DE3632922A1 - Interferometer fuer geradheitsmessungen - Google Patents

Description

Bei Geradheitsmessungen z. B. an Führungen von verschiebbaren Maschinenteilen wird die translatorische Abweichung des geführten Teils senkrecht zu seiner Verschieberichtung gemessen. Es ist bekannt für derartige Messungen Interferometer einzusetzen.

So ist z. B. in VDI-Berichte 548 "Dokumentation Laserinterferometrie in der Längenmeßtechnik", Seite 32 (VDI-Verlag Düsseldorf 1985) sowie der DE-PS 23 22 804 ein Interferometer für Geradheitsmessungen basierend auf einem Zweimodenlaser bekannt, dessen beide orthogonal zueinander polaristierten Strahlkomponenten von einem Wollastonprisma um kleine Winkel symmetrisch zur Verschieberichtung abgelenkt und an einem Winkelspiegel in sich reflektiert werden. Eines der beiden Bauteile, entweder das Wollastonprisma oder der Winkelspiegel sind an dem verschieblichen Teil, dessen Translation gemessen werden soll, befestigt. Das bei Wiedervereinigung der Teilstrahlen am Wollastonprisma entstehende Interferenzmuster verändert sich bei Translationsbewegungen des verschieblichen Teils und wird photoelektrisch ausgewertet.

Das bekannte Interferometer ist aufwendig und teuer. Denn zum einen ist schon das Wollastonprisma selbst ein relativ teures Bauelement, da der Keilwinkel des Prismas genau auf den Winkel zwischen den beiden Spiegeln des Reflektors abgestimmt werden muß. Zum anderen erfordert diese Art der Strahlteilung einen Zweimodenlaser mit orthogonal polarisierten Strahlkomponenten. Damit ist man auf spezielle Gaslaser als Strahlungsquelle für das Interferometer festgelegt.

Ebenfalls in VDI-Berichte 548 ist auf Seite 52 ein Interferometer für Geradheitsmessungen beschrieben, das ohne Wollastonprisma arbeitet und auch keinen Zweimodenlaser benötigt. Es besteht vielmehr im wesentlichen aus zwei Doppelprismen aus einfachem Glas, die von zwei parallelen Teilstrahlen durchlaufen werden, wobei eines der beiden Prismen am verschiebbaren Teil befestigt ist. Bei Translation ändert sich die optische Weglänge der beiden durch dieses Prisma durchlaufenden Teilstrahlen abhängig vom Keilwinkel des Prismas und der Brechzahl des verwendeten Glases. Dieses Interferometer besitzt sehr viele hochgenau zu bearbeitende Flächen, nämlich die des Reflektors und des verschiebbaren Prismas. Zudem gehen Inhomogenitäten im Glasmaterial des verschieblichen Prismas in die gemessenen Weglängendifferenz ein. Deshalb ist es mit diesem Interferometer sehr schwer, eine ausreichende Meßgenauigkeit zu erzielen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein genau arbeitendes Laserinterferometer für Geradheitsmessungen zu schaffen, das einen möglichst einfachen und kostengünstigen Aufbau besitzt.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß das Bauelement ein Gitter ist und die Aufspaltung des Meßstrahls (a) durch Beugung in zwei unterschiedliche Ordnungen (+1, -1) erfolgt.

Mit der Verwendung eines Gitters als Strahlteiler entfällt das Erfordernis nach einer Strahlquelle mit zwei unterschiedlich polarisierten Moden. Es ist deshalb möglich, einfache unstabilisierte Laserdioden anstelle von Gaslasern einzusetzen. Außerdem ist das zur Strahlteilung verwendete Gitter ein sehr einfach herzustellendes und preisgünstiges Bauelement.

Als Gitter wird zweckmäßig ein Phasengitter verwendet, dessen Profil und Gitterkonstante in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlungsquelle so gewählt ist, daß die auftreffende Strahlung nahezu vollständig in zwei symmetrische Beugungsordnungen, z. B. in die +1. und -1. Beugungsordnung abgelenkt wird. Solche Gitter sind an sich bekannt. Es können sowohl Transmissions- als auch Reflexionsgitter eingesetzt werden. Die Verwendung eines Reflexionsgitters für die Strahlaufspaltung erlaubt jedoch, wie noch in den Ausführungsbeispielen erläutert wird, einen besonders bedienungsfreundlichen Aufbau des Interferometers.

Als Reflektor kann anstelle des Winkelspiegels auch ein Reflexionsphasengitter mit im Vergleich zum aufspaltenden Gitter halber Gitterkonstante verwendet werden. Dieses Gitter sollte zweckmäßig ein Echelettegitter sein, dessen Blazewinkel mit der Einfallsrichtung der auffallenden Teilstrahlen zusammenfällt, um den Intensitätsverlust der rücklaufenden Teilstrahlen gering zu halten.

Das erfindungsgemäße Geradheitsinterferometer kann außerdem mit wenigen zusätzlichen Mitteln so modifiziert werden, daß es gleichzeitig zu Positionsmessungen in Richtung des verschiebbaren Teils dient. Das ist mit bekannten Interferometern zur Geradheitsmessung bisher nicht möglich, denn dort werden beide Meßaufgaben stets nacheinander ausgeführt, indem die benötigten Interferometervorsätze gegeneinander ausgewechselt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Fig. 1a ist eine Prinzipsskizze des erfindungsgemäßen Geradheitsinterferometers in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 1b zeigt das auf den photoelektrischen Detektor (8) aus Fig. 1a auffallende Interferenzmuster;

Fig. 2a ist die Prinzipsskizze des Meßstrahlengangs in einem zweiten, abgewandelten Aufbau;

Fig. 2b zeigt einen Schnitt durch den Spiegelhalter (10) in Fig. 2a in geändertem Maßstab;

Fig. 3 ist die Prinzipsskizze eines Teils des Strahlenganges des Geradheitsinterferometers in einer alternativen, dritten Ausführungsform;

Fig. 4a stellt die Prinzipsskizze eines gleichzeitig für Geradheits- und Positionsmessungen geeigneten Interferometers dar;

Fig. 4b zeigt einen Teil des Strahlenganges aus Fig. 4a in einer um 90 Grad um die Meßachse gedrehten Ebene.

In dem in Fig. 1a beschriebenen Interferometer für Geradheitsmessungen dient ein Laser (1) als Strahlquelle. Diesem Laser (1) ist eine Optik (2) nachgeordnet, die den Laserstrahl auf einen Durchmesser von 6 mm aufweitet.

Der aufgeweitete Meßstrahl trifft auf einen Strahlteiler (5) mit einer polarisierenden Teilerschicht (6) auf. Wenn der Laser (1) linear polarisierte Strahlung liefert, so ist der Strahlteiler (5) bezüglich seiner Drehlage an die vom Laser (1) ausgehende Polarisationsrichtung auszurichten.

Das durch den Strahlteiler (5) hindurchtretende, linear polarisierte Licht durchläuft einen direkt auf den Strahlteiler (5) aufgesetzte λ/4 Platte (7) und trifft auf ein Beugungsgitter (3) auf, das den Meßstrahl (a) nahezu vollständig in zwei symmetrische Ordnungen, in die ±1. Ordnung beugt. Dadurch entstehen zwei um den Beugungswinkel α zur Achse einfallenden Strahls a abgelenkte Teilstrahlen b und c. Diese Teilstrahlen b und c fallen senkrecht auf die Flächen eines am verschieblichen Maschinenteil befestigten Winkelspiegels (4) auf, werden in sich reflektiert und interferieren bei der Wiedervereinigung am Gitter (3) miteinander. Der rücklaufende Strahl enthält dieses Interferenzmuster als Information.

Nachdem der rücklaufende Strahl die λ/4 Platte (7) ein zweites Mal durchlaufen hat, wodurch sich seine Polarisationsrichtung um 90° dreht, wird er nunmehr am Strahlteiler (5) reflektiert und tritt auf einem am zweiten Ausgang des Strahlteilers (5) angeordneten photoelektrischen Detektor (8) auf.

Da die miteinander interferierenden Teilstrahlen bei Verschiebung des Gitters um eine Gitterlinie, d. h. um die Gitterkonstante D eine optische Wegdifferenz von 4 λ erfahren, besitzt das auf den Detektor (8) auffallende Interferenzmuster eine Periode von D/4. Die Intensität des auf den Detektor (8) auffallende Interferenzmuster läßt sich daher durch folgende Formel beschreiben

Hierbei sind A ein Amplitudenfaktor, D die Gitterkonstante und x die Translationskoordinate.

Der Detektor (8) enthält drei Photodioden 8 a, 8 b und 8 c, deren Abstand A in x-Richtung so eingestellt ist, daß er 1/4 der Breite B zwischen zwei Interferenzstreifen (20 a, b) beträgt. Somit liefern die Photodioden um 90° phasenverschobene Signale, aus denen sowohl der Betrag als auch die Richtung der Translationsbewegung Δ x des entlang der Meßachse y verschiebbaren Teils ermittelt werden können, an dem der Winkelspiegel (4) befestigt ist. Diese Signale werden von einer elektronischen Auswerteeinheit (9) weiterverarbeitet.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Beugewinkel α überhöht dargestellt. Verwendet man beispielsweise einen Laser mit der Wellenlänge λ = 633 nm und als Gitter (3) ein Trans­ missionsphasengitter mit einer Periode von D = 16 µm, so beträgt der Beugungswinkel α = 2,3°. Als Gitter kann beispielsweise ein Abschnitt eines Inkrementalmaßstabes eingesetzt werden, wie er bei Koordinatenmeßgeräten üblicherweise verwendet wird. Derartige Gitter besitzen ein rechteckförmiges Profil und liefern bei der angegebenen Wellenlänge und einer Gitterkonstante von 16 µm nahezu vollständig Intensität in der ersten Beugungsordnung.

Macht man außerdem von der Möglichkeit einer elektronischen Interpolation der von den Photodioden 8 a bis 8 c gelieferten Meßsignale Gebrauch, so läßt sich mit dem beschriebenen Aufbau eine Auflösung für die Messung der Translation Δ x von 0,05 µm erzielen. Die erzielbare Meßgenauigkeit hängt in erster Linie von der Güte der Spiegelflächen des Reflektors (4) ab. Da diese Flächen mit einer Oberflächengenauigkeit von λ/40 herstellbar sind, ergibt sich eine Meßunsicherheit von ± -0,1 µm.

Der für Translationsmessungen nutzbare Fahrweg y hängt von den Abmessungen des Spiegels (4) in Translationsrichtung und dem Beugungswinkel α ab. Bei einer Spiegellänge von 200 mm läßt sich für das angegebene Beispiel ohne weiteres ein Verschiebeweg von 2,5 m realisieren. Längere Verschiebewege sind durch verkleinern des Beugungswinkels zu erreichen, was aber auf Kosten der Auflösung und der Meßgenauigkeit geht, da dies die Verwendung von Gittern mit größerer Gitterkonstante erforderlich macht.

Beim Einsatz des in Fig. 1 beschriebenen Geradheitsinterferometers sind der Meßstrahl a zu der Maschinenachse y des verschiebbaren Teils und der Winkelspiegel (4) zum Meßstrahl a genau zu justieren. Diese Justierarbeit erfordert ein mehrfaches Nachstellen an den genannten beiden durch eine Meßlänge von mehreren Metern getrennten Komponenten. Eine Vereinfachung der Handhabung bietet hier der in Fig. 2a und 2b dargestellte Aufbau. In dieser Ausführungsform sind die Strahlquelle, (eine Laserdiode 11), die zur Strahlaufweiterung verwendete Optik (12), der Strahlteiler (15), die λ/4 Platte (17) und der Detektor (18) als geschlossene Baueinheit (10) in die Justier­ fassung des Winkelspiegels (14) integriert. Diese Einheit ist am feststehenden Maschinenteil befestigt und wird mit Hilfe von Justierschrauben als Ganzes relativ zu der zu vermessenden Maschinenachse y ausgerichtet. Der Meßstrahl a tritt durch eine Bohrung im Winkelspiegel (14) hindurch und trifft auf das am verschiebbaren Maschinenteil (18) befestigte Reflexionsphasengitter (13) auf. Dort wird der Meßstrahl durch Beugung in die beiden Teilstrahlen b und c zerlegt, die wie schon in Fig. 1b beschrieben vom Winkelspiegel (14) in sich reflektiert werden und am Gitter (13) interferieren. Die Signalauswertung erfolgt auch in diesem Beispiel wie schon an Hand von Fig. 1b beschrieben.

Auf den Reflektorspiegel (14) kann verzichtet werden, wenn stattdessen, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Echelettegitter (24) verwendet wird, dessen Blazewinkel auf den Beugungswinkel α des Reflexionsphasengitter (23) abgestimmt ist. Hierzu ist erforderlich, daß die Gitterkonstante des Echelettegitters (24) halb so groß ist wie die Gitterkonstante des Reflexionsphasengitters (23).

In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden Interferometer beschrieben, die ausschließlich für Geradheitsmessungen geeignet sind. Geradheitsinterferometer des beschriebenen Typs lassen sich aber auch derart mit Interferometern zur Positionsmessung kombinieren, daß eine gleichzeitige Messung von Position und Translation erhalten wird. In den Fig. 4a und 4b ist ein solcher Aufbau dargestellt.

Ein Positionsinterferometer herkömmlicher Bauart besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten:
einem Laser (41) als Strahlquelle, einem normalen, d. h. nicht polarisierenden Strahlteiler (42) mit aufgesetztem Umlenkprisma (53) für den Referenzstrahlengang, einer λ/4 Platte (47) zur Erzeugung von zirkular polarisiertem Licht, einem Tripelprisma (52) als Reflektor für den Meßstrahlengang a, zu dem die Entfernung y gemessen werden soll, und einem Polarisationsstrahlteiler (49) am Ausgang des Strahlteilers (42). In diesem Polarisations­ strahlteiler (49) wird der Meßstrahlengang nach seiner Wiedervereinigung mit dem Referenzstrahlengang in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten zerlegt, die von den Detektoren (51) und (50) nachgewiesen werden. Die Signale dieser Detektoren (50) und (51) dienen zur Messung des Verschiebewegs des Prismas (52) in y-Richtung (Positionsmessung).

In dem Bereich auf der Vorderseite des Tripelreflektors (52), in dem der Meßstrahl a auftritt, ist ein Transmissionsphasengitter (43) aufgesetzt, dessen Gitterkonstante durch Furchenprofil so gewählt ist, daß es bei der vom Laser (41) gelieferten Wellenlänge gleichmäßig sowohl in nullter Ordnung transmittiert als auch in die beiden ersten Ordnungen (±) beugt. Die gebeugten Teilstrahlen b und c werden durch den Tripelreflektor (52) umgelenkt und laufen in einer den Meßstrahl a enthaltenden Ebene unter dem Beugungswinkel α abgelenkt zurück und treffen auf den Winkelspiegel (44) auf, wo sie in sich reflektiert werden.

Sie werden dann ein zweitesmal durch den Tripelreflektor (52) umgelenkt und gelangen nach nochmaligem Durchtritt durch das Gitter (43) zu einem zwischen dem Strahlteiler (42) des Positionsinterferometers und der λ/4 Platte (47) angeordneten Polarisationsstrahlteiler (45), wo sie auf den für die Translationsmessung vorgesehenen Detektor (48) auftreffen.

Der in nullter Ordnung transmittierte Meßstrahl d hingegen tritt durch eine zentrische Bohrung im Winkelspiegel (44) hindurch und tritt direkt in den Strahlteiler (42) für die Positionsmessung ein.

Claims (8)

1. Interferometer für Geradheitsmessungen, mit einem Bauelement zur Aufspaltung des Meßstrahls(a) in zwei Teilstrahlen (b, c), einem Reflektor, der die beiden Teilstrahlen in sich zurückspiegelt und einer Einrichtung zum photoelektrischen Nachweis des bei Wiedervereinigung der beiden Teilstrahlen (b, c) auftretenden Interferenzmusters (20 a, b), dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement ein Gitter (3, 13, 23, 43) ist und die Aufspaltung des Meßstrahls (a) durch Beugung in zwei unterschiedliche Ordnungen (+1, -1) erfolgt.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (3, 13, 23, 33) ein Phasengitter ist und die einfallende Strahlung im wesentlichen nur in zwei symmetrische Ordnungen (+1, -1) beugt.

3. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (13, 23) ein Reflexionsphasengitter ist.

4. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (24) ein Reflexionsphasengitter mit einer im Vergleich zum aufspaltenden Gitter (23) halber Gitterkonstante ist.

5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (24) ein Echelettegitter ist, dessen Blazewinkel mit der Richtung des einfallenden Strahls zusammenfällt.

6. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle des Interferometers eine Laserdiode (11) ist.

7. Interferometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (11) und der Reflektor (14) bzw. das Reflektorgitter (24) eine fest zueinander justierte Baueinheit (10) bilden.

8. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (43) zusätzlich einen dritten Teilstrahl (d) in seiner nullten Beugungsordnung liefert und diesem Teilstrahl ein weiteres Inferferometersystem (42) zur Positionsmessung zugeordnet ist.