DE3738770A1 - Interferometer fuer geradheitsmessungen - Google Patents

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.