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Vorrichtung, insbesondere zur Wegmessung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Erhöhung des
Auflösungsvermögens, insbesondere an interferentiellen Wegmeßelementen mit einem
Meßweg bis ca. 20 mm.
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Außerdem kann mit dieser Vorrichtung auch die Auflösung von Meßwandlern
für Meßgrößen, die sich auf den Weg abbilden lassen, erhöht werden.
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Es sind eine Reihe von Vorrichtungen zur Wegmessung bekannt.
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Die elektrische Wegmessung erfolgt häufig mit induktiven Meßwandlern
(siehe H.F. Grave 'tElektrische Messung nichtelektrischer Größen11). Diese Meßwandler
liefern ein analoges Ausgangssignal und besitzen Fehlergrenzen von ca. 0,5 %.
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Damit sind sie nur für kleine Meßbereiche bei Präzisionsmessungen
mit Fehlern S + 1 /um verwendbar.
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Vorrichtungen, die Impuls- oder Inkrementalmaßstäbe einsetzen, erreichen
Meßgenauigkeiten von + 1 /um (siehe Lieferübersicht Fa. Heidenhain, 1982). Das ist
in vielen Fällen nicht ausreichend.
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Zur Präsisionsmessung großer Längen (ca. im) werden Interferometer
unterschiedlichster Bauart eingesetzt (siehe Laser Interferometer Metrilas MiOOE
Prospekt von Soro,
Frankreich und Hewlett Packard Prospekt zfl 5526
A Laser Igleasurement System). Hierbei handelt es sich um sehr aufwendige Apparaturen
mit großen geometrischen Abmessungen.
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Sie sind für die Messung kleiner Längen somit ungeeignet.
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Nach DD-PS 137 619 ist eine Vorrichtung, insbesondere zur digitalen
Kraftmessung bekannt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der aus einem Stück gefertigte
Verformungskörper aus einem biegesteifen Grundkörper, der fest im Gestell gehaltert
ist und an dem ein optischer Teiler und Interferometerspiegel sowie ein kippinvarianter
Reflektor fest angebracht sind, und einer Biegeplatte, an der die zu messende Kraft
2 angreift, und an der ein kippinvarianter Reflektor fest angeordnet ist, besteht.
Diese Variante besitzt nur eine optische Auflösung von in14, Eine Möglichkeit der
Erhöhung der Auflösung dieser Interferometer stellen die elektronischen Interpolatoren
dar.
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:t mehr oder weniger großem elektronischen Aufwand können erhebliche
Interpolationsfaktoren erzielt werden, wobei zu beachten ist, daß mit steigendem
Faktor die analogen Fehlereinflüsse und die Anforderungen an die Lichtquellenstabilität
rapide steigen.
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Eine weitere Möglichkeit der Erhöhung der Auflösung, die für sich
allein als auch in Verbindung mit elektronischen Interpolatoren angewandt werden
kann und dabei die optimale Ausnutzung des Meßelements erlaubt, stellt die Methode
der optischen Vervielfachung dar. Hierbei erreicht man die Auflösungsteigerung nicht
über analoge Zwischengrößen, sondern weiterhin über eine direkte digitale Meßwertwandlung.
Eine geeignete Anordnung von seriellen Optikbauteilen gestattet ein mehrfaches Reflektieren
der Lichtbündel im Meßstrahlengang. Durchläuft dieses Bündel den Meßkanal, auf den
die Längenänderung übertragen wird, x-mal, ergibt sich die optische
Auflösung
in einfacher Weise mit: # A = x # - Wellenlänge des Lichtes im Medium Im SU-US 407
185 wird zwischen zwei gleichgroßen geringfügig versetzten Tripelprismen das von
einem Teilerwürfel kommende Strahlenbündel eingespiegelt und entsprechend der Versetzung
mehrfach hin und her reflektiert. Ein Tripelprisma ist gestellfest und das zweite
Tripelprisma ist am Meßwagen angeordnet. Am Tripelprisma des Meßwagens befindet
sich in der verlängerten Mittelachse ein Planspiegel, der das ins Zentrum treffende
Strahlenbündel in sich zurück zum Teilerwürfel reflektiert. Nimmt man die Versetzung
zwischen Einfall strahl und Achse des beweglichen Tripelprismas mit c und die Versetzung
beider Tripelprismenachsen mit v an, so erhält man laut Berechnungsvorschrift dieses
Patentes die Auflösung mit
k = 3, 5, 7 ... (2 n - 1) das heißt, es können folgende Auflösungen erzielt werden:
A ( A, R 6 10 14 Besonders nachteilig sind die auf den Tripelprismen des h¢eßwagens
befestigten Planspiegel. Bei Kippungen des Meßwagens bleibt zwar durch die Art der
gegenseitigen Anordnung der Planspiegel der Streifenabstand im Interferenzbild erhalten,
jedoch das reflektierte Strahlenbündel wandert um den doppelten Kippwinkel aus und
es entstehen Lßreßfehler, die noch mit der Anzahl der Reflexionen ansteigen.
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Nach DE-AS 26 58 629 ist eine Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit einem
elastischen Meßglied bekannt, das einerseits an einem beweglichen Teil befestigt
ist und andererseits gehäusefest abgestützt ist, wobei die Auslenkung des beweglichen
Teils aus seiner Ausgangsstellung ein Maß für die zu bestimmende Kraft oder Masse
ist, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil wenigstems zwei Spiegel trägt,
von denen jeweils einer in einem Arm eines Interferometers derart angeordnet ist,
daß bei Auslenkung des beweglichen Teils die beiden Arme des Interferometers in
entgegengesetzten Richtungen in ihrer Länge verändert werden.
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Bei höheren Auflösungsfaktoren ist der optische Bauelementeaufwand
enorm, das heißt, für zum Beispiel eine Auflösung x von werden neun Umlenkspiegel
und zwei Tripelprismen oder sechs Tripelspiegel insgesamt benötigt. Weiterhin ist
die Anordnung so gestaltet, daß die Strahlenbündel nach der Mehrfachreflexion in
sich zurückfallen (ebenfalls wie in SU-US 407 185). Weiterhin zeigt diese Vorrichtung
selbst bei der Verwendung von zwei Tripelprismen gemaß letztem Unteranspruch nur
in einer Richtung Kippinvarianz.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die digitale Auflösung
des Systems ohne Verwendung analoger Zwischenschritte zu erhöhen. Damit bleiben
bei der erhöhten Auflösung die Vorteile der digitalen Meßtechnik erhalten.
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Im Vergleich zu bereits bekannten Lösungen zeichnet sich die Vorrichtung
dadurch aus, daß sie einen einfachen optischen Aufbau mit minimalem Einsatz von
seriellen Optikbauelementen besitzt. Sie kann in einfacher Weise in bestehende Interferometereinrichtungen
eingebaut werden, ohne daß die Kippinvarianz des Systems verloren geht. Weiterhin
wird mit der Vorrichtung eine antiparallele Versetzung zwischen ein- und austretendem
Strahlenbündel erreicht, so daß eine Nutzung der Michelson-InterSerometer mit angesprengten
Planspiegeln möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung insbesondere
zur Wegmessung zu schaffen, die einen einfachen optischen Aufbau mit einem minimalen
Einsatz von Optikbauteilen verbindet, bei verschiedenen Zweistrahlinterferometervarianten
im Anwendungsfall kippinvariant bleibt und eine hohe Auflösung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem Rahmen
ein optischer Strahlteiler mit Oberflächenspiegeln, auf dem zwei feste kippinvariante
Reflektoren befestigt sind, und ein~£ester kippinvarianter Reflektor angebracht
sind, daß ein beweglicher kippinvarianter Reflektor über eine Halterung an einem
Meßbolzen, der in einer Geradführung läuft, die am Rahmen angebracht ist, so befestigt
ist, daß der optische Strahlteiler und die darauf angebrachten kippinvarianten Reflektoren
gleiche Stirnhöhe und die anderen kippinvarianten Reflektoren mindestens doppelt
so große Stirnhöhen besitzen und daß die Zentral strahlen der größeren kippinvarianten
Reflektoren jeweils auf die Berührungsfläche zwischen optischem Strahlteiler und
den kleineren kippinvarianten Reflektoren in der Mitte der äaweiligen Strahldurchtrittsfläche
des optischen Strahlteilers so gerichtet sind, daß die optischen Achsen der durch
die größeren kippinvarianten Reflektoren hindurchgehenden Stahlenbündel auf den
Strahleintrittsflächen der größeren kippinvarianten Reflektoren jeweils ein Quadrat
aufspannen.
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Die kleineren kippinvarianten Reflektoren können gleiche, aber eine
andere Stirnhöhe als der optische Strahlteiler besitzen und die größeren kippinvarianten
Reflektoren haben eine Stirnhöhe mindestens so groß, wie die Addition der Stirnhöhen
von optischen Strahlteiler und kleineren kippinvarianten Reflektoren ergibt, wobei
die Zentralstrahlen der größeren kippinvarianten Reflektoren in halber Höhe der
Gesamtstirnhöhe vom optischen Teiler und dem kleineren kippinvarianten Reflektor
senkrecht über dem Flächenschwerpunkt
der Strahldurchtrittsflächen
des optischen Teilern auf die kleineren kippinvarianten Reflektoren oder den optischen
Teiler gerichtet sind.
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Die festen kleineren kippinvarianten Reflektoren können am Rahmen
angebracht sein.
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Weiterhin ist es möglich, daß alle kippinvarianten Reflektoren in
einer Ebene mit dem optischen Strahlteiler liegen, wobei die kippinvarianten Reflektoren
jedes Interferometerarmes gleiche Stirnhöhe haben.
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An Stelle der kippinvarianten Reflektoren des Referenzstrahlenganges
kann ein Oberflächenspiegel vorgesehen werden.
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Beide Oberflächen spiegel können am Rahmen befestigt sein.
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Die kippinvarianten Reflektoren sind als Tripel streifen oder Tripelprismen
ausgebildet.
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Wird ein paralleles monochromatisches Lichtstrahlenbündel, vorzugsweise
ein aufgeweitetes Laserstrahlbündel, zum Beispiel auf den optischen Strahlteiler
eines Michelson-lnterferometers bekannter Bauart geleitet, so erfolgt eine Aufteilung
in zwei Teilstrahlbündel: das Meßstrahlbündel und das Referenzstrahlbündel.
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Das Referenzstrahlbündel kann sowohl bei besonderen Ausführungen ähnlich
dem Meßstrahlbündel umgelenkt werden als auch zum Beispiel durch einen Oberflächenspiegel
direkt zum Strahlteiler zurück geworfen werden. Das heßstrahlbundel trifft außermittig
auf den beweglichen kippinvarianten Reflektor. Nach dem Durchlauf des Bündels durch
den kippinvarianten Reflektor trifft es antiparallel und um einen entsprechenden
Abstand zu sich selbst verschoben aus dem beweglichen kippinvarianten Reflektor
aus und trifft auf den
festen kippinvarianten Reflektor.
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Dieser kippinvariante Reflektor ist so angeordnet, daß sein Zentralstrahl
bei senkrechtem Strahleinfall um einen Betrag gegen den Zentral strahl des beweglichen
kippinvarianten Reflektors versetzt ist. Im einfachsten Fall liegen die optische
Achse OA des aus dem Strahlteiler austretenden eßstrahlbündels, die Zentralachse
des beweglichen kippinvarianten Reflektors BS und die Zentralachse des festen kippinvarianten
Reflektors FS in einer Ebene. Der feste kippinvariante Reflektor wirft das Bündel
wiederum antiparallel und entsprechend versetzt auf den beweglichen kippinvarianten
Reflektor zurück. Somit durchläuft das Strahlbündel nach Art einer sich einschnürenden
und wieder öffnenden Spirale mehrfach die gesamte Anordnung und damit auch mehrfach
die Meßstrecke.
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Die maximale Kantenlänge 1 des beweglichen kippinvarianten Reflektors
in der durch PS, BS und OA bestimmten Ebene muß im folgenden Verhältnis zu der Versetzung
v stehen, wenn ein vernünftiger Strahlendurchlauf erzielt werden soll 1 = 2 n .
v, wobei n = 2, 3, 4, 5 * ist. Die Kantenlänge 1' in der durch PS, BS, OA bestimmten
Ebene des festen kippinvarianten Reflektors ergibt sich mit l' = 1 - 2 v.
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Die optimale Anordnung kann weiterhin so ausgeführt werden, daß der
Verlauf des mehrfachreflektierenden Strahlbündels nicht nur in einer Ebene liegt,
sondern im Raum erfolgt.
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Dabei liegen die optische Achse des einfallenden Lichtstrahles, die
Zentralachse des beweglichen kippinvarianten Reflektors und die Zentralachse des
festen kippinvarianten Reflektors parallel zueinander, jedoch nicht in einer Ebene.
Die senkrecht zu den Achsen stehende x-y-Ebene wird so definiert, daß die Zentralachse
des beweglichen kippinvarianten Reflektors durch den Koordinatenursprung dieser
Ebene
verläuft. Die optische Achse des einfallenden Strahlbündels habe dann die beliebigen
Koordinaten PO(bsa) und die Zentralachse des festen kippinvarianten Reflektors die
Koordinaten Pps(O, -v), das heißt, die Zentralachsen der kippinvarianten Reflektoren
sind um den Betrag v versetzt.
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Die Koordinaten des Strahlaustrittspunktes aus dem festen kippinvarianten
Reflektor ergeben sich nach n Strahldurchläufen bei fehlerfreien Reflektoren mit
Pn - (b, a-2n.v).
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Der räumlich versetzte Strahldurchlaui ermöglicht einen kompakten
Meßaufbau. Bei Verwendung zum Beispiel eines I.ichelson-InterCerometers kann der
gestellfeste kippinvariante Reflektor fest mit dem Strahlteiler verbunden sein.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erlautert werden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen: Figur 1: Vorrichtung, insbesondere zur Wegmessung
Figur 2: Prinzipielle Anordnung Figur 3: Strahldurchlauf, bei Versetzung in zwei
Ebenen Der bewegliche Meßtripelstreifen 2 ist nach Figur 1 mit einer Halterung 6
am Meßbolzen 7 der Geradführung 8 angebracht, die fest mit dem Rahmen 9 verbunden
ist. Am Rahmen 9 sind der Strahlteiler 5 mit den beiden Oberflächenspiegeln 10 und
i1 sowie dem festen kippinvarianten Reflektor 1 und den kippinvarianten Referenzreflektoren
3 und 4 befestigt.
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Der feste Reflektor 1 und der Referenzreflektor 3 sowie der bewegliche
Meßreflektor 2 und der Referenzreflektor 4 haben paarweise gleiche Größe. Der mit
dem System zu messende Weg wird mit dem I\!.eßbolzen 7 abgetastet und in die Interferometeranordnung
übertragen. Die Michelson-Interferometeranordnung wird durch einen Laser 12, dessen
Strahl im Teleskop 13 aufgeweitet wird, beleuchtet. Das Interferenzbild wird durch
Fotoempfänger 14 abgetastet und die Impulsfornerstufe
15 und den
Vor-Rückwärts-Zähler 16 ausgewertet.
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Die kippinvarianten Reflektoren 1 und 2 nach Figur 2 können in ihrer
Punktion auch vertauscht sein. Der bewegliche Reflektor 2 besitzt die Zentralachse
BS, der feste Meßreflektor 1 die Zentralachse FS. Beide Zentralachsen BE und FS
verlaufen parallel zueinander. Der in die Anordnung einfallende Lichtstrahl OA liegt
ebenfalls parallel zu den Zentralachsen BE und FS. Liegen OA, BS und FS in einer
Ebene, verlaufen alle zwischen den Reflektoren 1 und 2 reflektierten Strahlen einschließlich
des aus der Anordnung austretenden Strahles OA' in der selben Ebene. Der austretende
Strahl OA verläuft antiparallel zum einfallenden Strahl OA.
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Der Lichtstrahl durchläuft die Strecke 5 der Anordnung genau 1/v-mal,
wenn 1 = 2 n . v gilt, wobei n = 2, 3, 4, 5, ist. Eine Verschiebung des beweglichen
Meßtripelstreifens 2 um den Betrags S parallel zu BS bewirkt eine Verlängerung des
geometrischen Weges des Lichtstrahles um A 5 . l. Bei v einer Wellenlänge Ä des
Lichtatrahles ergibt sich die Auflösung A des optischen Systems zu A = § . lv. Es
konnen Auflösungen A = #, ##, ##, ... erreicht werden.
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Die Zentralachsen BS und FS und die optische Achse OA des einfallenden
Strahles sind nach Figur 3 nicht in einer Ebene, verlaufen aber parallel zueinander.
Die s-y-Ebene steht dabei senkrecht zu OA, BS und FS. Die Punkte stellen die Strahleintrittspunkte
des beweglichen Meßreflektors 2 und die Strahlaustrittspunkte des festen Meßreflektors
1 dar, Die Punkte Ptr r sind die Strahlaustrittspunkte des beweglichen Meßreflektors
2 und die Strahleintrittspunkte des festen Meßreflektors 1. PO ist der Schnittpunkt
der optischen Achse OA mit der Strahldurchtrittsfläche des beweglichen Meßreflektors
2. P' r der Schnittpunkt der optischen Achse OA mit dem selben Meßreflektor.
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Die Punkte PO, P1, ..., Pr und P'o, P'1, ... P'r besitzen die Koordinaten
laut Figur 3.
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Die Größe der Iiaufvariable r wird dabei von den geometrischen Größen
l, l', v und a festgelegt.
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Der Strahldurchlauf durch die Referenzreflektoren 3 und 4 erfolgt
in gleicher Weise, wie in Figur 2 und Figur 3 dargestellt ist.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 fester kippinvarianter
Reflektor 2 beweglicher kippinvarianter Reflektor 3 kippinvarianter Reflektor 4
kippinvarianter Reflektor 5 optischer Strahlteiler 6 Halterung 7 Meßbolzen 8 Geradführung
9 Rahmen 10 Oberflächenspiegel 11 Oberflächenspiegel 12 Laser 13 Teleskop 14 Fotoempfänger
15 Impulsformerstufe 16 Vor-Rückwärts-Zähler OA Optische Achse des einfallenden
Strahls OA' Optische Achse des austretenden Strahls FS Zentralachse des festen kippinvarianten
Reflektors 3S Zentralachse des beweglichen kippinvarianten Reflektors s Abstand
der kippinvarianten Reflektoren 1 Kantenlänge n natürliche Zahl v Versatz der Zentralachsen
A s Abstandsänderung der kippinvarianten Reflektoren x Wellenlänge A Auf lösung
x Koordinate y Koordinate a; b Abstand r natürliche Zahl Pr; P1 r Ein- beziehungsweise
Austrittspunkte des Lichts an kippinvarianten Reflektoren
- Leerseite
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