DE3503007C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Interferometer- Meßeinrichtung zum Messen von geometrischen Größen.

Für die Messung langer Strecken findet vielfach die interferometrische Längenmessung Anwendung. Dabei ist es notwendig, störende Einflüsse der un­ mittelbaren Umgebung auf den Brechungsindex der Luft zu eliminieren oder bei der Meßwertbildung mit einzubeziehen. Im praktischen Einsatz sind beide Methoden für lange Meßstrecken schwierig zu verwirklichen. Deshalb hat man versucht, eine lange Meßstrecke schrittweise zu vermessen.

Die zu vermessende Strecke wird dabei in kleine Meßstrecken aufgeteilt. Die Meßwerte dieser Teil­ meßstrecken werden zu einem Gesamtmeßwert auf­ summiert.

In der EP-PS 00 53 199 ist bereits eine Meßein­ richtung beschrieben, bei der eine Meßbasis und ein Meßwertgeber in Meßrichtung verschiebbar an­ geordnet sind. Die aktive Meßstrecke ist dabei vor Umwelteinflüssen geschützt. Bei diesem Meß­ verfahren bewegen sich die Meßbasis und der Meß­ wertgeber schrittweise abwechselnd entlang der zu vermessenden Strecke. In einem Rechner werden die einzelnen Meßwerte der Meßschritte zu einem Gesamt­ wert aufsummiert.

Diese Meßeinrichtung hat den Nachteil, daß der Ba­ sisschlitten vor der Bewegung des Meßschlittens abgesetzt werden muß. Diese Absetzvorgänge - z. B. durch Abschalten des tragenden Luftfilmes - bewir­ ken unter Umständen auch Verlagerungen des Meß­ schlittens in Meßrichtung, die möglicherweise von der Meßeinrichtung nicht erfaßt werden.

Des weiteren ist eine kontinuierliche Vermessung, z. B. von Teilungen, nicht durchführbar. Eine der­ artige Vermessung wird aber des öfteren bei einer rechnergestützten Vermessung gefordert.

Die DE-AS 11 54 646 zeigt eine Vorrichtung zur kon­ tinuierlichen Längenmessung mittels Interferenzen in einem über die Kohärenzlänge hinausgehenden Meß­ bereich. Einer kontinuierlich bewegten Meßbasis sind zwei wechselweise bewegbare Meßelemente derart zugeordnet, daß jeweils der Abstand zwischen beweg­ ter Meßbasis und ruhendem Meßelement erfaßt wird. Der offenbarte Aufbau zur Durchführung der konti­ nuierlichen Längenmessung ist äußerst umfangreich und kompliziert. Durch eine Vielzahl mechanischer und optischer Bauelemente werden Positionierfehler aufsummiert. Eine Kompensation von äußeren und vom System selbst herrührenden Einflußfaktoren ist nicht vorgesehen. Die Meßstrecken der Interfero­ meter-Meßeinrichtung können nur mit großem Aufwand mit bekannten Mitteln abgeschirmt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Interfero­ meter-Meßeinrichtung zu schaffen, mit der eine kontinuierliche Messung von Strecken mit hoher Ge­ nauigkeit möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Interferometer-Meß­ einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge­ löst.

Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.

Die Vorteile der Erfindung liegen im wesentlichen darin, daß mit relativ geringem Aufwand erreicht wird, daß äußere und vom System selbst herrührende Einflüsse das Gesamtergebnis möglichst wenig be­ einflussen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine bekannte Interfero­ meter-Meßeinrichtung;

Fig. 2 Teile einer Interferometer-Meß­ einrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 Teile einer weiteren Interferome­ ter-Meßeinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4a bis 4e Meßschritte zur Fig. 2 und Fig. 3;

Fig. 5 eine Abschirmung für die Meß­ strecken mit Kompensationsein­ richtung;

Fig. 6 vergrößerte Einzelheiten der Einrichtung nach Fig. 5.

Bei der bekannten Meßeinrichtung in Fig. 1 ist der Laser 1′ wie üblich ortsfest angebracht. Die Meßbasis besteht aus einem Basisschlitten BS′, wel­ cher ein Interferometer mit den Elementen teildurch­ lässiger Spiegel 2′, Tripelprisma 3′ und einen evakuierten, längenveränderlichen Hohlkörper 4′ auf­ weist. Die Elemente wie Photodetektoren o. dgl. des bekannten Laserinterferometers sind nicht gezeigt. Der Basisschlitten BS′ läßt sich entlang der Meßstrecke verschieben. Der Meßwertgeber besteht aus einem Meßschlitten MS′, auf dem ein weiteres Tripel­ prisma 5′ als Reflektor fest angeordnet ist, dessen Verschiebung in Bezug auf die Meßbasis interfero­ metrisch gemessen wird. Über eine Servo-Nachführ­ regeleinrichtung läßt sich die Auszugslänge des evakuierten Hohlkörpers 4′ bestimmen, sie ist von der Stellung des Meßschlittens MS′, also des Reflektors 5′, abhängig. Bei Verschiebungen des Reflektors 5′ zählt ein Zähler 6′ die Interferenzstreifendurchgänge, so daß deren Anzahl ein Maß für die Verschiebung des Reflektors 5′ ist. Die maximale Distanz zwischen dem Basisschlitten BS′ und dem Reflektor 5′ wird durch die maximale Auszugslänge des Hohlkörpers 4′ fest­ gelegt und bestimmt die Endposition des Reflektors 5′ bei jeder Teilmessung. Der Meßwert, d.h. die als Maß für die gemessene Strecke ermittelte An­ zahl von Interferenzstreifendurchgängen wird im Zähler 6′ gespeichert, der dazu mit einem Datenspei­ cher versehen ist. Das Ergebnis der ersten Teilmes­ sung liegt damit fest und ist abgespeichert.

Bei der zweiten Teilmessung wird vorerst der Meß­ schlitten MS′ des Reflektors 5′ fixiert, der Ba­ sisschlitten BS′ wird gelöst und auf den Reflektor 5′ hin verfahren. Dabei verkürzt sich der evakuier­ te Hohlkörper 4′ unter Einwirkung der Servo-Nachführein­ richtung, die den Luftspalt zwischen dem Rohrende und dem Reflektor 5′ konstant klein hält. Die durch diese Verschiebung des Basisschlittens BS′ auftre­ tenden Interferenzstreifendurchgänge werden mit negativem Vorzeichen gezählt, so daß bei Differenz­ bildung von dem im Datenspeicher abgespeicherten Meßwert und der Restweganzeige die Distanz bekannt ist, um die der Basisschlitten BS′ verschoben wurde. Anschließend wird der Basisschlitten BS′ wieder fixiert und der Meßschlitten MS′ wieder gelöst. Die­ ser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, ohne daß die Messung von den Umweltbedingungen der Atmo­ sphäre beeinflußt wird.

Bei der Laser-Interferometer-Meßeinrichtung in Fig. 2 ist der Laser 1 auch ortsfest angebracht. Die in Meßrichtung X bewegliche Meßbasis besteht aus ein­ nem Basisschlitten BS, welcher die zur Teilung und Umlenkung des Laserstrahls benötigten Spiegel 2 a, 2 b, 7, 8, ein Spiegelsystem 9, die Tripelprismen 3 a, 3b zur Erzeugung der Referenzstrahlen, Photodetektoren Ph 1a bis Ph 2b zum Ermitteln der Streifendurchgänge Hell- Dunkel sowie eine Zähleinheit 6 zum vorzeichenrichti­ gen Zählen dieser erfaßten Hell-Dunkel-Zyklen trägt. Der Meßwertgeber besteht aus den Meßschlitten MSa und MSb, welcher je ein Tripelprisma 5 a und 5 b trägt, damit der auftreffende Strahl definiert parallel zu diesem zurückreflektiert wird. Damit zufällige räumliche und zeitliche Schwankungen der Luftpara­ meter Druck, Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlen­ dioxydgehalt keinen Einfluß auf das Gesamtergeb­ nis haben, sind die Meßstrecken A, B sowie die Strecken zur Referenzmessung nach außen hin abge­ kapselt und evakuiert. Diese Abkapsel­ einrichtung wird von längenveränderlichen Hohlkör­ pern 4 a, 4b und einem Gehäuse gebildet.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 können Beschleuni­ gungskräfte, hervorgerufen durch die schrittweise Bewegung der Meßschlitten MSa, MSb, klein gehalten werden.

In Fig. 3 trägt abweichend von Fig. 2 der Basis­ schlitten BS die Tripelprismen 5 a, 5b und die Meß­ schlitten MSa, MSb beinhalten je einen Interfero­ meter-Meßkopf.

Der Meßablauf für beide gezeigten Ausführungsformen ist gleich und wird anhand der Fig. 4 erklärt. In Fig. 4a bis 4e sind die Meßschritte schematisch aufge­ zeigt. Ein Prüfling 11 als zu vermessender Körper liegt fest auf einer als Ebenheitsreferenz dienen­ den, vorzugsweise aus Granit gefertigten Basisplatte 12. Der Basisschlitten BS wird zu Beginn der Messung zum Anfangspunkt des Prüflings 11 eingerichtet und fixiert. Die Meßschlitten MSa und MSb werden in einer Anfangsposition fixiert, so daß der Basisschlit­ ten zwischen ihnen in Meßrichtung X etwa mittig fixiert liegt und die Auszugslänge der in Fig. 2 und 3 gezeigten Hohlkörper 4 a, 4b minimal ist. Das bedeutet auch, daß die Meßstrecke A - zwischen dem Meßschlitten MSa und dem Basisschlitten BS - und die Meßstrecke B - zwischen dem Meßschlitten MSb und dem Basisschlitten BS - etwa gleich sind. Der Zähler wird auf einen Anfangswert, vorzugsweise auf Null, gesetzt, bevor mit der Messung begonnen wird. Der Ba­ sisschlitten BS fährt nun über den gesamten Meßbe­ reich stetig mit konstanter Geschwindigkeit V in Meßrichtung X. Der Meßschlitten MSa fährt mit der doppelten Geschwindigkeit 2V in Meßrichtung X bis zur maximalen Auszugslänge des Hohlkörpers 4 a und wird dort fixiert. Ab jenem Zeitpunkt, als der Ba­ sisschlitten BS und der Meßschlitten MSa freigege­ ben wurden, wurde die Längenänderung der Meßstrecke B vom Zähler erfaßt. In Fig. 4b ist nun jener Zustand zu sehen, in dem die Längenänderungen bei­ der Meßstrecken A und B erfaßt werden. Diese Maß­ nahme ist angebracht, damit bei der Übergabe des Meßwertes der Meßstrecke B in einen Speicher, und in der kurzen Verzögerungszeit bis der Meßschlitten MSb gelöst und der Meßschlitten MSa fixiert ist, jede Verschiebung der Schlitten MSa, MSb und der in dieser Zeit vom Basisschlitten BS zurückgeleg­ te Weg exakt erfaßt und verarbeitet werden. Dieser Weg, der in dieser kurzen Zeit vom Basisschlitten BS zurückgelegt wird, wird hier als Synchronisations­ weg S bezeichnet.

In Fig. 4c ist nun der Meßschlitten MSa fixiert und der Meßschlitten MSb bewegt sich mit der Ge­ schwindigkeit 2V in Meßrichtung X, d.h. daß die Wegänderung des Basisschlittens BS nur noch vom Meßschlitten MSa aufgenommen und vom Zähler 6 erfaßt wird. Nachdem zwischen Basisschlitten BS und Meßschlitten MSb die minimale Auszugslänge des Hohlkörpers erreicht wurde, werden wieder beide Längenänderungen der Meßstrecken A und B synchron erfaßt, bis der Meßschlitten MSb fixiert, der Meßschlitten MSa gelöst und der Meßwert der Meßstrecke A in den Speicher übergeben wurde. Im gezeigten Zustand Fig. 4e ist der Anfangszustand Fig. 4a wieder erreicht und ein neuer Meßzyklus beginnt. Dieser Meßzyklus kann beliebig oft durch­ geführt werden. Die im Zähler gezählten und im Speicher registrierten Hell-Dunkel-Streifendurch­ gänge werden in einer Auswerteeinheit vorzeichen­ richtig verarbeitet und zu einem Gesamtmeßwert auf­ summiert.

Für die Erfassung und die Übergabe der Meßwerte in die Auswerteeinheit kann es vorteilhaft sein, daß nicht nur ein Zähler, sondern für die Meß­ strecke A und die Meßstrecke B je ein Zähler zur Verfügung steht.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Konstruk­ tionen, die bewirken, daß äußere und vom System herrührende Einflüsse das Gesamtmeßergebnis mög­ lichst wenig verfälschen. Der Prüfling 11 liegt auf der Basisplatte 12 fest. Diese Basisplatte 12 stellt die Ebenheitsreferenz und die vertikal stützende Führungskomponente dar. Als seitliche Führungskomponente dient ein Granit-Lineal. Bei den angenommenen Geschwindigkeiten V 1=2V bzw. V 2=2V sind die Relativgeschwindigkeiten der Schlitten zur Basisplatte 12 in beiden Meßabschnitten A, B gleich, d.h. V 2-V=V-V 1, wobei V die Geschwindigkeit des Basisschlittens BS darstellt, V 1 die Geschwin­ digkeit des Meßschlittens MSb und V 2 die Geschwin­ digkeit des Meßschlittens MSa. Die den eva­ kuierten Raum bildenden Hohlkörper 4 a, 4 b sind gleich­ artig, d.h. gleiche Dimensionierung, gleiche Lage­ rung und Dichtung, und es werden die durch Reibung und Verformungsarbeit erzeugten und auf den Basisschlit­ ten BS wirkenden Kräfte in erster Näherung gleich Null, da Druck bzw. Zug gleich groß, aber in Meß­ richtung X jeweils gegensinnig gerichtet. Die Hohl­ körper 4 a, 4 b und der Kompensationskolben 13 sind in gezeigter Weise als teleskopartige Rohrsysteme ausgeführt. Es kann aber auch je ein elastischer Spiralfeder-Balg Verwendung finden. Abgedichtet werden diese Systeme mittels Festkörperdichtungen 14 oder Flüssigkeitsdichtungen, welche auch gleich­ zeitig zu einer reibungsarmen Führung und Lagerung dienen. Wie aus Fig. 5 und 6 ersichtlich, werden für die Meßstrecken A und B zwei kom­ munizierende Vakuum-Kammern verwendet, einmal wegen der besseren Vakuum-Kontrolle, da nur eine Vakuumpumpe 16 erforderlich wird, zum anderen we­ gen der meßtechnisch günstigen Unterbringung der Reflektoren 5 a, 5 a. Die Eigenschaften dieser Reflek­ toren 5 a, 5 b dürfen sich durch Umwelteinflüsse nicht ändern, des weiteren sollten die Reflektoren 5 a, 5 b nach der Lehre von Abbe möglichst nahe der zu vermessenden Prüflingsoberfläche angebracht sein.

Basisschlitten BS und beide Meßschlitten MSa, MSb bewegen sich in bereits aufgezeigter Weise in Meß­ richtung X. Um die Einwirkungen auf das Gesamtsys­ tem, hervorgerufen durch Aufrechterhaltung des Vakuums und durch Beschleunigungskräfte, zu eli­ minieren, werden die Hohlkörper 4 a, 4 b durch Hal­ terungen 17, 17 a, 17 b elastisch mit den Schlitten BS, MSa, MSb verbunden. Um die Halterungen 17, 17 a, 17 b nicht gegenüber axial wirkender Luftdruck-Kom­ ponenten abstützen zu müssen, werden die Hohlkörper 4 a, 4 b mittels einer Druckleitung 18 mit dem sepa­ raten Kompensationskolben 13 und der Vakuumpumpe 16 verbunden. Ein Seilzug 19 stellt die mechanische Verbindung der verschiebbaren Hohlkörper 4 a, 4 b mit dem Kompensationskolben 13 dar. Diese so erhaltene Kompensation ist weitgehend unabhängig von der Stellung der Schlitten BS, MSa und MSb. Optimale Kompensation liegt vor, wenn die Anordnung fol­ gendermaßen dimensioniert ist:

F 1 = F 1′; F 2 = F 2′ also A 1=A 1′, A 2 = A2′,

wobei

F = A · Δ p und F= wirkende Kraft am Ende des Hohlkörpers, hervorgerufen durch das Vakuum im Hohl­ körper A= wirksame Fläche Δ p= Druckänderung.

Durch die beschriebene Anordnung können keine unbe­ einflußbaren Kräfte von einem Schlitten BS, MSa, MSb auf den anderen, oder von einem Schlitten BS, MSa, MSb auf den Prüfling 11 bzw. auf die Basis 12 übertragen werden. Die elastische Verbindung der Schlitten ist durch die Dichtungen 14 und die elasti­ schen Abstützungen 20, 20 a, 20 b der Halterungen 17, 17 a, 17 b gewährleistet. Ein weiterer Vorteil der be­ schriebenen Konstruktion besteht darin, daß bei her­ metischer Abdichtung der Hohlkörper 4 a, 4 b und des Kompensationskolbens 13 die Vakuumpumpe 16 entfallen kann. In nicht gezeigter Weise ist es auch möglich, daß die Halterungen in einer Hilfsführung unabhän­ gig von der Basis geführt werden. Dadurch wird es auch möglich, daß jede Halterung eine separate An­ triebseinheit erhält. Eine weitere vorteilhafte nicht gezeigte Ausführung besteht darin, daß der Kompensationskolben durch ein Stützsystem fest am Basisschlitten angebracht ist.

Es ist ersichtlich, daß die Vorrichtung gut zum rechnergestützen Vermessen von Maß­ stabsverkörperungen eingesetzt werden kann, wobei der Basisschlitten BS den benötigten Meßwertaufnehmer zum Abtasten des Maßstabes beinhaltet.

Bei der Beschreibung wurden die Geschwindigkeiten mit V 1=2V bzw. V 2=2V angenommen. Bei der praktischen Ausführung ist diese Beziehung nicht unbedingt Be­ dingung. Wenn die angegebene Beziehung nicht einge­ halten wird, ist aber mit dem Verlust einiger an­ geführter Vorteile zu rechnen. Der Beginn und das Ende der Gesamtmeßstrecke kann durch Referenzmar­ ken, Näherungsschalter und ähnliche Anordnungen bestimmt werden. Daß heißt, daß der Basisschlitten nicht exakt zum Anfangspunkt eingerichtet werden muß, sondern es genügt, ihn z. B. vor der Referenz­ marke anzuordnen. Beim Überfahren dieser Referenz­ marke wird der Zähler auf einen Bezugswert gesetzt. Der Basisschlitten kann auch über den Gesamtmeßweg hinaus verfahren werden, eine zweite Referenzmarke, welche am Ende der Gesamtmeßstrecke angeordnet ist, unterbricht die Meßwertübertragung.

Als Ebenheitsreferenz für den Prüfling 11 wird in gezeigter Weise die Basisplatte 12 angesehen, dies gilt nur, wenn diese Basisplatte 11 auch gleich­ zeitig zur Führung der Schlitten BS, MSa, MSb dient. Es sind aber auch andere Möglichkeiten zur Fixierung eines Prüflings parallel zur Schlittenführung mög­ lich.

Das Einfügen der Synchronisationsschritte nach Fig. 4b, 4d ist zur Erhöhung der Meßsicherheit angebracht, für das eigentliche Meßverfahren aber nicht zwin­ gend notwendig.

Claims (5)

1. Interferometer-Meßeinrichtung zum Messen von geometrischen Größen, insbesondere von Längen, bei der die zu bestimmende Größe durch Teilmes­ sungen mittels einer in Meßrichtung kontinuier­ lich verschiebbaren Meßbasis und einem, mit der Meßbasis zusammenwirkenden, ebenfalls in Meß­ richtung verschiebbaren Meßwertgeber, bestehend aus zwei Meßelementen, derart ermittelt wird, daß sich die zwei Meßelemente abwechselnd gleich­ sinnig bewegen, und daß jeweils der Abstand zwi­ schen bewegter Meßbasis und ruhendem Meßelement erfaßt wird und zur Bildung des Gesamtmeßwertes die Abstände zwischen Meßbasis und Meßwertgeber bei den einzelnen Teilschritten vorzeichenrich­ tig berücksichtigt werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) die Meßelemente (MSa, 5 a; MSb, 5 b) liegen in einer Flucht mit der Meßbasis (BS), wobei ein Meßelement (MSa, 5 a) vor der Meßbasis (BS) und ein Meßelement (MSb, 5 b) hinter der Meß­ basis (BS) in Meßrichtung X angeordnet ist;
• b) die jeweils zwischen der Meßbasis (BS) und den Meßelementen (MSa, 5 a; MSb, 5 b) gebilde­ ten Meßstrecken (A, B) sind von längenverän­ derlichen, evakuierten Hohlkörpern (4 a, 4 b) umgeben;
• c) die Meßelemente (MSa, 5 a; MSb, 5 b) sowie die beiden längenveränderlichen Hohlkörper (4 a, 4 b) sind beidseitig der Meßbasis (BS) gleichartig aufgebaut;
• d) die Hohlräume der beiden Hohlkörper (4 a, 4 b) stehen mit dem Hohlraum eines Kompensations­ kolbens (13) in Verbindung, so daß ein Druck­ ausgleich zwischen den Hohlräumen und dem Kompensationskolben (13) erfolgen kann;
• e) jedes Meßelement (MSa, 5 a; MSb, 5 b) ist mit dem Kompensationskolben (13) verbunden, so daß die Bewegung der Meßelemente (MSa, 5 a; MSb, 5 b) auf den Kombinationskolben (13) übertragen wird.

2. Interferometer-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis von ei­ nem Basisschlitten (BS) mit zwei Interferometer- Meßköpfen (2 a, 3 a, Ph 1 a, Ph 2 a, 9; 2 b, 3 b, Ph 1b, Ph 2b, 9) und der Meßwertgeber (MS) von zwei Meßelementen gebildet wird, die jeweils einen Meßschlitten (MSa, MSb) mit darauf angebrachtem Reflektor (5 a, 5 b) aufweisen.

3. Interferometer-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis von ei­ nem Basisschlitten (BS) mit zwei darauf befind­ lichen Reflektoren (5 a, 5 b) und der Meßwertgeber (MS) von zwei Meßelementen gebildet wird, die jeweils einen Meßschlitten (MSa, MSb) mit da­ rauf angebrachtem Interferometer-Meßkopf (2 a, 3a, Ph 1a, Ph 2a; 2b, 3b, Ph 1b, Ph 2b) aufweisen.

4. Interferometer-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume der beiden Hohlkörper (4 a, 4b) mit dem Hohlraum des Kompensationskolbens (13) über eine Drucklei­ tung (18) in Verbindung stehen und daß das eine Meßelement (MSa, 5a) mit dem einen Ende des Kompensationskolbens (13) und das andere Meß­ element (MSb, 5b) mit dem anderen Ende des Kom­ pensationskolbens (13) über einen Seilzug (19) verbunden ist.

5. Interferometer-Meßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlkörper (4 a, 4 b) mit den Schlit­ ten (BS, MSa, MSb) durch elastische Dichtungen (14) und/oder elastisch angebrachte Halterungen (17, 17 a, 17b) verbunden sind.