DE3738770A1 - Interferometer fuer geradheitsmessungen - Google Patents
Interferometer fuer geradheitsmessungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Interferometer für Geradheits
messungen des in der Stammanmeldung P 36 32 922.3 beschriebenen
Typs.
Bei Geradheitsmessungen z.B. an Führungen von verschiebbaren
Maschinenteilen wird die translatorische Abweichung des ge
führten Teils senkrecht zu seiner Verschieberichtung gemessen.
Es ist bekannt für derartige Messungen Interferometer einzu
setzen. So ist z.B. in VDI-Berichte 548 "Dokumentation Laser
interferometrie 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 Win
kelspiegel in sich reflektiert werden. Eines der beiden Bau
teile, 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 Interfero
meter für Geradheitsmessungen beschrieben, das ohne Wollaston
prisma arbeitet und auch keinen Zweimodenlaser benötigt. Es
besteht vielmehr im Wesentlichen aus zwei Doppelprismen aus
einfachem Glas, die von zwei paralellen Teilstrahlen durchlau
fen werden, wobei eines der beiden Prismen am verschiebbaren
Teil befestigt ist. Bei Translation ändert sich die optische
Weglänge der beiden durch dieses Prisma durchlaufenden Teil
strahlen abhängig vom Keilwinkel des Prismas und der Brechzahl
des verwendeten Glases. Dieses Interferometer besitzt sehr
viele hochgenau zu bearbeitende Flächen, nämlich die des Re
flektors und des verschiebbaren Prismas. Zudem gehen Inhomoge
nitäten 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 Geradheits
messungen bekannt, das mit zwei Gittern als Strahlteiler und
einem Tripelspiegel am beweglichen Maschinenteil zur parallel
versetzten Rückspiegelung des von den Gittern ausgehenden
Meßstrahls arbeitet. Eines der beiden Gitter wird zur
Modulation des Meßstrahles periodisch hin- und herbewegt. Abge
sehen von dem relativ hohen Lichtverlust durch die Hinter
einanderschaltung zweier Gitter ist dieses Interferometer
relativ aufwendig.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein genau ar
beitendes Laserinterferometer für Geradheitsmessungen zu schaf
fen, daß einen möglichst einfachen und kostengünstigen und
bedienungsfreundlichen Aufbau besitzt.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches
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 un
stabilisierte 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
Profil und Gitterkonstante in Abhängigkeit von der Wellenlänge
der Strahlungsquelle so gewählt ist, daß die auftreffende
Strahlung nahezu vollständig in zwei symmetrische Beugungsord
nungen, z.B. in die +1. und -1. Beugungsordnung abgelenkt wird.
Solche Gitter sind an sich bekannt. Es können sowohl Transmis
sions- als auch Reflexionsgitter eingesetzt werden. Die Verwen
dung eines Reflexionsgitters für die Strahlaufspaltung erlaubt
jedoch, wie noch in den Ausführungsbeispielen erläutert wird,
einen besonders bedienungsfreundlichen Aufbau des Interferome
ters.
Als Reflektor kann anstelle des Winkelspiegels auch ein Refle
xionsphasengitter 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 verschiebba
ren 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 Aus
führungsbeispielen:
Fig. 1a ist eine Prinzipsskizze des Strahlenverlaufs in einem
Geradheitsinterferometer;
Fig. 1b zeigt das auf den photoelektrischen Detektor (8) aus
Fig. 1a auffallende Interferenzmuster;
Fig. 2a ist die Prinzipsskizze des Meßstrahlengangs in einem
ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;
Fig. 2b zeigt einen Schnitt durch den Spiegelhalter (10) in
Fig. 2a in geändertem Maßstab;
Fig. 3 ist die Prinzipsskizze eines Teils des Strahlen
ganges des Geradheitsinterferometers in einer alter
nativen, weiteren 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 getreten Ebene.
In dem in Fig. 1a beschriebenen Interferometer für Gerad
heitsmessungen 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 Strahl
teiler (5) bezüglich seiner Drehlage an die vom Laser (1)
ausgehende Polarisationsrichtung auszurichten.
Das durch den Strahlteiler (5) hindurchtretende, linear polari
sierte 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 symme
trische 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 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 einen am zweiten Ausgang des Stahlteilers (5)
angeordneten photoelektrischen Detektor (8) auf.
Da die miteinander interferierenden Teilstrahlen bei Verschie
bung des Gitters um eine Gitterlinie, d.h. um die Gitter
konstante 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 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 Si
gnale, aus denen sowohl der Betrag als auch die Richtung der
Translationsbewegung Δ x des entlang der Meßachse y verschieb
baren Teils ermittelt werden können, an dem entweder der
Winkelspiegel (4) oder aus Gitter (3) befestigt ist. Für das
Verständnis der Funktion des Interferometers ist wesentlich,
daß Relativbewegungen zwischen Gitter und Winkelspiegel ge
messen werden. Die Signale der Photodioden werden von einer
elektronischen Auswerteeinheit (9) weiterverarbeitet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Beugungswinkel α über
höht dargestellt. Verwendet man beispielsweise einen Laser mit
der Wellenlänge λ=633 nm und als Gitter (3) ein Trans
missionsphasengitter mit einer Peride 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. Der
artige Gitter besitzen ein rechteckförmiges Profil und liefern
bei der angegebenen Wellenlänge und einer Gitterkonstante von
16 µm nahezu vollständig Intensität in der ersten Beugungs
ordnung.
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 Verschiebe
weg 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 erforder
lich macht.
Beim Einsatz des in Fig. 1 beschriebenen Geradheitsinterfero
meters sind der Meßstrahl a zu der Maschinenachse y des ver
schiebbaren Teils und der Winkelspiegel (4) zum Meßstrahl a
genau zu justieren. Diese Justierarbeit erfordert ein mehr
faches Nachstellen an den genannten beiden durch eine Meßlänge
von mehreren Metern getrennten Komponenten. Der in Fig. 2a und
2b dargestellte Aufbau bietet hier eine wesentliche Verein
fachung der Handhabung. Gemäß der Erfindung sind nämlich 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 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 (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 Reflexionsphasen
gitters (23).
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden Interferometer
beschrieben, die ausschließlich für Geradheitsmessungen ge
eignet sind. Geradheitsinterferometer des beschriebenen Typs
lassen sich aber auch derart mit Interferometern zur Positions
messung kombinieren, daß eine gleichzeitige Messung von Posi
tion und Translation erhalten wird. In den Fig. 4a und 4b
ist ein solcher Aufbau dargestellt.
Das Positionsinterferometer besitzt einen an sich bekannten
Aufbau und besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten:
einem Laser (41) als Strahlquelle, dessen Ausgangsleistung von
einer aus zwei Linsen (61) und (63) und einem dazwischen ange
ordneten Lichtleiter (62) bestehenden Versorgungseinrichtung
einem Interferometer zugeführt wird. Das Interferometer enthält
einen normalen, d.h. nicht polarisierenden Strahlteiler (42)
mit aufgesetztem Umlenkprisma (53) für den Referenzstrahlen
gang, eine λ/4 Platte 47 zur Erzeugung von zirkular
polarisiertem Licht, ein Tripelprisma (52) als Reflektor für
den Meßstrahlengang a, zu dem die Entfernung y gemessen werden
soll, und einen Polarisationsstrahlteiler (49) am Ausgang des
Strahlteilers (42). In diesem Polarisationsstrahlteiler (49)
wird der Meßstrahlengang nach seiner Wiedervereinigung mit dem
Referenzstrahlengang in zwei senk recht 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 Transmissionsphasen
gitter (43) aufgesetzt, dessen Gitterkonstante und Furchenpro
fil 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 ge
beugten 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 Po
sitionsinterferometers und der λ/4 Platte (47) angeordneten
Polarisationsstrahlteiler (45), wo sie auf den für die Trans
lationsmessung vorgesehenen Detektor (48) auftreffen.
Der in nullter Ordnung transmittierte Meßstrahl d hingegen
tritt durch eine zentrische Bohrung im Winkelspiegel (44) hin
durch und tritt direkt in den Strahlteiler (42) für die Posi
tionsmessung ein.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Komponenten des
Interferometers einschließlich des Retroreflektors (44) zu
einer feststehenden Baueinheit (60) zusammengefaßt, während
allein das auf den Tripelreflektor (52) aufgesetzte Gitter am
beweglichen Maschinenteil befestigt ist.
Claims (8)
1. Interferometer für Geradheitsmessungen von Führungen für
bewegliche Maschinenteile, mit einem Gitter zur Aufspaltung
des Meßstrahls (a) in zwei Teilstrahlen (b, c) durch Beugung
in zwei unterschiedliche Ordnungen (+1, -1) des Gitters,
einem Reflektor, der die beiden Teilstrahlen zurückspiegelt
und einer Einrichtung 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) be
festigt ist, der Reflektor (14, 24, 44) jeden der beiden Teil
strahlen in sich zurückspiegelt und das Interferometer
(15, 45) und der Reflektor (14, 44) bzw. das Reflektorgitter
(24) eine fest zueinander justierte Baueinheit (10, 60)
bilden.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gitter (3, 13, 23, 33) ein Phasengitter ist und die einfal
lende 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 Gitterkon
stante ist.
5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reflektor (24) ein Echelettegitter ist, dessen Blazewin
kel mit der Richtung des einfallenden Strahls zusammen
fällt.
6. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlquelle des Interferometers eine Laserdiode
(11) ist.
7. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gitter (43) zusätzlich eine dritten Teilstrahl (d) in
seiner nullten Beugungsordnung liefert und diesem Teilstahl
ein weiteres Inferferometersystem (42) zur Positionsmessung
zugeordnet ist.
8. Interferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Versorgung der Interferometer (42, 45) mit Laserstrahlung
über einen Lichtleiter (62) erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873738770 DE3738770A1 (de) | 1986-09-27 | 1987-11-14 | Interferometer fuer geradheitsmessungen |
Applications Claiming Priority (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 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3738770A1 true DE3738770A1 (de) | 1989-06-01 |
Family
ID=25847919
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873738770 Withdrawn DE3738770A1 (de) | 1986-09-27 | 1987-11-14 | Interferometer fuer geradheitsmessungen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3738770A1 (de) |
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1987
- 1987-11-14 DE DE19873738770 patent/DE3738770A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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Ref country code: DE Ref document number: 3632922 Format of ref document f/p: P |
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8130 | Withdrawal |