als den Stiahlabstand A verbreitert ist, die jedoch im Bereich der Hauptmeßachse eine größere Aussparung 35 zum Durchlaß des Prüflings aufweist. Auf die beiden nach unten ragenden zinnenartigen Enden der Gehäuseplatte 32 ist jeweils ein als Planspiegel ausgebildeter Meßreflektor ausgebildet, deren Durchmesser D größer ist, als der Querbewegungshub h des Meßtasters. Durch jeweils einen der beiden Umlenkspiegel 16 und einen der Meßreflektoren 12 ist dies- und jenseits der Hauptmeßachse eine Meßstrahlanordnung 17 bzw. 18 geschaffen, die — wie gesagt — gemeinsam mit der Hauptmeßachse 19 in einer Ebene und im übrigen symmetrisch zu der Hauptmeßachse 19 liegen.

Der Meßtaster weist eine um ein Federgelenk 34 spiel- und hysteresefrei schwenkbare Blattfeder auf, an derem unteren Ende ein Tasterstift 31 mit einer Tastkugel 30 angebracht ist. Die Bewegung der Blattfeder kann mittels eines an ihr befestigten Ferritkernes 28, der sich im Inneren eines Differentialtransformators 29 befindet, feinfühlig abgenommen und in eine elektrische Größe umgewandelt werden, die auf einem Anzeigeinstrument als Antastweg angezeigt werden kann. Die relative Lage der beiden Meßreflektoren 12 zu der Tastkugel 30 ist so, daß der Kugelmittelpunkt in der gemeinsamen Reflexionsebene der Meßreflektoren 12 liegt. Dadurch wird die Erstreckung des beweglichen »Zirkels« in Richtung der HauptmeÖachse 19 zu null, so daß thermisch bedingte Maßänderungen der die Meßreflektoren 12 haltemden Teile des Meßtasters für das Meßergebnis bedeutungslos werden, weil sie lediglich zu einer Querverschiebung, nicht jedoch zu einer Längsverschiebung der Meßreflektoren 12 in Meßrichtung führen. Bei dem in den F i g. 3 und 4 dargestellten Beispiel der Halterung der Meßreflektoren 12 führt zwar die Tastkugel 30 beim Antasten einer Meßfläche einen Relativhub zu der reflektierenden Oberfläche in Meßrichtung aus, der durch die Durchbiegung des Tasterstifes 31 aufgrund der Antastkraft verursacht wird. Solange aber stets mit genau der gleichen Antastkraft angetastet wird, ist dieser Relativhub bekannt und kann rechnerisch eliminiert werden. Der Vorteil der Spiegelhalterung nach den Fig.3 und 4 ist der, daß sie sehr starr und schwingungssteif ist Bei der Anordnung nach F i g. 5 mit dem Meßtaster 8' werden die Meßreflektoren 12 über im Grundriß gekröpfte Halteranne 33 gehalten, die an der Tastkugel 30 oder an dem Tasterstift 31 befestigt

sind. Dadurch machen die Meßreflektorcn 12 bei diesem Ausführungsbeispiel die kleinen Relativbewcgungen der Tastkugel 30 gegenüber dem Taster mit; d!?ser in Längsrichtung liegende Relativhub braucht demgemäß nicht rechnerisch zu eliminiert werden, weil er in der Interferometerzählung nicht mit auftaucht

Die die optischen Teile der Interferometer-Anordnung aufnehmende Interferometergrundplatte ist relativ klein, so daß temperaturbedingte Maßänderungen ebenfalls entsprechend gering sind. Durch entsprechende Materialauswahl mit geringem Temperaturausdehnungskoeffizienten, z. B. Invar, kann der Temperatureinfluß noch weiter reduziert werden. Hierbei wirkt sich lediglich zum einen das in Richtung der Hauptmeßachse liegende Maß 1 von der Mitte des Interferometerteilers ι > bis zur Anlagefläche des Prüflings und zum anderen der Querabstand A der beiden Meßstrahlanordnungen aus. Da diese Maße - wie gesagt - relativ klein sind und im übrigen dieses leichte und kleine Teil temperaturmäßig leicht überwacht werden kann, sind entsprechende m Fehlereinflüsse nur klein und im übrigen leicht überwachbar und gegebenenfalls rechnerisch kompensierbar.

Die von der Laserlichtquelle 3 ausgesendeten Meß- und Referenzstrahlen erleiden nun folgendes: Der Referenzstrahl, der in Durchlaßrichtung der aktiven Schicht 6 linear polarisiert ist, wird von dem Tripelreflektor 7 gleich wieder in den Empfänger 4 zurückreflektiert. Der quer zur Durchlaßrichtung der aktiven Schicht 6 linear polarisierte Meßstrahl — es so handelt sich um ein Strahlenbündel mit dem Durchmesser d — wird an dieser Schicht reflektiert und gelangt zunächst nach einer Reflexion an dem oberen Umlenkspiegel 16 als erster Meßstrahl 14 in der linken Meßstrahlanordnung 17 auf den zugehörigen linken Meßreflektor 12, wird von diesem auf den Umlenkspiegel 16 der linken Meßstrahlanordnung 17 wieder zurückreflektiert und durchtritt ein zweites Mal die Polarisationsplatte 13; der erste Durchtritt durch diese Platte 13 erfolgte auf dem Hinweg. Durch diesen zweimaligen Durch .ritt durch die Polarisationsplatte 13 wird im Ergebnis die Polarisationsebene um 90° geschwenkt, so daß der Meßstrahl nunmehr in Durchlaßrichtung der aktiven Schicht 6 polarisiert ist und ungehindert durch sie durchtreten kann. Der in beschriebener Weise zurückgeworfene Meßstrahl wandert also weiter durch die untere der beiden Polarisationsplatten 13, trifft auf den Umlenkspiegel 16 in der rechten Meßstrahlanordnung 18 und wird als erster Meßstrahl 14 der rechten Meßstrahlanordnung 18 parallel zur Hauptmeßachse auf den Meßreflektor 12 dieser rechten Meßstrahlanordnung 18 geworfen. Von dort wird der Meßstrahl in sich selber zurück auf den unteren Umlenkspiegel 16 und zu dem Interferometerteiler 5 hin reflektiert Nach dem Durchtritt durch die untere Polarisationsplatte 13 — es ist wiederum der zweite Plattendurchtritt — ist die Polarisationsebene wiederum um 90° gedreht, so daß die aktive Schicht 6 undurchlässig für diesen Strahl ist Er wird an ihr in den Tripelreflektor 7 hineinreflektiert und gelangt von dort «J mit einem kleinen Seitenversatz a parallel zu sich selber auf die aktive Schicht 6 erneut zurück, von der er wiederum nach unten auf den Umlenkspiegel 16 reflektiert wird. Der Meßstrahl gelangt nun als zweiter Meßstrahl 15 in die rechte Meßstrahlanordnung 18 und trifft wiederum auf den dieser Meßstrahlanordnung 18 zugeordneten Meßreflektor 12. Dieser zweite Meßstrahl 15 wird von dort in sich selber zurückreflektiert und gelangt zu dem Interferometerteiler zurück. Nachdem der Strahl inzwischen wiederum ein zweites Mal die Polarisationsplatte 13 durchtreten hat, ist die Polarisationsebene wieder in Durchlaßrichtung der aktiven Schicht 6 geschwenkt, so daß der Strahl geradlinig durch den Interferometerteiler 5 zum oberen Umlenkspiegel 16 hindurchtreten kann. Von dort wird er als zweiter Meßstrahl 15 der linken Meßstrahlanordnung 17 auf den entsprechenden Meßreflektor 12 geworfen, von wo er wiederum in sich selber zurückreflektiert wird. Nach erneuter Umlenkung zu dem Interferometerteiler 5 hin durchtritt dieser Strahl wiederum zum zweiten Mal die obere der beiden Polarisationsplatten 13, so daß die Polarisationsebene des Meßstrahles nunmehr quer zur Durchlaßrichtung der aktiven Schicht 6 geschwenkt ist und der Meßstrahl an dieser Schicht gleichachsig zu dem zurückkehrenden Referenzstrahl zum Empfänger 4 hin reflektiert wird. Der Tripelreflektor 7 und die beiden Umlenkspiegel 16 werden daher in sinnreicher Weise zWciiäCn ausgenützt, um den Meßstrahl insgesamt viermal auf die beiden Meßreflektoren 12 hinzuwerfen. Hierdurch werden Ausrichtungs- und Parallelitätsfehler der optischen Teile der Interferomcter-Anordnung sowie kleine Führungsfehler des Meßtasters 8 ausgeglichen, weil durch die wiederholte Reflexion des Meßstrahles dieser mit dem entgegengesetzten Fehler in kompensierender Weise zurückgeworfen wird. Dadurch ist d't Anordnung relativ unempfindlich gegen Justage- und Führungsfehler. Es werden jedoch trotzdem deutliche Interferenzsignale erzeugt. Außerdem kann eine Messung in der Ebene der Hauptmeßachse 19 und symmetrisch zu ihr vorgenommen werden, so daß Fehler erster Ordnung vermieden werden können. Als willkommener Nebeneffekt dieses vierfachen Durchlaufens des Meßstrahles durch die Meßstrecke hindurch wird eine vierfache Auflösung und somit eine auf das Vierfache gesteigerte Meßgenauigkeit erzielt. Auch eine kleine Schrägstellung der Gehäuseplatte 32 gegenüber der Hauptmeßachse 19 und somit eine Verkürzung der MeBstrahlen in der einen Meßstrahlanordnung gegenüber der Lauflänge der Meßstrahlen in der gegenüberliegenden Meßstrahlanordnung ist für das Meßergebnis unschädlich, weil unter der Voraussetzung einer zur Hauptmeßachse 19 symmetrischen Meßstrahlanordnung die Lauflänge des Meßstrahles insgesamt von einer solchen Schrägstellung unbeeinflußt bleibt

Der Aufbau der Längenmeßeinrichtung nach Fig.2 ist relativ einfach; sie kommt mit relativ wenig Bauteilen und nur einem einzigen Empfänger 4 aus. Nachteilig hieran ist jedoch, daß die Interferometergrundplatte 36 in Meßrichtung eine gewisse Mindestlänge / und quer dazu eine gewisse Mindestbreite A haben muß; diese beiden Maße gehen mit den trotz geeigneter Materialauswahl unvermeidbaren temperaturbedingten Maßänderungen voll in das Meßergebnis ein, was jedoch relativ wenig ist und bei entsprechender Temperaturüberwachung rechnerisch eliminiert werden kann.

Bei dem aufwendigeren Ausführungsbeispiel einer Längenmeßeinrichtung nach Fig.6 können diese Temperatureinflüsse weitgehend beseitigt werden. Deren Interferometer-Anordnung hat eine Laserlichtqueile 3' mit zwei rechts und links davon angeordneten Empfängern 20 bzw. 21. Für jede Meßstrahlanordnung 17' bzw. 18' ist jeweils ein gesonderter Interferometerteiler 25 vorgesehen, den jeweils quer zur Durchlaßrichtung ein Referenz-Tripelreflektor 26 und — gegenüberliegend — ein weiterer Tripelreflektor 27 zur erneuten

Reflexion des Meßstrahles über die Meßstrecke und zur Kompensation von Ausricht- und Kippfehlern der optischen Teile angeordnet. Die Polarisationsplatten 13 sind bei dieser Ausgestaltungsform der Interferometer-Anordnung auf der Austrittsseite des Interferometerteilers angeordnet. Zwar sind aufgrund dieses relativ aufwendigen Aufbaues die beiden Meßstrahlanordnungen 17' und 18' weitgehend voneinander unabhängig jede Meßstrahlinordnung hat ihren eigenen Meß- und ihren eigenen Referenzstrahl. Damit für beide Meßstrahlanordnungen jedoch kohärentes Licht verwendet werden kann, ist für beide lediglich eine einzige z. B. quer zur Hauptmeßachse ausgerichtete l.aserlichtquelle 3' vorgesehen, deren Strahlen über schräg gestellte Umlenkspiegel 22 bzw. 24 zugeleitet wird, von denen der Spiegel 22 teildurchlässig ist. Für den Rücklauf der Strahlen aus der Meßstrecke in die Empfänger 20 bzw. 21 ist in der rechten Meßstrahlanordnung 18' ein weiterer Umlenkspiegel 23 vorgesehen; der entsprechende Spiegel 24 in der linken Meßstrahlanordnung 17' wird für diese Zwecke doppelt ausgenutzt.

Da im Hinblick auf die thermische Maßkonstanz der Bauteile der Längenmeßeinrichtung lediglich diejenigen Maße von Interesse sind, auf denen der Meßstrahl und der Referenzstrahl einen ungleichen Verlauf haben, der Meßstrahl und der Referenzstrahl jedoch für beide Meßstrahlanordnungen bis zur aktiven Schicht 6 einen gleichen Verlauf hat, ist der Abstand der beiden Meßstrahlanordnungen im Hinblick auf thermisch bedingte Maßänderungen irrelevant. Dieser Aufbau einer Längenmeßeinrichtung eignet sich daher besonders gut für solche Meßaufgaben, bei denen zur Einhaltung des Prinzips nach Abbe die beiden Meßstrahlanordnungen einen besonders großen Abstand haben müssen; ein solcher Meßaufbau könnte sich < beispielsweise beim Innenvermessen von Ringen ergeben, bei denen die beiden Meßstrahlanordnungen einen gegenseitigen Abstand haben müssen, der größer

10

ist, als der Außendurchmesser des Ringes, sofern der Ring flach aufliegend vermessen werden muß. Da auch der Platz zwischen den beiden Intcrferometerteilern 25 einba'.frei ist, kann der Prüfling erforderlichenfalls in ". diesen Zwischenraum hineingeschoben werden; die Interferometer-Grundplatte 36' könnte entsprechend ausgespart sein. Ungeachtet dessen darf jedoch der Prüfling nicht näher in Meßrichtung an die Interferometer-Grundplatte herangefahren werden, daß bei Anta-Ii stung der vordersten Meßfläche die Meßreflektoren noch vor den Polarisationsplatten 13 vorbeigeschoben werden können. Hierbei ergibt sich jedoch eine sehr geringe Annäherung / des Meßtasters bzw. der Meßreflektoren an den Interferometerteiler. Unter der ■> Voraussetzung, daß die Interferometer-Grundplatte einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von der gleichen Größe hat, wie der der optischen Teile selber auf dieser Grundplatte und unter der weiteren Voraussetzung, daß der Befestigungspunkt der Grundplatte auf > dem Meßtisch an der Stelle der größten Annäherung des Meßtasters an die Interferometer-Grundplatte angeordnet ist, kann der verbleibende Temperatureinfluß auf dies kleine Maß / konstruktiv ebenfalls beseitigt werden.

Praktisch werden bei der Ausbildung der Längenmeßeinrichtung nach F i g. 6 für die linke und für die rechte Meßstrahlanordnung 17' bzw. 18' jeweils eine gesonderte Interferometrie durchgeführt, wobei jedoch die Meßstrahlen beider Meßstrahlanordnungen kohärent sind. Um nun beide symmetrisch zur Hauptmeßachse durchgeführten Messungen zu einem einzigen Meßergebnis zusammenführen zu können, indem Kippfehler der Grundplatte 32 bzw. der Tragarme 33 während der Verschiebung des Meßtasters eliminiert werden, müssen die beiden am Empfänger 21 bzw. 20 erzeugten Zählergebnisse auf elektronische Weise miteinander verrechnet werden, was jedoch beim heutigen Stand der elektronischen Rechner keine Schwierigkeit bedeutet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Nur eine Hauptmeßachse aufweisende Längenmeßeinrichtung mit einem den Prüfling aufnehmenden Meßtisch und mit einem sowo.nl parallel als auch quer zur Hauptmeßachse beweglichen, relativ zum Prüfling verfahrbaren Meßtaster, ferner mit einem Laserinterferometer, enthaltend eine Laserlichtquelle, einen in deren Strahlengang angeordneten, in konstanter Relativlage zum Prüfling gehalterten Interferometerteiler mit Referenzreflektor und mit einem in konstanter Relativlage zum Meßtaster gehalterten Meßreflektor, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Querbewegung des Meßtasters (8, 8') geradlinig erfolgt, daß der Meßreflektor (12) am Meßtaster (8, 8') selber oder an einem mit ihm querbewegten Teil angebracht ist und daß der Durchmesser (D) des als Planspiegel ausgebildeten Meßreflektors (12) wenigstens dem Hub Qi) der Querbewegung des Meßtasters (8, 8¹) entspricht.

2. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem als Tripelreflektor ausgebildeten Referenzreflektor (7,

26) ein den Meßstrahl ein zweites Mal auf den Meßreflektor (12) reflektierender Tripelreflektor (7,

27) am Interferometerteiler angeordnet ist

3. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits der Hauptmeßachse (19) jeweils eine Meßstrahlenanordnung (17, 18) umj daß am Meßtaster (8, 8') oder am Tastergehäuse (32) entsprechend zwei abragend gehalterte Meßreflektoren (12) oder ein gemeinsamer im Bereich der Haupuneßachse (19) ausgesparter Meßreflektor angeordnet ist, wobei die dies- und jenseits der Hf.uptmeßachse (19) angeordneten Meßstrahlen und die Hauptmeßachse (19) in einer Ebene liegen.

4. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßstrahlenanordnungen (17, 18) symmetrisch zur Hauptmeßachse (19) angeordnet sind.

5. Längenmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Meßreflektoren (12) mit ihrer Reflexionsebene durch den Mittelpunkt der Tastkugel (30) verlaufen.

6. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund einer geeigneten Anordnung von Umlenkspiegeln (16,22—24) für die beiderseitigen Meßstrahlenanordnungen (17, 18; 17', 18') lediglich eine Laserlichtquelle (3, 3') vorgesehen ist

7. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: