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Einrichtung zur optischen Messung der Gerad-
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linigkeit einer Bewegung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur optischen Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung eines durch eine Meßstrecke
hindurch bewegbaren Maschinenteiles, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie
beispielsweise aus der Dissertationsschrift von E.Trapet "Ein Beitrag zur Verringerung
der Meßunsicherheit von Fluchtungsmeßsystemen auf Laserbasis" als bekannt hervorgeht.
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Trapet schildert im Zusammenhang mit Möglichkeiten einer Strahllagekorrektur
unter anderem eine Einrichtung zur Geradheitsmessung, bei dem der von einem lagestabilisierten
Laserkopf ausgehende parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichtete Laserstrahl zunächst
durch einen zu Beginn der Meßstrecke angeordneten ortsfesten Strahlteiler geleitet
wird, dem ein erster Referenzdetektor zugeordnet ist. Der in die Meßstrecke einlaufende
Strahl trifft auf dem beweglichen Maschinenteil auf einen weiteren Strahlteiler,
dem der Meßdetektor für die Geradheitsmessung zugeordnet ist. Der geradlinig durch
den Strahlteiler des beweglichen Maschinenteils hindurchlaufende
Strahlteil
trifft schließlich am Ende der Meßstrecke auf einen dritten Detektor und zwar den
zweiten Referenzdetektor. Die insgesamt vier Stellglieder zur Beeinflussung der
Strahl lage nach Höhen- und Seitenlage und nach Azimut- und Elevationslage werden
von den beiden Referenzdetektoren angesteuert. Zwar lassen sich mit dieser Einrichtung
zur Geradheitsmessung schon zuverlässige Aussagen machen, jedoch hat sie auch Nachteile,
die teils praktischer Art sind oder die Grenzen einer Meßgenauigkeit aufzeigen.
Nachteilig in praktischer Hinsicht ist, daß drei aktive Elemente, nämlich ein Meßdetektor
auf dem beweglichen Maschinenteil und zwei ortsfeste Referenzdetektoren nötig sind.
Dies bedeutet, daß Zuleitungen zu diesen Meßelementen verlegt werden müssen, was
insbesondere bei großen Meßstrecken und bei dem Meßdetektor auf dem beweglichen
Maschinenteil störend ist.
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Nachteilig im Hinblick auf die Meßunsicherheit dieser Geradheitsmeßeinrichtung
ist ferner, daß Nick-, Gier-und Rollbewegungen des Maschinenteiles mit in das Meßergebnis
der Geradheitsmessung eingehen und dieses entsprechend verfälschen. Angestrebt ist
jedoch eine isolierte Aussage über die Geradheitsbewegung, aus der Nick-, Gier-
und Rollbewegungen eliminiert sind. Bei der bekannten Einrichtung kommen diese Bewegungen
dadurch mit in die Geradheitsmessung hinein, daß der Strahlteiler auf dem beweglichen
Maschinenteil eine planparallele Platte von nicht unbeträchtlicher Stärke darstellt,
die Nick-, Gier- und Rollbewegungen ausführt und dementsprechend bei Nick- und Gierbewegungen
zu einem Parallelversatz des Referenzstrahles führt. Außer-
dem
führen Nick-, Gier- und Rollbewegungen auch noch zu Ablenkungsfehlern im Strahlteiler
und demgemäß zu Fehlmessungen in dem zugeordnetem Meßdetektor.
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Ausgehend von der relativ geringen Lagestabilität bis dahin bekannter
Laserköpfe, die aufwendige Zusatzeinrichtungen mechanischer oder optischer Art zur
Lagestabilisierung des Strahles erforderlich machen, schlägt Trapet einen Laser-Richtstrahlerzeuger
mit Zerodurresonator vor, der eine bis dahin unerreichte Lagestabilität des Laserstrahls
erreichen soll. Ausgehend von einer zuverlässigen Lagestabilität des Laserstrahles
schlägt Trapet eine Einrichtung zur Geradheitsmessung vor, die nur noch einen Meßdetektor
für das Geradheitssignal des beweglichen Maschinenteils enthält und die außerdem
auf dem beweglichen Maschinenteil mit einem passiven Element auskommt, welches keine
Leitungsanschlüsse benötigt und somit auch in beengten Verhältnissen ohne weiteres
anwendbar ist. Beispielsweise schlägt Trapet zu Beginn der Meßstrecke lediglich
einen Intensitätsstrahlteiler vor, durch den der lagestabilisierte Laserstrahl geradlinig
in die Meßstrecke einläuft und durch einen auf dem beweglichen Maschinenteil angeordneten
Tripelreflektor wieder zurückgeworfen wird. Der Meßdetektor ist seitlich an dem
Strahlteiler angebracht und fängt den an ihm seitlich reflektierten Meßstrahl auf.
Aufgrund der Verwendung eines Tripelreflektors am beweglichen Maschinenteil werden
in vorteilhafter Weise Nick-, Gier- und Rollbewegungen des Maschinenteiles auf die
Strahllage des reflektierten Meßstrahles eliminiert, wogegen Geradheitsabweichungen
mit doppeltem Parallel-
versatz des Meßstrahles gegenüber dem einfallenden
Referenzstrahl angezeigt werden. Trotz dieser Vorteile haften aber auch dieser Geradheitsmeßeinrichtung
verschiedene Nachteile an. Zum einen sind die lagestabilisierten Laserköpfe teure
Sonderkonstruktionen, deren Anschaffung allein für die Geradheitsmessung kaum lohnend
ist. Darüber hinaus kann trotz-Verwendung eines lagestabilisierten Laserkopfes nicht
auf die Lagekontrolle des Referenzstrahles verzichtet werden, weil praktisch die
Halterung des Laserkopfes bzw. eine Verwindung der Unterlage, insbesondere das Maschinenbett
immer noch eine Unsicherheit hinsichtlich der Lagestabilität des Laserstrahls bringen
kann, die voll in das Meßergebnis der Geradheitsmessung eingeht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsmäßig zugrundegelegte Geradheitsmessung
dahingehend zu verbessern, daß zum einen während der Geradheitsmessung laufend eine
Strahllagekontrolle möglich ist und daß zum anderen zumindest auf dem beweglichen
Maschinenteil ein passives optisches Element ohne Kabelzuführung verwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Aufgrund der Verwendung eines teildurchlässigen Tripelreflektors
am beweglichen Maschinenteil kommen die Vorteile einer Maßverdoppelung von Geradheitsfehlern
und der Vermeidung von Zuführungskabeln zum beweglichen Maschinenteil voll zum Tragen.
Darüber hinaus können jedoch zu Beginn und am Ende der Meßstrecke Referenzdetektoren
zur laufenden Strahllagekontrolle und gegebenenfalls auch zur Strahl-
lagekorrektur
angebracht werden. In verschiedenen zweckmäßigen Abwandlungsformen kann zumindest
einer der Referenzdetektoren funktionell mit dem Meßdetektor zusammengelegt werden,
so daß auch eine Kabelzuführung zu diesem "ersetzten" Referenzdetektor eingespart
werden kann, was nicht nur den meßtechnischen Aufbau erleichtert, sondern auch Meßunterschiede
und Erwärmungsunterschiede innerhalb der Detektoren eliminiert, also die Meßsicherheit
steigert.
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Verschiedene zweckmäßige Abwandlungs- und Ausgestaltungsformen der
Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung
anhand verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend
noch erläutert; dabei zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung
zur Geradheitsmessung mit insgesamt drei Detektoren, Figur 2 und 3 zwei weitere
gegenüber der Ausführung nach Figur 1 abgewandelte Ausführungsbeispiele mit nur
zwei Detektoren, bei dem am Ende der Meßstrecke ein Reflektor angebracht ist, Figur
4 ein weiteres gegenüber der Ausführung nach Figur 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel,
bei dem die Funktion des zu Beginn der Meßstrecke angeordneten Referenzdetektors
von dem Meßdetektor mit übernommen wird,
Figur 5 eine Weiterentwicklung
dieses Ausführungsbeispieles, bei dem die Funktion beider Referenzdetektoren mit
durch den Meßdetektor übernommen wird, Figur 6 der zeitliche Verlauf der getakteten
Ansteuerung für die beiden im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 angeordneten Faraday-Modulatoren
und der getaktete Signalverlauf an dem einzigen Meßdetektor in dieser Geradheitsmeßeinrichtung,
Figur 7 eine weitere Abwandlungsform einer Geradheitsmeßeinrichtung mit ebenfalls
nur einem einzigen Meßdetektor, trotz beidseitiger Lagekontrolle des Referenzstrahles
an beiden Enden der Meßstrecke, Figur 8 eine axiale Ansicht auf die in dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 7 verwendete umlaufende Blende, Figur 9 ein Zeitdiagramm für das Wirksamwerden
der umlaufenden Blende für die einzelnen betroffenen Strahlen bzw. für den Faraday-Modulator
im Ausführungsbeispiel nach Figur 7 bzw.
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für die einzelnen an dem einzigen Meßdetektor abnehmbaren verschiedenen
zeitlich getakteten Signale,
Figur 10 ein Ausführungsbeispiel einer
Geradheitsmeßeinrichtung mit drei Detektoren und gleichzeitiger-Anwendung einer
interferometrischen Längenmessung, Figur 11 und 12 Stirnansicht (Figur 11) und Längsschnitt
(Figur 12) auf bzw. durch einen aus entsprechenden Prismen zusammengesetzten Tripelreflektor
in teildurchlässiger Ausführung mit nur einer vollspiegelnden Fläche und Figur 13
die Stirnansicht auf einen teildurchlässigen Tripelreflektor mit zwei vollspiegelnden
Flächen.
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Die in den Figuren dargestellten Geradheitsmeßeinrichtungen dienen
zur Ermittlung der Geradlinigkeit der Bewegung eines Maschinenteils 1 innerhalb
einer Meßstrecke 2. Wenn auch bei den dargestellten Ausführungsbeispielen für das
bewegliche Maschinenteil 1 eine Unterlage innerhalb der Meßstrecke 2 dargestellt
ist, die auf eine Schlittenführung oder dergleichen schließen läßt,sind die dargestellten
Ausführungsbeispiele auch für Geradlinigkeitsmessungen an nur mittelbar geradlinig
geführten Maschinenteilen, beispielsweise an Meßrobotern oder dergleichen durchführbar.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist ein Laserkopf 3 vorgesehen,
dessen Licht nicht polarisiert zu sein braucht, wenngleich eine Polarisierung seines
Lichtes nicht schädlich für die Messung wäre. Es könnte also ohne
weiteres
ein Laserkopf für interferometrische Messungen benutzt werden, wenngleich bei diesen
relativ kurzbauenden Laserköpfen und in der Strahllage nicht besonders stabil stehenden
Laserköpfen für die vorliegenden Zwecke eine Lagekorrektur angewandt werden sollte,
wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10
weiter unten näher erläutert ist. Der gleiche Laserkopf wie im Ausführungsbeispiel
nach Figur 3 ist auch in denen nach den Figuren 2, 3 und 7 benutzt.
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Zu Beginn der Meßstrecke 2 ist ortsfest im Strahlengang ein Intensitätsstrahlteiler
4 angebracht, dessen teilspiegelne Fläche 5 so geneigt ist, daß lediglich ein aus
der Meßstrecke 2 zurückreflektierter Strahl zu dem seitlich neben dem Intensitätsstrahlteiler
4 angeordneten Meßdetektor 6 reflektiert wird. Auf dem beweglichen Maschinenteil
1 ist als passives Element ein teildurchlässiger Tripelreflektor 7 angeordnet, der
von dem Meßstreckenstrahl 11 einen Teil zu dem Intensitätsstrahlteiler 4 zurück
und über die teilspiegelnden Fläche 5 durch den Meßstrahlkorridor 12 hindurch zu
dem Meßdetektor 6 wirft. Zur Lagekontrolle des Referenzstrahles ist zu Beginn der
Meßstrecke neben dem Intensitätsstrahlteiler 4, dem Meßstrahlkorridor 12 und dem
Meßdetektor 6 gegenüberliegend,ein erster Referenzdetektor 8 angeordnet, dem ein
erster Referenzstrahl 10 über die teilspiegelnde Fläche 5 aus zugeworfen wird. Das
im Meßstreckenlicht 11 enthaltene und vom teildurchlässigen Tripelreflektor 7 geradlinig
durchgelassene Licht gelangt auf einen am Ende der Meßstrecke ortsfest angeordneten
zweiten Referenzdetektor 9. Die Detektoren 6, 8 und 9 können die Lage der Auftreffstelle
des Laser-
strahles in Höhen- und Seitenrichtung innerhalb eines
gewissen Bereiches mit sehr hoher Genauigkeit feststellen und in entsprechende elektrische
Signale umwandeln.
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Der Linearitätsbereich beträgt etwa 50. ßm und die Auflösegenauigkeit
der Strahllage beträgt mindestens 1 ßm.
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Solange der Referenzstrahl innerhalb des.Linearitätsbereiches der
Referenzdetektoren liegt, kann eine Lageabweichung des Referenzstrahles von der
Ausgangslage rechnerisch berücksichtigt werden. Erst wenn der Referenzstrahl aus
dem Linearitätsbereich herausdriftet, muß eine Lagekorrektur des Referenzstrahles
vorgenommen werden.
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Der teildurchlässige Tripelreflektor 7 auf dem beweglichen Maschinenteil
ist beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 5, 7 und 10 aus drei dünnen
planparallelen Platten gebildet, die rechtwinklig nach Art von Würfelflächen aneinandergesetzt
sind. Dadurch erleidet zwar der hindurchtretende Strahl aufgrund der Neigung der
Platte einen gewissen Parallelversatz, was jedoch unschädlich ist, weil dieser Parallelversatz
durch eine entsprechende vorherige Ausrichtung des zweiten Referenzdetektors 9 kompensiert
werden kann. Der Tripelreflektor 7 wird vorteilhafterweise derart in Höhen- und
Drehlage so auf dem Maschinenteil 1 ausgerichtet sein, daß der Lichtstrahl weit
genug vom Plattenrand auf eine Fläche des Tripelreflektors auftrifft. Dadurch ist
gewährleistet, daß trotz einer gewissen Höhen- oder Seitenbewegung des Tripelreflektors
7 aufgrund von Geradheitsabweichungen bei der Bewegung der Lichtstrahl nicht in
den Kanten- oder Eckenbereich des Tripelreflektors fällt und dadurch in unkontrollierbarer
Weise
geschwächt und/oder gestreut wird. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 1 brauchtim übrigen nur eine einzige Fläche 52 desTripelreflektors -
wie in Figur 13 gezeigt - teilspiegelnd ausgebildetzu werden, wogegen die beiden
übrigen spiegelnden Flächen 51 und50' des Tripelreflektors vollspiegelnd ausgeführt
werden können, wodurch die Verluste bei der Reflexion besonders gering gehalten
werden können. Aufgrund der Ausgestaltung des Tripelreflektors aus dünnen planparallelen
Platten gehen Nick-, Gier- und Rollbewegungen nur extrem gering in das Meßergebnis
ein, so daß sie auch bei hohen Genauigkeitsanforderungen vernachlässigbar sind.
Der Seitenversatz des durch den Tripelreflektor hindurchtretenden Strahles ist nämlich
proportional zur Stärke der planparallelen Platten und somit nur sehr gering.
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Etwaige Anderungen in der Plattenneigung oder Plattenorientierung
wirken sich dementsprechend auch nur gering auf eine Änderung des Versatzes aus.
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Das Reflexionsverhalten der teilspiegelnden Fläche des Tripelreflektors
7 in Figur 1 wird zweckmäßigerweise etwa 50 : 50 betragen, weil die beiden unterschiedlichen
Strahlarten, nämlich der Meßstrahl und der zweite Referenzstrahl gleich häufig an
Reflexionen bzw. Strahldurchgängen an diesem Tripelreflektor beteiligt sind.
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Hingegen wird das Reflexionsverhalten des Intensitätsstrahlteilers
4 bzw. seiner teilspiegelnden Fläche 5 ungleichmäßig gewählt werden mit einem günstigeren
Reflexionsverhalten für das Meßstreckenstrahl 11 im Vergleich zu dem des ersten
Referenzstrahles 10. Dadurch kann erreicht werden, daß die Intensitäten an den drei
Detektoren 6, 8 und 9 etwa gleich groß werden.
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Die in Figur 2 dargestellte Abwandlung der Geradheitsmeßeinrichtung
ersetzt den zweiten Meßdetektor am Ende der Meßstrecke durch einen ortsfest angeordneten
vollspiegelnden Tripelreflektor 15 mit davor angeordneter Polarisationswandlerplatte
16leine sogenannten Lambdaviertel-Platte, die die Eigenschaft hat, die Polarisationsrichtung
des hindurchtretenden Lichtes nach zweimaligem Durchtritt aus entgegengesetzten
Richtungen gerade um 90" zu verschwenken. Dadurch ist das aktive optische Element
am Ende der Meßstrecke zur Lagekontrolle des Referenzstrahles weggefallen, was vor
allen Dingen bei langen Meßstrecken zweckmäßig ist, weil das Verlegen und das Beachten
eines Zuführungskabels entbehrlich ist.
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Sowohl der Meßstrahl als auch der zweite Referenzstrahl werden also
durch die Meßstrecke hindurch zum Intensitätsstrahlteiler 4 und von dort auf den
Meßdetektor 6 zurückgeworfen, welch letzterer auch die Funktion des zweiten Referenzdetektors
übernimmt. Um diese beiden unterschiedlichen Strahlarten, nämlich Meßstrahl und
zweiten Referenzstrahl auseinanderhalten zu können, sind bestimmte Maßnahmen getroffen:
Zunächst ist - vom Laserkopf 3 her kommend - im Strahlengang ein Polarisationsfilter
14 vorgesehen; stattdessen hätte auch ein Laserkopf verwendet werden können, der
einen Lichtstrahl linear polarisierten Lichtes mit nur einer einzigen Polarisationsebene
aussendet. Der in den Meß-
strahlkorridor zurückreflektierte Meßstrahl
hat die gleiche Polarisationsrichtung wie der vom Polarisationsfilter hindurchgelassene
Lichtstrahl, hingegen ist aufgrund der Wirkung der Polarisationswandlerplatte 16
der zweite Referenzstrahl, der ebenfalls in den Meßstrahlkorridor 12 abgelenkt wird,
senkrecht zur Polarisationsrichtung des Meßstrahles linear polarisiert. Der Meßstrahl
und der zweite Referenzstrahl sind also im Meßstrahlkorridor 12 oder auch im Meßstreckenlicht
11 aufgrund ihrer unterschiedlichen Polarisationsrichtung voneinander unterscheidbar.
Die beiden Strahlarten können entweder zeitlich oder örtlich voneinander getrennt
werden und ihre Strahllage isoliert voneinander erfaßt werden. Bei dem in Figur
2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Einrichtung zur zeitlichen Trennung
der beiden Strahlen vorgesehen. Und zwar ist ein sogenannter Faraday-Modulator 17
im Meßstrahlkorridor 12 angebracht, der im wesentlichen aus einem bestimmten optischen
Material besteht, welches die Eigenschaft hat, die Polarisationsrichtung des eintretenden
Lichtes in Abhängigkeit von der Stärke eines angeregten Magnetfeldes mehr oder weniger
stark zu verschwenken. Bei ausreichender Dimensionierung und Auswahl des Werkstoffes
für den optischen Teil des Faraday-Modulators und bei Anwendung ausreichend hoher
Magnetfelder läßt sich auch eine Verschwenkung der Polarisationsebene um + 45°,
also insgesamt um 90" bewirken. Im Strahlengang hinter dem Faraday-Modulator ist
ein weiteres Polarisationsfilter 18 angebracht, dessen Durchlaßebene so eingestellt
ist, daß jeweils nur eine der beiden ursprünglich unterschiedlich polarisierten
Strahlen durchgelassen und der jeweils andere Strahl vollständig ausgeblendet wird.
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Beim Betrieb der Geradheitsmeßeinrichtung nach Figur 2 wird der Faraday-Modulator
zeitlich getaktet mit einer Rechteckspannung im Bereich von etwa 100 Hz beaufschlagt,
so daß sich abwechselnd ein in der einen Richtung und anschließend ein in der anderen
Richtung gepoltes Magnetfeld im Faraday-Modulator einstellt. Dadurch wird die Polarisationsrichtung
der im Meßstrahlkorridor 12 enthaltenden Strahlen abwechselnd um 450 nach der einen
und nach der anderen Richtung geschwenkt, so daß abwechselnd die Polarisationsrichtung
eines der beiden Strahlen mit der Durchlaßrichtung des Polarisationsfilters 18 übereinstimmt.
Dieser Lichtstrahl wird jeweils zum Meßdetektor 6 hindurchgelassen und dort die
Strahllage in Höhen- und Seitenrichtung erfaßt. Der Auswertkanal zur Auswertung
der Strahllagesignale muß also entsprechend der zeitlichen Taktung des Faraday-Modulators
ebenfalls zeitlich getaktet werden. Die Erfassung des ersten Referenzstrahles und
dessen Lagesignal erfolgt mittels des ersten Referenzdetektors 8 wie auch beim Ausführungsbeispiel
nach Figur 1.
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An dieser Stelle sei angemerkt, daß der Tripelreflektor 7 nicht nur
des Ausführungsbeispiels nach Figur 2 sondern auch derer nach den Figuren 3, 5 und
7, also all derjenigen Ausführungsbeispiele, in denen am Ende der Meßstrecke 2 ein
passives optisches Element 15/16 angebracht ist, daß also in diesen Fällen der teildurchlässige
Tripelreflektor des beweglichen Maschinenteiles 1 höchstens an einer Fläche (Fläche
51 in Figur 11) vollspiegelnd ausgeführt sein darf, hingegen wenigstens
an
zwei Flächen 50 und 52 teilspiegelnd sein muß. Und zwar erfährt der zurücklaufende
zweite Referenzstrahl - in Figur 11 durch einen mittigen Punkt gekennzeichnet -
durch die Reflexion an dem Tripelreflektor 15 einen solchen Versatz gegenüber dem
hinlaufenden durch ein x im Kreis gekennzeichneten Strahl, daß er bei dem Tripelreflektor
7 in einem anderen Drittelsektor zu liegen kommt,der demgemäß auch teildurchlässig
sein muß.
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Die Figur 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Figur
2, wobei im Meßstrahlkorridor 12 eine Anordnung zur örtlichen Trennung von Meßstrahl
und zweitem Referenzstrahl vorgesehen ist. Diese Einrichtung besteht aus einem Polarisationsteiler
19 mit einer teildurchlässigen Schicht 5', die das mit der Polarisationsebene des
in die Meßstrecke 2 eintretenden Meßstreckenstrahles 11 gleichgerichtet liegende
Licht zu dem Meßreflektor 6 reflektiert, wogegen das von dem Tripelreflektor 15
am Ende der Meßstrecke 2 reflektierte Licht des zweiten Referenzstrahles eine andere
um 90" geschwenkte Polarisationsrichtung aufweist und an der teildurchlässigen Schicht
5' des Polarisationsteilers geradlinig hindurchgelassen wird und zu dem zweiten
Referenzdetektor 9 gelangt. Diese Ausführungsform hat gegenüber der nach Figur 2
den Vorteil, daß die Signale an den einzelnen Detektoren ständig anstehen und eine
zeitliche Taktung nicht nötig ist; außerdem brauchen keine hohen Magnetfelder an
dem Faraday-Modulator angelegt zu werden.
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Nachteilig ist hingegen die Anzahl von insgesamt drei Detektoren,
die in ihrem Meßverhalten und in ihrer Halterung unterschiedliche Veränderungen
während einer Messung erfahren können, wodurch das Meßergebnis verfälscht werden
könnte.
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Während bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2 und 3 der
am Ende der Meßstrecke angeordnete Referenzdetektor durch ein passives Element ersetzt
wurde, soll beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 der zu Beginn der Meßstrecke angeordnete
erste Referenzdetektor durch ein passives optisches Element ersetzt werden. Ähnlich
wie bei den zuvor erläuterten Einrichtungen ist auch hier der wegfallende Referenzdetektor
ersetzt durch einen Tripelreflektor 22 und eine vorgeschaltete Polarisationswandlerplatte
21, die die Polarisationsrichtung-nach-zweimaligem Durchtritt in entgegengesetzten
Richtungen um 900 verschwenkt. Auch für diese Geradheitsmeßeinrichtung ist linear
polarisiertes Licht erforderlich, wofür bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
von vornherein ein Laserkopf 23 verwendet ist, der bereits linear polarisiertes
Licht aussendet. Zweckmäßigerweise ist die Polarisationsebene so gewählt, daß sie
unter 45" zur Hauptrichtung der Strahlteiler liegt. Für die Geradheitsmessung ist
dieses Mal ein Polarisationsteiler 24 vorgesehen, mit einer teildurchlässigen von
der Polarisationsrichtung abhängig reflektierenden Fläche 5'. Für den Meßstreckenstrahl
ist im Bereich vor dem Tripelreflektor 7 des beweglichen Maschinenteils eine weitere
Polarisationswandlerplatte 13 angebracht, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ortsfest in unmittelbarer Nachbarschaft zum Polarisationsteiler 24 gehaltert ist.
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Denkbar wäre auch eine Anbringung auf dem beweglichen Maschinenteil
1. Diese Polarisationswandlerplatte hat die Aufgabe, das zunächst geradlinig durch
den Polarisationsteiler hindurchlaufende und in die Meßstrecke 2 eintretende Licht
in der Polarisationsrichtung so abzuwandeln, so daß der zurücklaufende Meßstreckenstrahl
11 an der teilspiegelnden Fläche 5' in den Meßstrahlkorri-
dor
12 abgelenkt wird. Hierbei wird lediglich der Meßstrahl von dem Tripelreflektor
7 des beweglichen Maschinenteils zurückgeleitet, wogegen die Lage des Referenzstrahles
am Meßstreckenende durch den zweiten Referenzdetektor 9 festgestellt wird. Zwischen
dem Laserkopf 23 und dem Polarisationsteiler 24 ist ein Faraday-Modulator 20 angebracht,
der ähnlich wie der Faraday-Modulator 17 in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2
mit einer Rechteckspannung ansteuerbar ist, wodurch das vom Laserkopf 23 ausgesendete
Licht zeitlich getaktet um 900 unterschiedlich linear polarisierte Zustände einnimmt.
Mit dem Faraday-Modulator 20 kann in kurzen Zeitintervallen abwechselnd zunächst
eine solche Polarisationsrichtung im austretenden Licht eingesteuert werden, so
daß es an der teildurchlässigen Schicht 5' zu dem Tripelreflektor 22 reflektiert
und von diesem wieder zurückgeworfen wird, wobei es aufgrund des zweimaligen Durchtritts
durch die Polarisationswandlerplatte 21 in dem Polarisationszustand um 90" verschwenkt
wird und von der teildurchlässigen Schicht 5' geradlinig zu dem Meßdetektor 6 hindurchgelassen
wird. Während dieses Zeitintervalls wird also die Lage des ersten Referenzstrahles
10 festgehalten. In einem dann anschließenden Zeitintervall wird ein entgegengesetztes
Magnetfeld am Faraday-Modulator 20 eingesteuert und die Polarisationsrichtung um
900 geschwenkt, so daß der nunmehr austretende Lichtstrahl geradlinig durch den
Polarisationsstrahlteiler hindurch und in die Meßstrecke hinein verläuft. Der vom
Tripelreflektor 7 des beweglichen Maschinenteils zurückgeworfene Meßstreckenstrahl
11 wird an der Polarisationswandlerplatte 13 ebenfalls derart gewandelt,
daß
es nunmehr an der teildurchlässigen Schicht 5' in den Meßstrahlkorridor 12 reflektiert
wird und ebenfalls auf den Meßdetektor gelangt. Während dieses Zeitintervalles wird
also die Lage des Meßstrahles festgestellt. In Wechsel mit der Rechteckspannung
zur Ansteuerung des Faraday-Modulators 20 muß also auch das Signal an dem Meßdetektor
6 ausgewertet werden, an dem im entsprechenden zeitlichen Wechsel ein Lagesignal
für den ersten Referenzstrahl bzw. für den Meßstrahl anliegt.
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Das Ausführungsbeispiel nach Figur 5 geht noch einen Schritt weiter
und ersetzt auch den zweiten Referenzdetektor am Ende der Meßstrecke durch ein passives
optisches Element, gebildet aus einem Tripelreflektor 15 und eine Polarisationswandlerplatte
16. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden sämtliche Strahllagesignale im zeitlichen
Wechsel von dem einzigen Detektor, dem Meßdetektor 6 festgestellt. Um dies zu ermöglichen,
ist anstelle der Polarisationswandlerplatte 13 ein weiterer Faraday-Modulator 25
im Meßstreckenstrahl 11 angebracht.
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Die beiden Faraday-Modulatoren sind zeitlich- unterschiedlich und
auch mit unterschiedlichen Signalen getaktet. Nachdem eine Umlenkung des ausgesendeten
Lichtes zu dem anstelle des ersten Referenzdetektors vorgesehenen Tripelreflektor
22 nur für eine einzige von insgesamt drei Strahllagebestimmungen nötig ist, ist
die Einsteuerung eines entsprechenden Polarisationszustandes auch nur während eines
Drittels der zur Verfügung stenendenZykluszeit 33 nötig. Aus diesem Grund ist das
Ansteuersignal 27 in Figur 6 auf ein Drittel der Zykluszeit beschränkt. Die übrige,
zwei Drittel der Zykluszeit umfassende Zeitspanne ist für die beiden anderen Strahllagesignale,
nämlich das zweite Referenz-
signal 30 und das eigentliche Meßsignal
31 vorbehalten; während dieser Phase ist ein solcher Polarisationszustand am Faraday-Modulator
20 eingesteuert, bei dem der Lichtstrahl geradlinig durch den Polarisationsteiler
24 hindurch und in die Meßstrecke hineinverläuft. Aufgrund der Polarisationswandlerplatte
am Ende der Meßstrecke unterscheiden sich der eigentliche Meßstrahl und der zweite
Referenzstrahl durch ihren Polarisationszustand; sie sind daher durch Einrichtungen
wie mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 oder dem nach Figur 3 unterscheidbar.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Faraday-Modulator 25
zur Unterscheidung von Meßstrahl und zweiten Referenzstrahl vorgesehen, der hier
jedoch im Bereich des Meßstreckenstrahl 11 vorgesehen ist. Dieser Faraday-Modulator
hätte auch im Bereich des Meßstrahlkorridors 12 angeordnet sein können. In zeitlicher
Hinsicht ist der zweite Faraday-Modulator 25 lediglich in einem Drittel der insgesamt
zur Verfügung stehenden Zykluszeit angesteuert (Ansteuersignal 28), wobei dieses
Drittel auf eines der beiden Drittel beschränkt ist, während welcher der Lichtstrahl
in die Meßstrecke 2 hineinläuft (Ansteuersignal 26). Die Ansteuerungsstärke des
zweiten Faraday-Modulators 25 entspricht ebenfalls der des ersten Faraday-Modulators
20, obwohl hier eine Verschwenkung der Polarisationsebene um insgesamt 900 bewirkt
werden soll, wogegen durch die beiden Ansteuersignale 26 und 27 am ersten Faraday-Modulator
jeweils nur Verschwenkungen um 450, wenn auch in entgegengesetzter Richtung bewirkt
werden. Gleichwohl ist die hier erwähnte Ansteuerung für den zweiten Faraday-Modulator
25 ausreichend, weil
nämlich der Strahl zwei mal und in unterschiedlichen
Richtungen durch den Faraday-Modulator 25 hindurchläuft, so daß insgesamt trotzdem
eine Verschwenkung der Polarisationsebene von 90" herbeigeführt wird.
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Während des ersten Zyklus-Drittels, in dem ausschließlich das Ansteuersignal
26 für einen geradlinigen Durchlauf des Strahles durch den Polarisationsstrahlteiler
24 am Faraday-Modulator 20 ansteht, kann an dem Meßdetektor 6 ein Signal 30 für
die Lage des Referenzstrahles am Ende der Meßstrecke abgenommen werden, weil der
Polarisationszustand auch ohne Ansteuerung des zweiten Faraday-Modulators 25 aufgrund
der Wirkung der Polarisationswandlerplatte 16 so abgeändert ist, daß der zurücklaufende
Strahl an der teildurchlässigen Schicht 5' in den Meßstrahlkorridor 12 reflektiert
wird. Das vom Tripelreflektor 7 während dieser Phase zurückgeworfene Meßlicht läuft
geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler 24 hindurch und gelangt nicht auf
den Meßdetektor 6. Wird - im zweiten Drittel des Zyklus, Ansteuersignal 28 - zusätzlich
auch der zweite Faraday-Modulator 25 angesteuert, so wird die Polarisationsrichtung
des aus der Meßstrecke zurückgeworfenen Lichtes insgesamt um 90" geschwenkt, so
daß nunmehr das vom Tripelreflektor 15 zurückgeworfene Licht geradlinig durch den
Polarisationsstrahlteiler hindurchläuft und lediglich das vom Tripelreflektor 7
reflektierte Licht in den Meßstrahlkorridor 12 abgelenkt wird. An dem Meßdetektor
6 steht während dieser Zeitspanne lediglich ein Signal 31 für die Lage des Meßstrahles
an. In dem letzten Drittel des Zyklus steht ausschließlich am ersten Faraday-Modulator
20 ein entsprechendes Steuersignal 27, und zwar in entgegengesetzter Wirkrichtung
an, so daß kein Licht in die Meßstrecke, sondern
nur zu dem Tripelreflektor
22 zu Beginn der Meßstrecke gelangt, welches aufgrund der Wirkung der Polarisationswandlerplatte
21 geradlinig zu dem Meßdetektor 6 zurückgeworfen wird; während dieses Drittels
steht an dem Meßdetektor ein Signal 29 für die Lage des Referenzstrahles zu Beginn
der Meßstrecke an. Diese Ansteuerung der beiden Faraday-Modulatoren und die getaktete
Auswertung der Signale an dem Meßdetektor 6 kann sich periodisch mit einer Frequenz
in der Größenordnung von etwa 50 bis 100 Hz wiederholen, so daß man laufend alle
drei Signale von einem einzigen Meßdetektor erhalten kann. Dies hat den Vorteil,
daß Lageveränderungen oder Nullpunktschwankungen des Meßdetektors 6 sich nicht auf
das Meßergebnis auswirken können, da dieses jetzt vollwertig kompensierbar ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 7, welches eine Abwandlung
gegenüber dem nach Figur 5 darstellt, ist eine wechselnde Beaufschlagung der Meßstrecke
2 bzw.
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des quer dazu liegenden Korridors für den ersten Referenzstrahl 10
mit mechanischen Mitteln gelöst. Und zwar ist im Bereich des Strahlteilers eine
umlaufende kegelförmige Blendenscheibe 32 vorgesehen, die auf unterschiedlichen
Radialpositionen zwei verschiedene Durchlaßöffnungen 53 bzw. 54 enthält. Die dem
ersten Referenzstrahl 10 zugeordnete Durchlaßöffnung 53 umfaßt lediglich ein Drittel
des Umfangs, wogegen die dem Meßstreckenstrahl 11 zugeordnete Durchlaßöffnung 54
zwei Drittel umfaßt, nachdem aus dieser Strecke zwei von drei Signalen gewonnen
werden sollen. Der Strahlteiler ist in diesem Fall ein Intensitätsstrahlteiler 4,
gleichwohl arbeitet diese Ein-
richtung mit linear polarisiertem
Licht, welches durch ein vorgeschaltetes Polarisationsfilter 14 gewonnen wird.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist dem dem ersten Referenzstrahl 10
zugeordneten Tripelreflektor 22 keine Polarisationswandlerplatte vorgeschaltet,
so daß die Polarisationsrichtung des ersten Referenzstrahles mit der des Meßstrahles,
der von dem Tripelreflektor 7 des Maschinenteils zurückgeworfen wird, übereinstimmt.
Aufgrund der Polarisationswandlerplatte 16 am Ende der Meßstrecke unterscheidet
sich der zweite Referenzstrahl durch die Polarisationsrichtung von dem Meßstrahl.
Diese beiden Strahlen können also durch die bereits oben geschilderte Anordnung
nach Figur 2 oder nach Figur 3 unterschieden werden.
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Die Wirkungsweise der Geradheitsmeßeinrichtungen nach Figur 7 sei
im Zusammenhang mit dem Zeitdiagramm nach Figur 9 erläutert. Während einer Umlaufzeit
33 der Blendenscheibe 32 wird in einem ersten, zwei Drittel der Umlaufzeit umfassenden
Intervall 54' das Meßstreckenlicht durchgelassen und das Licht für den ersten Referenzstrahl
abgedunkelt, wogegen in dem anschließenden Drittel (Zeitintervall 53') der Meßstreckenstrahl
abgedunkelt wird und nur der Strahlengang für den ersten Referenzstrahl freigegeben
wird. Der im Meßstrahlkorridor 12 angeordnete Faraday-Modulator 17 ist von der umlaufenden
Blende derart getriglgert, daß er in einem Zeitintervall 34, umfassend etwa die
halbe Ausblenddauer 54' und die ganze Durchlaßdauer 53' des Meßstreckenlichtes,
die Polarisationsrichtung des in ihn eintretenden Lichtes auf die Durchlaßrichtung
des nachgeschalteten Polarisationsfilters 18 verschwenkt. Während des übrigen Drittels
der Umlaufzeit der Blendenscheibe ist der Faraday-Modulator 17
nicht
angesteuert, so daß während dieses Intervalls der Meßstreckenstrahl unbeeinflußt
durch ihn hindurchtritt.
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Während dieses ersten Drittels innerhalb einer Umlaufzeit steht an
dem Meßdetektor 6 ausschließlich ein Signal 36 für die Lage des Referenzstrahls
am Ende der Meßstrecke an. Aufgrund der Verschwenkung der Polarisationsrichtung
des Meßstreckenlichtes durch den Faraday-Modulator wird das Licht vom Tripelreflektor
15 am Ende der Meßstrecke durch den Polarisationsfilter 18 ausgeblendet und nur
noch das Licht des Tripelreflektors 7 auf dem beweglichen Maschinenteil durchgelassen,
so daß während des zweiten Drittels am Meßdetektor 6 ausschließlich ein Signal 37
über die Lage des Meßstrahles ansteht. In der dritten Phase eines Blendenscheibenumlaufes
bleibt zwar die Wirkung des Faraday-Modulators 17 bestehen, jedoch wird aufgrund
der Wirkung der Blendenscheibe vom Meßstreckenstrahl 11 auf den Korridor für den
ersten Referenzstrahl 10 gewechselt, so daß während dieses letzten Drittels an dem
Meßdetektor 6 schließlich ein Signal 35 für die Lage des Referenzstrahles zu Beginn
der Meßstrecke ansteht. Selbstverständlich kann die kegelförmige Blendenscheibe
32 auch durch ein Paar synchronisiert umlaufender ebener Scheiben ersetzt werden.
Auch ist es denkbar, zusätzlich zur Polarisationswandlerplatte 16 auch eine solche
diese dem Tripelreflektor 22 zu Beginn der Meßstrecke zuzuordnen, was jedoch eine
entsprechende zeitliche Halbierung des Ansteuersignales bzw. des entsprechenden
Zeitintervalls 34 für den Faraday-Modulator 17 innerhalb der Folge von Umlaufintervallen
33 erforderlich macht.
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An dieser Stelle sei der Vollständigkeit halber auch noch auf eine
Möglichkeit zur getakteten Erzeugung eines ab-
wechselnd in der
einen und in der anderen um 90" geschwenkten Richtung linear polarisierten Laserlichtstrahles
unter Zuhilfenahme einer umlaufenden Blendenscheibe hingewiesen; eine solche Einrichtung
wäre beim Ausführungsbeispiel einer Geradheitsmeßeinrichtung nach Figur 4 oder nach
Figur 5 sinnvoll. Ausgehend von einem Laserkopf, der gleichzeitig zwei konzentrisch
ineinanderliegende Strahlen linear polarisierten Lichtes erzeugt, deren Polarisationsrichtungen
senkrecht aufeinanderstehen, könnten diese mit einem ersten Polarisationsstrahlteiler
und mit einem daneben angeordneten Umlenkspiegel in zwei parallel nebeneinander
liegende Strahlen aufgeteilt werden. Im Bereich dieser beiden Strahlen kann eine
umlaufende Blendenscheibe angeordnet sein, die abwechselnd den einen und den anderen
Strahl abdunkelt und nur den jeweils anderen durchläßt. Im Strahlengang hinter der
Blendenscheibe können diese beiden Strahlen über einen spiegelbildlich angeordneten
weiteren Satz eines Umlenkspiegels und eines Polarisationsstrahlteilers wieder zu
einem konzentrisch liegenden Strahlpaar vereinigt werden, der jedoch nur alternativ
den einen oder anderen Strahl enthält.
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Figur 10 zeigt eine von dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ausgehende
abgewandelte Geradheitsmeßeinrichtung, die mit einer interferometrischen Längenmeßeinrichtung
kombiniert ist. Und zwar ist dort ein frequenzstabilisierter Laserkopf 38 für interferometrische
Längenmessungen einschließlich Empfänger für den Meß- und Referenzstrahl der Längenmessung
vorgesehen, der gleichachsig zueinander zwei Laserstrahlen linear polarisierten
Lich-
tes aussendet, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinanderstehen.
Im Strahlengang vor dem Intensitätsstrahlteiler 4 der Geradheitsmeßeinrichtung ist
ein Polarisationsstrahlteiler 44 für die Interferometeranordnung mit seitlich daran
angebrachtem Referenzstrahlreflektor 45 angebracht, welch letzterer ebenfalls als
Tripelreflektor ausgebildet ist.
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Der Strahlteiler 4 der Geradheitsmeßeinrichtung ist in diesem Fall
ein Intensitätsstrahlteiler, so daß der Meßstrahl, der von dem Tripelreflektor 7
des beweglichen Maschinenteils 1 zurückgeworfen wird, zum Teil geradlinig durch
die beiden Strahlteiler 4 und 44 hindurch in den Empfänger des Laserkopfes 38 zurückläuft.
Dadurch kommt es zu einer Interferenzbildung mit dem Referenzstrahl der Interferometereinrichtung,
so daß gleichzeitig auch der Verschiebeweg des Maschinenteiles 1 interferometrisch
erfaßt werden kann.
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Nachdem frequenzstabilisierte Laserköpfe für interferometrische Zwecke
nur eine relativ geringe Lagestabilität des Strahles haben, ist bei diesen Laserköpfen
eine Strahllagekontrolle und eine Strahllagekorrektur besonders wichtig, weshalb
sie ebenfalls bei diesem Ausführungsbeispiel mit dargestellt ist. Und zwar erfolgt
die Höhenkorrektur und die Seitenkorrektur- der Strahllage über planparallele Platten
39 und 40 und die Elevations-und die Azimutkorrektur der Strahllage über durchsichtige
Keile 41 und 42. Die planparallele Platte 39 für die Korrektur der Höhenlage des
Strahles ist über eine horizontale Achse schwenkbar und die Neigung ist über einen
Verschiebeantrieb 43 verstellbar. Dieser kann von einem die Strahllagesignale verarbeitenden
Rechner angesteuert werden, ebenso wie die entsprechenden Verschiebeantriebe 43
der anderen optischen Elemente zur Strahllagekorrektur. Die
planparallele
Platte 40 für die Seitenkorrektur der Strahl lage ist über eine vertikale Achse
schwenkbar und ebenfalls servomotorisch in der Neigung veränderbar. Anstelle von
neigungsveränderbaren planparallelen Platten ist es auch denkbar, ein solches optisches
Material für die planparallelen Platten auszusuchen, deren Brechnungsindex-Anderung
durch Anlegen von elektrischen Feldern - Kerr-Effekt - oder durch Anlegen von Magnetfeldern
eine Korrektur der Strahllage ermöglicht. Die gleichen Überlegungen gelten im übrigen
auch für die Keile zur Winkelkorrektur des Laserstrahles. In Elevationsrichtung
kann der Laserstrahl durch einen vertikal ausgerichteten Keil 41 verändert werden,dessen
Keilwinkel sich progressiv ändert und der ebenfalls mit einem Verschiebeantrieb
43 gezielt verschiebbar ist. Durch einen ähnlich gestalteten, jedoch horizontal
ausgerichteten Keil 42 kann der Strahl hinsichtlich seines Azimutwinkels korrigiert
werden.
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Abgesehen von den geschilderten Möglichkeiten kann die Strahl lage
auch noch durch eine aus planparallelen Platten begrenzte durchsichtige Wanne, die
mit einer durchsichtigen Flüssigkeit gefüllt ist und von der wenigstens eine der
Seitenwände beweglich aufgehängt ist, korrigiert werden. Und zwar kann jedes der
optischen Elemente 39, 40, 41 oder 42 durch eine solche optische Wanne nachgebildet
werden, es können aber auch zwei oder auch alle optische Elemente zu einer einheitlichen
derartigen Wanne zusammengefaßt werden, wobei die bewegliche Seitenwand der Wanne
an ihren vier Ecken mit einem jeweils gesonderten Verschiebeantrieb versehen und
in allen möglichen räumlichen Richtungen verstellt werden
kann,
so daß sämtliche Kombinationen von Höhen-, Seiten-, Elevations- und Azimutveränderungen
des hindurchlaufenden Strahles möglich sind.
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