DE3632922C2 - - Google Patents
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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 polarisierten
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 vm 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.
Aus der DE-OS 26 24 295 ist ein Interferometer für
Geradheitsmessungen bekannt, das mit zwei Gittern als
Strahlteiler und einem Tripelspiegel am beweglichen
Maschinenteil zur parallelversetzten Rückspiegelung des von den
Gittern ausgehenden Meßstrahls arbeitet. Eines der beiden
Gitter wird zur Modulation des Meßstrahles periodisch hin- und
herbewegt. Abgesehen von dem relativ hohen Lichtverlust durch
die Hintereinanderschaltung zweier Gitter ist dieses
Interferometer relativ aufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein genau
arbeitendes Laserinterferometer für Geradheitsmessungen zu
schaffen, das einen möglichst einfachen und kostengünstigen und
bedienungsfreundlichen Aufbau besitzt.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1
angegebenen Merkmale gelöst.
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.
Da nur ein einzelnes Gitter zur Strahlaufspaltung benötigt
wird, das am verschieblichen Teil befestigt wird, ergibt sich
ein besonders einfacher und leicht zu handhabender Aufbau.
Als Gitter wird zweckmäßig ein Phasengitter verwendet, dessen
Pofil und Gitterkonstante im 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.
Die Erfindung wird anhand der nachstehend
beschriebenen Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen
näher erläutert:
Fig. 1a ist eine Prinzipskizze des Strahlverlaufs in einem
Geradheitsinterferometer;
Fig. 1b zeigt das auf den photoelektrischen Detektor 8 aus
Fig. 1a auffallende Interferenzmuster;
Fig. 2a ist die Prinzipskizze des Meßstrahlengangs in einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2b zeigt einen Schnitt durch den Spiegelhalter 10 in
Fig. 2a in geändertem Maßstab;
Fig. 3 ist die Prinzipskizze eines Teils des Strahlenganges
des Geradheitsinterferometers in einer alternativen,
zweiten Ausführungsform;
Fig. 4a stellt die Prinzipskizze 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 eine 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 des 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 Strahlteiles 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 dem Detektor 8
auffallende Interferenzmusters 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 Beugungswinkel α überhöht
dargestellt. Verwendet man beispielsweise einen Laser mit
der Wellenlänge λ = 633 nm und als Gitter 3 ein Transmissionsphasengitter
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 Spiegelllänge von 200 mm läßt
sich für das angegebene Beispiel ohne weiteres ein Verschiebeweg
von 2,5 m realisieren. Längere Verschiebewege sind durch ein
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 mit Strahlteilerschicht 16, die λ/4-Platte 17 und der
Detektor 18 als geschlossene Baueinheit 10 in die Justierfassung
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 19 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
statt dessen, 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 normalem, 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 Polarisationsstrahlteiler 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 Prisma 52 in y-Richtung (Positionsmessung).
einem Laser 41 als Strahlquelle, einem normalem, 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 Polarisationsstrahlteiler 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 Prisma 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 und 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 Polarisationsinterferometers
und der λ/4-Platte 47 angeordneten
Polarisationsstrahlteiler 45 mit Strahlteilerschicht 46, 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 von Führungen für
bewegliche Maschinenteile, mit einem Gitter (13, 23, 43)
zur Aufspaltung des zur Führungsrichtung parallelen
Meßstrahls (a) in zwei Teilstrahlen (b, c) durch Beugung
in zwei unterschiedliche Ordnungen (+1, -1) des Gitters
(13, 23, 43), einem Reflektor (14, 14, 44), die die beiden
Teilstrahlen zurückspiegelt und einer Einrichtung (18, 48)
zum photoelektrischen Nachweis des bei Wiedervereinigung
der beiden Teilstrahlen (b, c) auftretenden
Interferenzmusters (20 a, b), dadurch gekennzeichnet, daß
das Gitter (13, 23, 43) am beweglichen Maschinenteil (19)
befestigt ist, daß die Strahlquelle (11, 41), der
Reflektor (14, 24, 44) und die Einrichtung (18, 48) zum
photoelektrischen Nachweis vom Gitter (13, 23, 43) aus
betrachtet auf der gleichen Seite am feststehenden
Maschinenteil (19) befestigt sind und daß der Reflektor
(14, 24, 44) jeden der beiden Teilstrahlen in sich
zurückspiegelt.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gitter (13, 23, 43) 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), der Reflektor (14, 24) und die
Einrichtung (18) zum photoelektrischen Nachweis 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 (d) ein weiteres Interferometersystem
(42, 49, 50, 51, 53) zu Positionsmessung zugeordnet ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863632922 DE3632922A1 (de) | 1986-09-27 | 1986-09-27 | Interferometer fuer geradheitsmessungen |
DE19873738770 DE3738770A1 (de) | 1986-09-27 | 1987-11-14 | Interferometer fuer geradheitsmessungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863632922 DE3632922A1 (de) | 1986-09-27 | 1986-09-27 | Interferometer fuer geradheitsmessungen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3632922A1 DE3632922A1 (de) | 1988-04-07 |
DE3632922C2 true DE3632922C2 (de) | 1990-03-22 |
Family
ID=6310522
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863632922 Granted DE3632922A1 (de) | 1986-09-27 | 1986-09-27 | Interferometer fuer geradheitsmessungen |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3632922A1 (de) |
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DE2624295A1 (de) * | 1976-05-31 | 1977-12-15 | Leitz Ernst Gmbh | Interferenzlineal |
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GB2185314B (en) * | 1986-01-14 | 1990-09-26 | Canon Kk | Encoder |
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1986
- 1986-09-27 DE DE19863632922 patent/DE3632922A1/de active Granted
Also Published As
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