DE3419024A1 - Laserinterferometrisches winkelmessgeraet - Google Patents

Description

• Laserinterferometrisches Winkelmeßgerät
• Die Erfindung betrifft ein laserinterferometrisches Winkelmeßgerät nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus den Mitteilungen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt 1982, Seiten 393 - 397 als bekannt hervorgeht.
• Bei dem bekannten Winkelmeßgerät steht der Laserkopf quer zur Meßstrecke und der Polarisationsstrahlteiler und der Umlenkspiegel sind hintereinander im Abstand der beiden Meßstrahlkorridore angeordnet. Die beiden Strahlanteile werden durch den Polarisationsstrahlteiler bzw.
• den hinter ihm angeordneten Umlenkspiegel unmittelbar in die Meßstrecke abgelenkt. Nachteilig daran ist, daß die beiden Strahlanteile nach ihrer Trennung durch den Polarisationsstrahlteiler einen ungleichmäßigen Verlauf, insbesondere eine ungleich lange Laufstrecke bis zu ihrer Interferenzbildung haben. Der am Polarisationsstrahlteiler geradlinig hindurchlaufende Strahlanteil durchläuft die Abstandsstrecke zwischen den beiden Strahlkorridoren beim Hinweg und beim Rückweg jeweils einmal und ist somit um die doppelte Länge dieses Abstandsmaßes länger als der andere Strahlanteil. Aufgrund von Veränderungen innerhalb dieser Strecke während der Messung können dadurch Winkelveränderungen vorgetäuscht werden, die am Sinus lineal in Wirklichkeit gar nicht auftreten.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausgestaltung des gattungsmäßig zugrunde gelegten Winkelmeßgerätes anzugeben, die trotz derartiger möglicher Veränderungen innerhalb der Strahlteilung und in dem unmittelbar angrenzenden Bereich eine höhere Meßgenauigkeit als mit dem bekannten Winkelmeßgerät erwarten läßt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Durch diese Merkmale wird den beiden Strahlanteilen ein spiegelbildlicher Verlauf, insbesondere aber ein für beide Strahlanteile gleich langer Verlauf gegeben, so daß etwaige Veränderungen innerhalb der Strahlteilung in dem Bereich unmittelbar dahinter sich für beide Strahlanteile gleichmäßig auswirkt. Dadurch werden keine Winkelveränderungen am Sinuslineal vorgetäuscht.
• Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen: Figur 1 eine Schrägansicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Einzelkomponenten für die Strahltrennung bzw. -umlenkung (Strahltrennung nach rechts) und Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel in schematischer Grundrißdarstellung mit baulich integriertem Polarisationsstrahlteiler bzw. entsprechenden Umlenkprismen (Strahltrennung nach links) Durch die in Figur 1 gezeigte Meßanordnung soll ein Meßobjekt 9, beispielsweise ein Teilkopf laserinterferometrisch vermessen werden. Zu diesem Zweck ist auf seiner Oberseite ein Sinuslineal 10 befestigt, welches in definiertem Abstand im Bereich der beiden Enden des Sinuslineales jeweils einen Tripelreflektor 11 bzw. 12 enthält, wobei die Öffnung der Tripelreflektoren bzw. deren Normale in eine Horizontalebene weisen. Die Abstandsangabe a bezieht sich auf den Abstand der beiden zentralsymmetrischen Punkte der beiden Tripelreflektoren. Vor dem Meßobjekt ist eine Laserinterferometer-Anordnung aufgebaut. Diese enthält einen Laserkopf 1, der Laserlichtstrahlen mit 2 Strahlanteilen unterschiedlichen Polarisationszustandes aussendet. Die Mittelachse 6 des Laserkopfes liegt mittig zwischen den beiden Tripelreflektoren 11 und 12 und auf gleicher Höhe wie diese.
• Im Strahlengang hinter dem Laserkopf ist zunächst ein Polarisationsstrahlteiler 2 angebracht, in dem der vom Laserkopf ausgesendete Laserstrahl in seine beiden Strahlanteile 4 und 5 zerlegt wird, wobei der eine Strahlanteil 5 geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler 2 hindurchtritt, wogegen der andere Strahlanteil 4 abgelenkt wird, wobei die Ablenkung beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 nach rechts erfolgt.
• Unmittelbar hinter dem Polarisationsstrahlteiler 2 ist in einem wurfelförmigen Baustein der erste Umlenkspiegel 3 angeordnet, der den geradlinigen Strahlanteil 5 ebenfalls ablenkt, so daß die beiden Strahlanteile zueinander in entgegengesetzter Richtung, wenn auch mit einem gewissen Versatz, verlaufen. Spiegelbildlich zueinander ist jedem der beiden Strahlanteile jeweils ein Umlenkspiegel 15 bzw. 15' zugeordnet, der die beiden Strahlanteile in die Meßstrahlkorridore 23 bzw. 24 zu den entsprechenden Tripelreflektoren 11 bzw. 12 umlenkt.
• Die bisher beschriebenen Bauteile der Strahltrennung bzw. -umlenkung, nämlich der Polarisationsstrahlteiler 2, der erste Umlenkspiegel 3 und die beiden weiteren Umlenkspiegel 15 bzw. 15' sind auf einer gemeinsamen Basisplatte 16 angeordnet, um ihre gegenseitige Lage besonders sicher und starr gewährleisten zu können. Der Abstand der beiden weiteren Umlenkspiegel 15 bzw. 15' voneinander (Maß b) stimmt möglichst gut mit dem Abstandsmaß a der beiden Tripelreflektoren 11 bzw. 12 auf dem Sinuslineal überein. Im übrigen sind die beiden Umlenkspiegel 15 bzw. 15' jeweils gleich weit von der Mittelachse 6 des Laserkopfes entfernt (Maß b/2), so daß die beiden Meßstrahlkorridore bzw. ihre Mittelachsen 7 und 8 symmetrisch zur Mittelachse des Laserkopfes liegen. Zwar läßt sich für einen geneigten Umlenkspiegel ein unter 45" gemessener Abstand schlecht messen, deswegen sei erwähnt, daß der senkrechte Abstand zwischen zwei korrespondierenden spiegelnden Flächen für die Z-förmige Strahlumlenkung so eingestellt ist, daß sich der Wert d= a/çT = 0,354.a ergibt (vgl. auch Fig. 2).
• Jeder Meßstrahlkorridor 23 bzw. 24 enthält einen vorlaufenden Meßstrahl 13 und einen parallel versetzt zurücklaufenden Strahl 14, wobei sich der Strahlversatz durch die Reflektion im Tripelreflektor 11 bzw. 12 ergibt. Der Strahlversatz zwischen dem ausgesendeten und dem zurücklaufenden Lichtstrahl ist erforderlich, weil am Laserkopf der Empfänger für die Interferenzbildung gegenüber der Lichtaustrittstelle ebenfalls einen Versatz hat. Die oben erwähnten Mittelachsen 7 bzw. 8 der Meßstrahlkorridore liegen mittig zwischen diesen beiden vor- bzw. zurücklaufenden Strahlen 13 bzw. 14. Temperaturbedingte Abstandsveränderungen der Umlenkspiegel 15 bzw. 15' gegenüber dem Polarisationsstrahlteiler sind in der Regel untereinander gleich groß, so daß die dadurch bedingten Vergrößerungen oder Verkleinerungen der Strahllauflänge sich für beide Strahlkorridore gleichmäßig auswirkt.
• Entsprechendes gilt auch für Temperaturveränderungen innerhalb der Luft, die sich ebenfalls für beide Strahlkorridore gleichmäßig auswirkt. Eine Verbreiterung des Abstandes b der beiden Meßstrahlkorridore bleibt für die Meßgenauigkeit ohnehin belanglos. Temperaturveränderungen im Bereich der Basisplatte 16 haben daher auf die Meßgenauigkeit keinen oder nur einen vernachläßigbaren Einfluß. Aus diesem Grunde kann ohne Gefahr für die Meßgenauigkeit die Basis für die Winkelmessung, nämlich der Abstand a der Tripelreflektoren bzw. b der Umlenkspiegel 15 und 15' verbreitert werden, wodurch die Auflösegenauigkeit der Winkelmessung gesteigert wird.
• Beispielsweise kann ein Abstandsmaß a von 206,27 mm für die Tripelreflektoren ohne weiteres zugelassen werden.
• Bei diesem Abstand entspricht im Bereich kleiner Winkel ein Mikrometer Strahllängenunterschied einem Winkel von einer Winkelsekunde. Auch Abstandsmaße von 412,54 mm können ohne weiteres zugelassen werden, ohne daß sich im Bereich der Basisplatte temperaturbedingt unzulässig große Fehlerquellen ergeben würden.
• Die Einflüsse wechselnder Lufttemperatur auf die beiden Strahlanteile im Bereich der Basisplatte können vermieden werden durch eine Anordnung nach Figur 2, bei denen für die Strahltrennung und -umlenkung 2 zu einer Baueinheit integrierte Umlenkprismen 17 und 18 vorgesehen sind, so daß im Bereich der Basisplatte 16 die Strahlen nur durch Glas verlaufen. Diese beiden Umlenkprismen 17 und 18 bilden den Polarisationsstrahlteiler 2', das erste Umlenkprisma mit der spiegelnden Fläche 19 und die beiden weiteren Umlenkprismen mit den weiteren spiegelnden Flächen 20 und 20'. Das eine der beiden monolitischen Umlenkprismen 17 ist im wesentlichen rautenförmig ausgebildet und umfaßt funktionell das eine Teilprisma des Polarisationstrahlteilers 2' und das weitere Umlenkprisma mit der spiegelnden Fläche 20 für den am Polarisationsstrahlteiler 2' abgelenkten Teilstrahl 4. Aus Gründen einer Platzersparnis ist die vom Polarisationsstrahlteiler abgewandte Spitze 22 dieses Umlenkprismas 17 parallel zum zugehörigen Meßstrahlkorridor 23 abgetrennt. Das andere Umlenkprisma 18 ist trapezförmig ausgebildet, wobei die eine dem Polarisationsstrahlteiler 2' zugekehrte Seitenfläche senkrecht zu den Parallelkanten steht und die andere Seitenfläche unter dem Komplementärwinkel des Rautenwinkels steht. Bei 45" Rautenwinkel ist dieser Komplementärwinkel ebenfalls 450 groß. Dieses an- dere Umlenkprisma 18 umfaßt funktionell das zweite Teilprisma des Polarisationsstrahlteilers 2' und das erste und das weitere Umlenkprisma für den geradlinig im Polarisationsstrahlteiler verlaufenden Teilstrahl 5 mit den beiden spiegelnden Flächen 19 bzw. 20'. Die Polarisationstrennfläche 21 des Polarisationsstrahlteilers ist im Bereich der gegenseitigen Verbindung der beiden Umlenkprismen 17 und 18 angebracht.
• Um die durch die Erfindung geschaffenen Vorteile einer breiten Basis b für die Winkelmessung ausnutzen zu können, ist zwar ein in der Grundrißdarstellung nach Figur 2 relativ breit ausfallendes Doppelprisma 17/18 erforderlich, jedoch braucht dieses lediglich in Form einer relativ flachen Scheibe ausgebildet zu werden, dessen Stärke nur unwesentlich größer ist als der Durchmesser der Einzelstrahlen 13 bzw. 14; beispielsweise kann man bei einem Strahldurchmesser von etwa 5 - 6 mm ohne weiteres mit einer Plattenstärke von etwa 10 mm auskommen. Die quer zur Strahlrichtung liegenden Ein- und Austrittsstellen der Umlenkprismen sind zur Erzielung einer hohen Lichtausbeute nach Möglichkeit entspiegelt ausgeführt. Die übrigen bisher noch nicht angesprochenen Umfangspartien der Umlenkprismen 17 und 18 können roh bearbeitet sein.
• Die Basisplatte 16 kann im Falle von Fig. 2 vorteilhaft als geschlossenes Gehäuse ausgeführt sein, in welches die beiden Prismen 17,18 eingebettet und zugleich geschützt sind. Das Gehäuse braucht dann nur im Bereich der Strahlkorridore 23,24 und in Strahlkorridor vom bzw. zum Laserkopf 1 schlitzförmige Öffnungen aufzuweisen. Ein solches Gehäuse läßt sich auch leichter handhaben und montieren.
• Im übrigen sei betont, daß die geometrische und auch die optische Länge der Strahlen 4 und 5 für Hin- und Rückweg im Bereich der Prismen 17, 18 identisch sind. Dies gilt sinngemäß auch für die beiden Strahlen 4 und 5 in Fig. 1.

Claims (5)

1. Schutzansprüche 1. Laserinterferometrisches Winkelmeßgerät mit einem Laserlichtstrahlen mit zwei Strahlanteilen unterschiedlicher Polarisationszustände aus sendenden Laserkopf, mit einem Polarisationsstrahlteiler und einem im Abstand in Strahlrichtung des durch ihn geradlinig hindurchtretenden Strahlanteiles dahinter angeordneten Umlenkspiegel, Umlenkprisma oder dergleichen, wobei die beiden Strahlanteile in gesonderte, parallel zueinander in einer Meßstrahlebene liegende Meßstrahlkorridore ausgesendet werden, ferner mit einem auf einem Meßobjekt befestigbaren, eine zu messende, innerhalb der Meßstrahlebene liegende Winkelbewegung ausführenden Sinus lineal mit zwei in definiertem Abstand daran angebrachten, jeweils von dem Strahlanteil in einem der Meßstrahlkorridore beaufschlagbaren Tripelreflektoren, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Polarisationsstrahlteiler (2,2') und der unmittelbar hinter ihm angebrachte Umlenkspiegel (3), Umlenkprisma (19) oder dergleichen derart zwischen den beiden Meßstrahlkorridoren (23,24) angeordnet sind, daß die Mittelachse (6) des Laserkopfes (1) parallel mittig zwischen den beiden Meßstrahlkorridoren (23, 24) liegen und die beiden vom Polarisationsstrahlteiler (2,2') bzw. vom Umlenkspiegel (3), Umlenkprisma (19) oder dergleichen umgelenkten Strahlanteile (4,5) zunächst in zueinander entgegengesetzten Richtungen verlaufen und daß zur Umlenkung dieser beiden Strahlanteile (4,5) in die jeweiligen Meßstrahlkorridore (23,24) jeweils ein weiterer Umlenkspiegel (15,15'), Umlenkprisma (weitere spiegelnde Flächen 20,20') oder dergleichen vorgesehen ist.
2. 2. Winkelmeßgerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß der Polarisationsstrahlteiler (2,2') und der erste Umlenkspiegel (3), Umlenkprisma (spiegelnde Fläche 19) oder dergleichen sowie die beiden weiteren Umlenkspiegel (15,15'), Umlenkprismen (weitere spiegelnde Flächen 20,20') oder dergleichen auf einer gemeinsamen Basisplatte (16) angeordnet sind.
3. 3. Winkelmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Polarisationsstrahlteiler (2',21), das erste Umlenkprisma (spiegelnde Fläche 19) und die beiden weiteren Umlenkprismen (weitere spiegelnde Flächen 20,20') in Form von zwei jeweils monolitischen, entlang der Polarisationstrennfläche (21) des Polarisationsstrahlteilers (2') zu einer festen Einheit zusammengefügten Umlenkprismen (17,18) baulich integriert sind, wovon das im Laserlichtstrahl zunächst beaufschlagte Umlenkprisma (17) im wesentlichen rautenförmig ausgebildet ist und funktionell das eine Teilprisma des Polarisationsstrahlteilers (2') und das weitere Umlenkprisma (weitere spiegelnde Fläche 20) des am Polarisationsstrahlteilers (2',21) abgelenkten Teilstrahles (4) umfaßt und wovon das andere Umlenkprisma (18) trapezförmig mit einer rechtwinklig und einer unter dem Komplementärwinkel des Rautenwinkels stehenden Seitenfläche ausgebildet ist und funktionell das zweite Teilprisma des Polarisationstrahlteilers (2') und das erste (erste spiegelnde Fläche 19) sowie das weitere Umlenkprisma (weitere spiegelnde Fläche 20') für den geradlinig im Polarisationsstrahlteiler (2',21) verlaufenden Teilstrahl (5) umfaßt.
4. 4. Winkelmeßgerät nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die vom Polarisationsstrahlteiler (2') abgewandte Ecke (22) des rautenförmigen Umlenkprismas (17) parallel zum Meßstrahlkorridor (23) abgetrennt ist.
5. 5. Winkelmeßgerät nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden miteinander verbundenen Umlenkprismen (17,18) als Glasscheiben mit etwa 1,5 bis 2-facher Stärke des Strahldurchmessers ausgebildet sind.