DE3400151C2 - Einrichtung zur optischen Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung eines Maschinenteiles. Als Geradlinigkeits-Referenz dient ein Laserstrahl, dessen Lage zu Beginn und zu Ende der Meßstrecke kontrolliert wird. Auf dem beweglichen Maschinenteil ist ein passives optisches Element angeordnet, welches den Meßstrahl auf den Anfang der Meßstrecke zurückwirft, wo dessen Lage mit einem Meßdetektor festgestellt werden kann. Verschiedene Abwandlungsformen der Geradheitsmeßeinrichtung befassen sich mit dem Gedanken, zwei der zunächst insgesamt drei Detektoren oder möglichst auch alle drei Detektoren funktionell zu einem einzigen Meßdetektor zusammenzufassen, an dem die verschiedenen Signale zeitlich getaktet abgenommen werden können. Auch eine gleichzeitige Geradheitsmessung und eine interferometrische Entfernungsmessung ist möglich.

Description

a) es ist wenigstens ein umlaufender Blendenkörper (32) im Bereich der vom Intensitätsstrahlteiler (4) ausgehenden Lichtstrahlen (erster Referenzstrahl 10 und Meßstreckenstrahl 11) vorgesehen, der im gegenseitigen Wechsel den in die Meßstrecke (2) einlaufenden — Meßstreckenstrahl (11) - und den dem Meßdetektor (6) bzw. dem Meßstrahlkorridor (12) gegenüberliegenden Strahl — erster Referenzstrahl (10) mit einem Zeitverhältnis der Durchlaßdauer des Meßstreckenstrahles (11) zu dem des erster« Referenzstrahles (10) von zwei zu eins ausblendet;

b) der Faraday-Modulator (17), die Kerr-Zelle oder dergleichen ist von dem umlaufenden Blendenkörper (32) derart triggerbar, daß er (17) in einem Zeitintervall (34), umfassend etwa die halbe Ausblenddauer (54') und die ganze Durchlaßdauer (53') des Meßstreckenstrahles (11), die Polarisationsrichtung des in ihn (17) eintretenden Lichtes auf die Durchlaßrichtung des nachgeschalteten Polarisationsfilters (18} verschwenkt;

c) anstatt des neben dem Intensitätsstrahlteiler (4) angeordneten ersten Referenzdetektors (8) ist im Referenzstrahl (10) hinter dem Blendenkörper (32) ein Tripeirefiektor (22) angeordnet

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf (38) ein frequenzstabilisierter Laserkopf für interferometrische Längenmessungen einschließlich Empfänger des zugehörigen Meß- und Referenzstrahles ist, der gleichachsig zwei Laserstrahlen linear polarisierten Lichtes aussendet, deren Polarisationsrichtungsn senkrecht aufeinander stehen urd daß vor dem Intensitätsstrahlteiler (4) der Geradheitsmessung im Strahlengang ein Polarisationsteiler (44) mit seitlich angebrachtem Referenzstrahlreflektor (45) angeordnet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor dem Strahlteiler (4) der Geradheitsmessung optische Mittel (39 bis 43) zur Korrektur der Strahllage nach Höhen — und Seiteniage und zur Korrektur des Strahlwinkels nach Azimut- und Elevationswinkel angeordnet sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (39,40,43) zur Korrektur der Strahllage nach Höhen- und Seitenlage planparallele Platten (39,40) aus durchsichtigem Material sind, die zu einer Strahl-Querebene um eine Horizontallinie (Höhenkorrektur, Platte 39) bzw. um eine Vertikallinie (Seitenkorrektur, Platte 40) geneigt sind und die in ihrer Neigung (Antrieb 43), in ihrer optisch wirksamen Stärke oder ihrem Brechungsindex veränderbar sind

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (41,42 43) zur Korrektur des Strahlwinkels nach Azimut- bzw. Elevationswinkel horizontal (Azimutkorrektur, Keil 42) bzw. vertikal (Elevationskorrektur, Keil 41) ausgerichtete Keile (42 bzw. 41) aus durchsichtigem Werkstoff sind, deren Keilwinkel zumindest im Bereich des Strahldurchtritts (durch Antrieb 43) oder deren Brechungswinkel veränderbar ist

ίο 14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

13, dadurch gekennzeichnet daß der Tripelreflektor (7) des beweglichen Maschinenteils (1) im wesentlichen durch drei dünne spiegelnde planparallele Platten (46) gebildet ist die nach Art von drei an einer Ecke zusammenstoßenden Flächen eines Würfels angeordnet sind.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Tripelreflektor des beweglichen Maschinenteils im wesentlichen gebildet ist aus einem Tripelprisma (47) und aus einem Hohl-Tripelprisma (48), die zu -dnem im Strahlengang planparallelen Block (49) z^ammengesetzt sind.

16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der teildurchlässige Tripelreflektor (7) de;·, beweglichen Maschinenteils (1) eine teildurchiässige spiegelnde Fläche (52) und zwei vollspiegelnde Flächen (51,50') aufweist

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der teildurchlässige Tripelreflektor (7) des beweglichen Maschinenteils (1) zwei teildurchlässiger spiegelnde Flächen (50,52) und eine vollspiegelnde Fläche (51) aufweist.

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 ETrapet »Ein Beitrag zur Verringerung der Meßunsicherheit von Fluchtungsmeßsystemen auf Laserbasis« als bekannt hervorgeht.

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 xu Beginn der Meßstrecke angeordneten ortsfesten Strahlteiler geleitet wird, dem ein orster Referenzdetektor zugeordnet ist. Der in die Meßs:reckte einlaufende Strahl trifft auf dem beweglichen Maschinenteil auf einen weiteren Strahlte'ler, dem. der Meßdetektor für die Geradheitsmessung zugeordnet ist. Der geradlinig durch den Strahlteiler des beweglichen Maschinenteils hindurchlaufende Strahlteil trifft schließlich am EnHe der Meßstrecke auf einen dritten Detektor, und zwar den zweiten Referenzdetektor. Die insgesamt vier Stellglieder zur Beeinflussung der Strahllage nach Höhen- und Seitenlage und n?ch Azimut- und Elevationslage werden von den beiden Referenzdetektoren angesteuert. Zwar lassen sich mit dieser Einrichtung zur Geradheit messung 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,

34 OO 151

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. Nachteilig im Hinblick auf die Meßunsicherheit dieser Geradheilsmeßeinrichtung 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 Gcradheitsmessung hinein, daß der Strahlteiler auf dem beweglichen Maschinenteil eine planparallele Platte von nicht unbeträchtlicher Stärke darstellt, die Nick-, Gier- und Rollbewegungen ausfuhrt und dementsprechend bei Nick- und Gierbewegungen zu einem Parallelversatz des Referenzstrahles führt. Außerdem führen Nick-, Gier- und Rollbewegungen auch noch zu Ablenkungsfehlern im Strahlteiler und demgemäß zu Fehlmessungen in dem zugeordnetem Meßdetektor.

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 pas-

schlüsse 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 zjrückgeworfen wird. Der Meßdetektor ist seitlich an dem Strahlteiier angebracht und fängt den an ihm seitlich reflektierten Meßstrahl auf. Aufgrund der Verwendung eines Tripelrefiektors am beweglichen Maschinenteil werden in vorteilhafter Weise Nick-, Gier- und Rollbewegungen des Maschinenteiles auf die Strahllage des reflektierten Meßstrahles eliminiert, wogegen Geradheitsabweichungen mit doppeltem Parallelversatz des Meßstrahles gegenüber dem einfallenden Referenzstrahl angezeigt werden. Trotz dieser Vorteile haften aber auch dieser Geradheitsmeßeinrichtung verschiedene Nachteile an. Zum einen sind die lagestabiiisierten Laserköpfe teure Sonderkonstruktionen, deren Anschi ffung 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 voü in das Meßergebrsis der Geradheitsmessung eingeht.

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 Kabclzuführung verwendbar ist.

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 Strahllagekorrektur angebracht werden. In verschiedenen zweckmäßigen Abwandlungsformen kann zumindest einer der Referenzdetektoren funktionell mit dem Meßdetektor zusammengelegt werden, so daß auch eine Kabeizuführung 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.

Verschiedene zweckmäßige Abwandlungs- und Ausgestaltungsformen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung siinand verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Geradheitsmessung mit insgesamt drei Detektoren,
F i g. 2 und 3 zwei weitere gegenüber der Ausführung nach F i g. 1 abgewandelte Ausführungsbeispiele mit nur zwei Detektoren, bei dem am Ende der Meßstrecke ciii ixciiciCtOr ängcurHCiit iSi,

F i g. 4 ein weiteres gegenüber der Ausführung nach F i g. 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem die Funktion des zu Beginn der Meßstrecke angeordneten Referenzdetektors von dem Meßdetektor mit übernommen wird,

F i g. 5 eine Weiterentwicklung dieses Ausführungsbeispieles, bei dem die Funktion beider Referenzdetektoren mit durch den Meßdetektor übernommen wird,

F i g. 6 der zeitliche Verlauf der getakteten Ansteuerung für die beiden im Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 angeordneten Faraday-Modulatoren und der getaktete Signalverlauf an dem einzigen Meßdetektor in dieser Geradheitsmeßeinrichtung,

F i g. 7 eine weitere Abwandlungsform einer Geradheitsmeßeinrichtung mit ebenfalls nur einem einzigen Meßdetektor, trotz beidseitiger Lagekontrolle des Referenzstrahles an beiden Enden der Meßstrecke,
F i g. 8 eine axiale Ansicht auf die in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 7 verwendete umlaufende Blende,

F i g. 9 ein Zeitdiagramm für das Wirksamwerden der umlaufenden Blende für die einzelnen betroffenen Strahlen bzw. für den Faraday-Modulator im Ausführungsbeispiel nach F i g. 7 bzw. für die einzelnen an dem einzigen Meßdetektor abnehmbaren verschiedenen zeitlich getakteten Signale,

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel einer Geradheitsmeßeinrichtung mit drei Detektoren und gleichzeitiger Anwendung einer interferometrischen Längenmessung, Fig. 11 und 12 Stirnansicht (Fig. 11) und Längsschnitt (F i g. 12) auf bzw. durch einen aus entsprechen-

34 OO 151

den Prismen zusammengesetzten Tripelreflektor in teildurchlässiger Ausführung mit nur einer vollspiegelnden Fläche und

Fig. 13 die S'irnansicht auf einen teildurchlässigen Tripelreflektor mit zwei vollspiegelnden Flächen.

Die in den Figuren dargestellten Geradheitsmeßeinrichtungen dienen zur Ermittlung der Geradlinigkeit der Bew^ung 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.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 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 F i g. 10 weiter unten näher erläutert ist. Der gleiche Laserkopf wie im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist auch in denen nach den F i g. 2,3 und 7 benutzt. Zu Beginn der Meßstrecke 2 ist ortsfest im Strahlengang ein Intensitätsstrahlteiler 4 angebracht, dessen teilspiege'.ne 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 Reierenzstrahles 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 Laserstrahles in Höhen- und Seitenrichtung innerhalb eines gewissen Bereiches mit sehr hoher Genauigkeit feststellen und in entsprechende elektrische Signale umwandeln. Der Linearitätsbereich beträgt etwa 50 μ und die Auflösegenauigkeit der Strahliage beträgt mindestens 1 μπι. 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.

Der teildurchlässige Tripelreflektor 7 auf dem beweglichen Maschinenteil ist beim Ausführungsbeispiel nach den F i g. 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 F i g. 1 braucht im übrigen nur eine einzige Fläche 52 des Tripelreflektors — wie in F i g. 13 gezeigt — teilspiegelnd ausgebildetzu werden.

wocetren die hpjrlpn Übrigen 5^η!?^σ£!η0£η Flächen 5!

und 50' 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 Rollbewegun- gen 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 so-

mit nur sehr gering. Etwaige Änderungen in der Plattenneigung oder Plattenorientierung wirken sich dementsprechend auch nur gering auf eine Änderung des Versatzes aus.

Das Reflexionsverhalten der teilspiegelnden Fläche des Tripelreflektors 7 in F i g. 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. 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.

Die in F i g. 2 dargestellte Abwandlung der Geradheitsmeßeinrichtung ersetzt den zweiten Meßdetektor am Ende der Meßstrecke durch einen ortsfest angeordneten vollspiegelnden Tripelreflektor 15 mit davor angeordneter Polarisationswandlerplatte 16, einer sogenannten Lambdaviertel-PIatte, die die Eigenschaft hat, die Polarisationsrichtung deshindurchtretenden Lichtes nach zweimaligem Durchtritt aus entgegengesetzten Richtungen gerade um 90° zu verschwenken. Dadurch ist das aktive optische Element am Ende der Meßstrekke zur Lagekontrolle des Referenzstrahles weggefallen, was vor allen Dingen bei langen Meßstrecken zweckmäßig ist, weil das Verlegen und das Beachten eines Zuführungskabels entbehrlich ist

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: Zu-

34 OO 151

ίο

nächst 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 Meßitrahlkorridor zurückreflektierte Meßstrahl hat die gleiche Polarisationsrichtung wie der vom Polarisationsfilter hindurchgelassene Lichtstrahl, hingegen ist aufgrund der Wirkung der Polarisationswandlerplatte 16 der zweite Referenzstrahi, 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 vcnciriaridcr erfaßt werden. Bsi dgrn m Γ ϊ g. 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 Dürchlaßebene so eingestellt ist, daß jeweils nur eine der beiden ursprünglich unterschiedlich polarisierten Strahlen durchgelassen und der jeweils andere Strahl vollständig ausgeblendet wird.

Beim Betrieb der Geradheitsmeßeinrichtung nach F i g. 2 wird der Faraday-Modulator zeitlich getaktet mit einer Rechteckspannung im Bereich von etwa 100 Hz beaufschlagt, so daE 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 45° 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 F i g. 1.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß der Tripelreflektor 7 nicht nur des Ausführungsbeispiels nach F i g. 2 sondern auch derer nach den F i g. 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 teildurch lässige Tripelreflektor des beweglichen Maschinenteiles 1 höchstens an einer Fläche (Fläche 51 in Fig. 11) vollspiegelnd ausgeführt sein darf, hingegen wenigstens an zwei Flächen 50 und 52 teilspiegelnd sein muß. Und zwar erfährt der zurücklaufende zweite Referenzstrahl — in F i g. 11 durch einen mittigen Punkt gekennzeichnet — durch die Reflexion an dem Tripelreflektor 15 einen solchen Versatz gegenüber dem hinlaufenden durch ein χ im Kreis gekennzeichneten Strahl, daß er bei dem Tripelreflektor 7 in einem anderen Drittelsektor zu liegen kommt, der demgemäß auch teildurchlässig sein muß.

ίο Die F i g. 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 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 eintretende.; Meßstreckenstrahles 11 gleichgerichtet liegende Licht zu dem Meßreflektor 6 reflektiert, wogegen das von dem Tripeireiiekior Ί5 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 F i g. 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. 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.

Während bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 2 und 3 der am Ende der Meßstrecke angeordnete P.eferenzdetektor durch ein passives Element ersetzt wurde, soll beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 der zu Beginn der Meßstrecke angeordnete erste Referenzdetektor durch ein passives optisches Element ersetzt werden. Ähnlich wie bei den zuvor erläuteren 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 90° 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 Denkbar wäre auch eine Anbringung auf dem beweglichen Maschinenteil 1. Diese Polarisationswandlerplatte hat die Aufgabe, das zunächst geradlinig durch den Polarisationsteiler hines durchlaufende und in die Meßstrecke 2 eintretende Licht in der Polarisationsrichtung so abzuwandeln, so daß der zurücklaufende Meßstreckenstrahl 11 an der teilspiegelnden Räche 5' in den Meßstrahlkorridor 12

34 OO

abgelenkt wird. Hierbei wird lediglich der Meßstrah¹ von dem Tripelreflektor 7 des beweglichen Maschinenteils zurü.-ikgeleitet, 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 F i g. 2 mit einer Rechteckspannung ansteuerbar ist, wodurch das vom Laserkopf 23 ausgesendete Licht zeitlich get- ίο aktet um 90° 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 Polarisationswandlernlatte 21 in dem Polarisationszustand um 90° verschwenkt wird und von der teildurchlässigen Schicht 5' geradliiii t 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 90° geschwenkt, so daß der nunmehr austretende Lichtstrahl geradlinig durch den Polarisationsrtrahlteiler 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 Lages^;<»nal für den ersten Referenzstrahl bzw. für den M»»" hl anliegt.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 geht noch einen Schritt weiter und ersevzt auch den zweiten Referenzdetektor am Ende der Meßstrecke durch ein passives optisches Element, gebildet aus einem Tripelreflektor 15 und eine Polarisa'ionswandlerplatte 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. 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 Folarisationszustandes auch nur während eines Drittels der zur Verfügung stehendenZykluszeit 33 nötig. Aus diesem Grund ist das Ansteuersignal 27 in F i g. 6 auf ein Drittel der Zykluszeit beschränkt Die übrige, zwei Dritte' der Zykluszeit umfassende Zeitspanne ist für die beiden anderen Strahllagesignale, nämlich das zweite Referenzsignal 30 und das eigentliche Meßsignal 31 vorbehalten; währ dieser Phase ist ein solcher Polarisationszustand am Faraday-Modulator 20 eingesteuert, bei dem der Lichtstrahl geradlinig durch den Polarisaiionsteilcr 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 F i g. 2 oder dem nach F i g. 3 unterscheidbar. Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Faraday-Modulatoi 25 zur Unterscheidung von Meßstrahl und zweiten Referenzstrah! vorgesehen, der hier jedoch im Bereich des Meßsireckenütrahl 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 wpirhpr der Lichtstrahl in die N4eßstre^kc 2 hineinlauft (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 90° bewirkt werden soll, wogegen durch die beiden Ansteuersignale 26 und 27 am ersten Faraday-Modulator jeweils nur Verschwenkungen um 45°, 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.

Während des ersten Zyklus-Drittels, in dem ausschließlich das; Ansteuersignal 26 für einen geradlinigen Durchlauf des Strahles durch den Polarisationsstrahlteiler 24 am Farnday-Modulator 20 ansteht, kann an dem Meßdetektor i5 ein Signal 30 für die Lage des Referenzstrahles am Ende der Meßnrecke abgenommen werden, weil der Polairisationszustand 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 von) 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^c 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 2υ 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 Meß-

34 OO 151

strecke 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 Größenordnuiig 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 Nullpunktschwankuigen des Meßdetektors 6 sich nicht auf das Meßergebnis auswirken können, da dieses jetzt vollwertig kompensierbar ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 7, welches eine Abwandlung gegenüber dem nach F i g. 5 darstellt, ist eine wechselnde Beaufschlagung der Meßstrecke 2 bzw. des quer dazu liegenden Korridors für den ersten Referenzstrahl 10 mit mechanischen Mitteln gelöst Und zwar ist im Bereich des Strahlteilers eine umlaufende kegelför.TÜge 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 Dritte! des Uinfangs, 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 Einrichtung mit linear polarisiertem Licht, welches durch ein vorgeschaltetes Polarisationsfilter 14 gewonnen wird Bei diesem Ausfühi ungsbeispiel 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 F i g. 2 oder nach F i g. 3 unterschieden werden.

Die Wirkungsweise der Geradheitsmeßeinrichtungen nach Fig. 7 sei im Zusammenhang mit dem Zeitdiagramm nach F i g. 9 erläutert Während einer Umlaufzeit 33 der Blendenscheibe 32 wird in einem ersten, zwei Dritte! der Umlaufzeit umfassenden Intervall 54' das Meßstreckenlicht durchgelassen und das Licht für den ersten Referenzstrahl abgedunkelt wogegen in dem anschließenden Drittel (Zeitinterva?! 53') der Meßstrekkenstrahl 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 getriggert, 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. 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 Meßde tektor 6 ausschließlich ein Signal 37 über die Lage da Meßstrahles ansteht In der dritten Phase eines Blenden Scheibenumlaufes bleibt zwar die Wirkung des Faraday Modulators 17 bestehen, jedoch wird aufgrund der Wirkung der Blendenscheibe vom Meßstreckenstrahl 11 au den Korridor für den ersten Referenzstrahl 10 gewech

ίο seit, so daß während dieses letzten Drittels an dem Meß detektor 6 schließlich ein Signal 35 für die Lage de; Referenzstrahles zu Beginn der Meßstrecke ansteht Selbstverständlich kann die kegelförmige Blendenschei be 32 auch durch ein Paar synchronisiert umlaufende:

ebener Scheiben ersetzt werden. Auch ist es denkbar zusätzlich zur Polarisationswandlerplatte 16 auch eint solche diese dem Tripelreflektor 22 zu Beginn der Meß strecke zuzuordnen, was jedoch eine entsprechend« zeitliche Halbierung des Ansteuersignales bzw. des ent sprechenden Zeitintervalls 34 für den Faraday-Modula tür 17 innerhalb der Foige von Umiaufintervaiien Si erforderlich macht

An dieser Stelle sei der Vollständigkeit halber aucl noch auf eine Möglichkeit zur getakteten Erzeugung eines abwechselnd in der einen und in der anderen un 90° geschwenkten Richtung linear polarisierten Laserlichtstrahles unter Zuhilfenahme einer umlaufender Blendenscheibe hingewiesen; eine solche Einrichtung wäre beim Ausführungsbeispiel einer Geradheitsmeß einrichtung nach F i g. 4 oder nach F i g. 5 sinnvoll. Aus gehend von einem Laserkopf, der gleichzeitig zwei konzentrisch ineinanderliegende Strahlen linear polarisier cen Lichtes erzeugt, deren Polarisationsrichtunger senkrecht aufeinanderstellen, könnten diese mit einerr ersten Polarisationsstrahlteiler und mit einem daneber angeordneten Umlenkspiegel in zwei parallel nebeneinander liegende Strahlen aufgeteilt werden. Im Bereich dieser beiden Strahlen kann eine umlaufende Blenden scheibe angeordnet sein, die abwechselnd den einen unc den anderen Strahl abdunkelt und nur den jeweils anderen durchläßt Im Strahlengang hinter der Blendenschei be können diese beiden Strahlen über einen spiegelbildlich angeordneten weiteren Satz eines Umlenkspiegel: und eines Polarisationsstrahlteilers wieder zu einem konzentrisch liegenden Strahlpaar vereinigt werden der jedoch nur alternativ den einen oder anderen Strahl enthält

F i g. 10 zeigt eine von dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ausgehende abgewandelte Geradheitsmeßein-

so richtung, 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 vorgese hen, der gleichachsig zueinander zwei Laserstrahlen li near polarisierten Lichtes aussendet, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinanderstellen. 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.

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 hin-

34 OO

15

durch in den Empfanger 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.

Nachdem frequenzstabilisierte Laserköpfe für interferometrische Zwecke nur eine relativ geringe Lagestabilität des Strahles haben, ist bei diesen Laserköpfen eine Strahllagekontrolle und eine Strahllagekorrekturbesonders 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 Strahi'iagekorrektur. Die planparallele Platte 40 für die Seitenkorrektur der Strahllage 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 — Änderung 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 Elevaiionsrichtung kann der Laserstrahl durch einen vertikal ausgerichteten Keil 41 verändert werden, dessen Keilwinkel sich progressiv ändert und der ebenfalls mit einem Vcrschicbeantrieb 43 gezielt verschiebbar ist. Durch einen ähnlich gestalteten, jedoch horizontal ausgerichteten Keil 42 kann der Strahl hinsichtlich seines Azimutwinkels korrigiert werden.

Abgesehen von den geschilderten Möglichkeiten kann die Strahllage 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.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
60

65

Claims (8)

34 OO Patentansprüche:

1. Einrichtung zur optischen Messung der Geradlinigkeit einer Bewegung eines durch eine Meßstrekke hindurch bewegbaren Maschinenteiles,

- mit einem zu Beginn der Meßstrecke ortsfest angeordneten Laserkopf, dessen Laserstrahl parallel zur Bewegungsrichtung des Maschinenteüs ausgerichtet ist

- mit einem ebenfalls zu Beginn der Meßstrecke ortsfest angeordneten, vom Laserstrahl durchstrahlten Intensitätsstrahlteiler mit einer geneigten spiegelnden Fläche, die einen aus der ts Meßstrecke in Richtung zum Intensitätsstrahlteiler zurückkommenden Meßstrahl in eine Querrichtung — Meßstrahlkorridor — ablenkt,

— mit einem im Strahlengang des Meßstrahlkorridors »risfest angeordneten, die Auftreffstelle dieses Strahles lagemäßig erfassenden Meßdetektor

— ferner mit einem auf dem bewegten Maschinenteil im Strahlengang angeordneten Tripelreflektor, gekennzeichnet durch die Kombination folgender zum Teil an sich bekannter Merkmale;

a) der Tripelreflektor (7) auf dem bewegten Maschinenteil (1) ist teildurchlässig ausgebildet;

b) zu Beginn der Meßstrecke (2) ist neben dem Intensitätsstrahlteiler (4) — dem Meßstrahlkorridor {12) bzw. dem Meßdetektor (6) gegenüberliegend — ein -die Auftreffstelle eines Strahles lagemäßig erfassender optoelektrischer — erster — Referenzdetektor (8) ortsfest angeordnet;

c) am Ende der Meßstrecke (2) ist ein gleichartiger zweiter Referenzdetektor (9) ortsfest im Strahlengang(ll) angeordnet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Laserkopf ist derart ausgebildet, daß er linear polarisiertes Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung aussendet oder es ist im Strahlengang hinter dem Laserkopf (3) ein entsprechendes Polarisationsfilter (14) angebracht;

b) an der Stelle des am Ende der Meßstrecke (2) angeordneten zweiten Referenzdetektors (9) ist statt dessen ein Tripelreflektor (15) mit vorgeschaiteter Polarisationswandlerplatte (16) ortsfest im Strahlengang (11) angeordnet;

c) neben dem Intensitätsstrahl teiler (4) ist im Strahlengang des Meßstrahlkorridores (12), dessen Meßstrahl die gleiche Polarisationsrichtung wie der vom Laserkopf (3) kommende und in die Meßstrecke (2) eintretende Laserstrahl hat. ortsfest eine Anordnung zur örtlichen oder zeitlichen Trennung des vom ortsfesten Tripelreflektor (15) durch die Meßstrecke (2) zurückgeworfenen und ebenfalls wie der Meßstrahl am Intensitätsstrahlteiler (4) quer abgelenkten jedoch in einer anderen Polarisationsrichtung als der Meßstrahl linear polarisierten Referenzrtrahles vom Meßstrahl angeordnet;

d) den örtlich oder zeitlich getrennten Referenzbzw. Meßstrahlen ist ortsfest ein die Auftreffstelle eines Strahles lagemäßig erfassender optoelektrischer Referenz- bzw. Meßdetektor zugeordnet (6 bzw. 6 und 9).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur — zeitlichen — Trennung der unterschiedlich linear polarisierten Referenz- bzw. Meßstrahlen durch ein im Meßstrahlkorridor (12) angeordnetes mit einer Rechteckspannung beaufschlagbares und die Polarisationsrichtung des durchtretenden Lichtes wechselweise um 90^er hin und her schwenkendes elektro- oder magnetooptisches Element (17) und durch ein diesem Element (17) im Strahlengang (12) nachgeordnetes Polarisationsfilter (18) gebildet ist und daß dem Polarisationsfilter (18) ein einziger für den Referenz- und für den Meßstrahl maßgebender Detektor (6) nachgeordnet ist

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Anordnung zur — örtlichen — Trennung der unterschiedlich linear polarisierten Referenz- bzw. Meßstrahlen durch einen im Meßstrahlkorridor (12) angeordneten Polarisationsteiler (19) gebildet ist dessen beiden austretenden Strahlen jeweils ein separater Referenz- (5) bzw. Meßdetektor (6) zugeordnet ist

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßebene des Polarisationsfilters (18) zwischen den Polarisationsrichtungen des Meß- und des Referenzstrahles liegt

6. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Laserkopf (23) ist derart ausgebildet, daß er linear polarisiertes Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung aussendet, oder es ist im Strahlengang hinter dem Laserkopf ein entsprechendes Polarisaüonsfiltvrf angeordnet;

b) an der Stelle des zu Beginn der Meßstrecke (2) angeordneten ersten Referenzdetektors (8) ist statt dessen ein Tripelreflektor (22) mit vorgeschalteter Polarisationswandlerplatte (21) vorgesehen;

c) an der Stelle des Intensitätsstrahlteilers (4) ist statt dessen ein Polarisationsteiler (24) vorgesehen;

d) in den vom Laserkopf (23) kommenden Strahlengang vor dem Polarisationsteiler (24) ist eine Einrichtung (20) zur wechselweisen sprungartigen Verschwenkung der Polarisationsrichlung in eine den Lichtstrahl durch den Polarisationsteiier (24) geradlinig in die Meßstrecke (2) hindurchlassende bzw. in eine ihn am Polarisationsteiler (24) reflektierende Polarisationsrichtung vorgesehen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verschwenken der Polarisationsrichtung ein elektro- oder magneto-optisches Element (20) ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang hinter dem Polarisationsteiler (24), aber noch vor dem teildurchlässigen Tripelreflektor (7) des beweglichen Maschinenteils (1) eine zeitlich getaktet ansteuerbare Einrichtung (25) zur sprungartigen Verschwenkung der Polarisationsrichtung vorgesehen ist, die nach einem

34 OO 151

zweimaligen Durchtritt eines Lichtstrahles jeweils in verschiedenen Richtungen dessen Polarisationsrichtung insgesamt um 90° verschwenkt und daß anstelle des am Ende der Meßstrecke (2) angeordneten Referenzdetektors (9) ein Tripelreflektor (15) mit vorgeschalteter Polarisationswandlerplatte (16) vorgesehen ist

£■. Einrichtungnach Anspruch S oder 5, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: