DE3839187A1 - Interferometrische laengenmesseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine interferometrische Längenmeßeinrichtung für mittlere und größere Meßlängen, welche für den Einbau in Meß- und Werkzeugmaschinen und für die Benutzung als Hand- und Tischgerät für den Einsatz im Labor und bei der Maschineninspektion anwendbar ist.

Bekannte interferometrische Meßeinrichtungen für mittlere und große Längen umfassen eine Laserlichtquelle, Strahlenteiler und Reflektoren, die sowohl die exakte Strahlenrückführung als auch die Beibehaltung der Wellenrichtung und -ebenheit gewährleisten müssen. Es wird mit Interferenzen gleicher Dicke und etwa unendlich großen Ordnungsabständen gearbeitet. Der Nachteil dieser aus der DD-PS 1 56 141, DD-PS 1 11 993 und aus den "VDI-Berichten 548", VDI-Verlag Düsseldorf 1985, Seiten 24 ff. bekannten Einrichtungen besteht vor allem darin, daß schon eine geringe Störung der Wellengestalt der Lichtbündel der elektrischen Empfängersignale führen und einen frühzeitigen Signalausfall hervorrufen kann.

Die aus dem ABC der Optik", VEB Brockhaus Verlag, Leipzig 1961, Seite 532 und Raentsch "Die Optik in der Feinmeßtechnik", Hanser Verlag München 1949, Seiten 260-267 und 285-299, bekannte, interferentielle Längenmeßtechnik benutzt Interferenzen gleicher Dicke mit endlichen, visuell gut abschätzbaren Ordnungsabständen. Diese werden mit Justiertischen oder Keilen nach Bedarf eingestellt. Hierbei wird die relative Schräglage der Reflexionsflächen über den gesamten Bereich (Länge und Breite des Meßfeldes) entsprechend verändert. Diese Technik ist zwar visuell nutzbar, für eine automatische Längenmessung jedoch nicht anwendbar.

Aus der DD-PS 2 20 698 ist eine Vorrichtung zur interferentiellen Messung kleiner Wege und Verschiebungen bekannt, die als Interferometerteilerwürfel ein bekanntes Koestersprisma umfaßt, welches aus zwei rechtwinkligen Prismen zusammengesetzt ist, die mit ihren großen Kathetenflächen verkittet sind, wobei die Kathetenflächen teilverspiegelt sind. Der 60°-Winkel dieser Prismen liegt zwischen der Hypotenusenfläche und der kleineren Kathetenfläche, wobei der im zurückgeführten Meßstrahlengang gelegene 60°-Winkel des einen Prismas so von 60° abweicht, daß ein gewünschter Strei­ fenabstand entsteht. Der Ordnungsabstand wird also durch Rich­ tungsänderung einer Reflexionsfläche eingestellt.

Da jedoch die Fläche zur Veränderung der Strahlrichtung inmitten des Strahlenganges liegt, bewirkt die damit erzeugte Schieflage des Meßstrahlenganges eine von der jeweiligen Position des Meßreflektors anhängige veränderliche Überdeckung von Meß- und Referenzstrahlenbündel am Ort der Signalgewinnung, also auf der fotoelektrischen Empfängeranordnung. Für kleine Verschiebewege des Meßreflektors, d. h. für kleine Meßbereiche, ist das ohne wesentliche Auswirkung. Bei mittleren und größeren Verschiebewegen des Meßreflektors wäre die Überdeckungsveränderung so groß, daß eine Signalgewinnung und damit eine interferometrische Längenmessung nicht erfolgen kann.

Es ist Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein mit geringem technischen Aufwand herstellbares, interferometrisches Meßgerät hoher Genauigkeit zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Längenmeßeinrichtung zu schaffen, welches einen einfachen Aufbau, keine polarisierenden Elemente und endliche Ordnungsabstände sowie eine hohe Signalausbeute besitzt und für die Messung mittlerer und großer Längen und Verschiebungen einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer interferometrischen Längenmeßeinrichtung für mittlere und große Meßlängen, mit einer Laserlichtquelle, einem, einen Meß- und einen Referenzstrahlengang erzeugenden Interferenzteilerblock, der aus mehreren, verkitteten Prismen zusammengesetzt ist, sowie mit einem Referenz- und Meßreflektor im Meß- bzw. Referenzstrahlengang und mit fotoelektrischen Empfängern, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückführweg der vom Meß- oder Referenzstrahlengang reflektierenden Lichtbündel an oder in unmittelbarer Nähe des Interferenzteilerblockes ein, Interferenzen mit endlichen Ordnungsabständen realisierender, optischer Keil mit einem Keilwinkel vorgesehen ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Interferometerblock im Wege des von der Laserlichtquelle ausgesandten Lichtbündels zwei mit Brewsterwinkeln versehene, an ihrer größten optisch wirksamen Fläche verkittete Wendeprismen und in den Rückführwegen der von dem Meß- und Referenzreflektor reflektierten Lichtbündel zwei ebenfalls an ihrer größten optisch wirksamen Fläche verkittete Wendeprismen vorgesehen sind, wobei eines der Wendeprismen im Rückführweg des Meß- oder Referenzstrahlenganges zwei Brewsterwinkel zwischen der größten und den beiden anderen optisch wirksamen Flächen aufweist und das andere der Wendeprismen des Rückführwe­ ges einen Brewsterwinkel zwischen der größten und der einen weiteren optisch wirksamen Fläche und einen vom Brewsterwinkel abweichenden Winkel zwischen der größten und der anderen, weiteren optisch wirksamen Fläche dieses Wende­ prismas besitzt, und daß die Kittflächen teildurchlässig verspiegelt sind.

Es ist ferner vorteilhaft, daß der Interferenzteilerblock aus vier mit Brewsterwinkeln versehenen, gleichen Wendeprismen aufgebaut ist, wobei im Rückführweg des Meßstrahlenganges oder im Rückführweg des Referenzstrahlenganges auf einer der kleineren optisch wirksamen Flächen des betreffenden Wendeprismas ein schwacher Glaskeil mit einem Keilwinkel aufgesetzt ist.

Der Interferometerblock der Meßeinrichtung besitzt also einen optischen Keil im Rückführweg des Meßstrahlenganges oder in einem Weg des Referenzstrahlenganges in unmittelbarer Nähe der Teilerfläche des Blockes. Dieser Keil erzeugt den für die Bildung von Interferenzen mit endlichem Ordnungsabstand erforderlichen virtuellen Keil, ohne die Geometrie und Beschaffenheit des Meßstrahlenganges durch störende Auslenkungen zu beeinflussen. Damit ist diese Meßeinrichtung zur Messung insbesondere mittlerer und großer Länge gut geeignet.

Die interferometrische Längenmeßeinrichtung ist ferner unkompliziert im Aufbau, insbesondere hinsichtlich seiner optischen Bauelemente. Die geringe Anzahl der optisch wirksamen Flächen reduziert die Deformation der Wellenfronten der Strahlenbündel und ist zugleich Voraussetzung für eine reproduzierbare gute Signalausbeute und -qualität der fotoelektrischen Empfänger. Bei gleichen Glaswegen tritt im Meßgerät Reflexfreiheit auf.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Einrichtung mit Interferenzteilerblock mit Brewsterwinkeln und

Fig. 2 eine Einrichtung mit Interferometerblock mit einem aufgesetzten Keil.

Die stark vereinfacht dargestellte Meßeinrichtung umfaßt eine Laserlichtquelle 1, einen, einem Meß- und einen Referenzstrahlengang erzeugenden Interferenzteilerblock 2, der aus vier miteinander verkitteten Wendeprismen 3; 4; 5 und 6 besteht, sowie mindestens einen Meß- 7 und einen Referenzreflektor 8 und mindestens einen fotoelektrischen Empfänger 9 und 10 im Meß- und Referenzstrahlengang. Die Empfänger 9 und 10 stehen mit einer Auswerteeinheit 11 für die Meßsignalverarbeitung in Verbindung.

Der Interferenzteilerblock 2 umfaßt im Wege 12 des von der Laserlichtquelle 1 ausgesandten, kohärenten Lichtbündels mit Brewsterwinkeln α versehene Wendeprismen 3 und 4, die an ihrer gemeinsamen Fläche 13, die die größte optisch wirksame Fläche ist, verkittet sind. Die Fläche 13 ist teildurchlässig verspiegelt. In den Rückführwegen 14 und 15 der vom Meß- und Referenzreflektor 7 und 8 reflektierten Lichtbündel sind die zwei an ihren größten optisch wirksamen und teildurchlässig verspiegelten Flächen 16 verkitteten Wendeprismen 5 und 6 angeordnet. Eines dieser Wendeprismen, das Wendeprisma 6, besitzt den Brewsterwinkel jeweils zwischen der größten 16 und den beiden anderen optisch wirksamen Flächen. Das andere im Rückführweg 14 liegende Wendeprisma 5 besitzt einen Brewsterwinkel α zwischen der Fläche 16 und einer seiner kleineren optisch wirksamen Flächen. Der Winkel zwischen der Fläche 16 und seiner anderen kleineren optisch wirksamen Fläche weicht vom Brewsterwinkel α um den Keilwinkel γ ab.

Der Interferenzteilerblock 2 kann auch von der dargestellten Weise abweichend ausgeführt sein, wobei dann im Rückführweg 14 des Meßstrahlenganges oder im Rückführweg 15 des Referenzstrahlenganges auf einer der kleineren optisch wirksamen Flächen des betreffenden Wendeprismas, z. B. 5, ein schwacher Glaskeil mit einem optisch wirksamen Keilwinkel γ aufgesetzt ist.

Der entsprechende Keilwinkel γ ist auch durch eine geringfügige Drehung z. B. des Windeprismas 5 um eine zur Fläche 16 senkrechte Achse realisierbar (nicht dargestellt).

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die Wellenfronten der Lichtbündel im Meß- oder Referenzstrahlengang durch einen optischen Keil zueinander gedreht, und es entstehen Interferenzen gleicher Dicke mit endlichem Ordnungsabstand, die durch den fotoelektrischen Empfänger 9 im Meßstrahlengang erfaßt und zur Meßwertgewinnung von der Auswerteeinheit 11 weiterverarbeitet werden. Damit, im Unterschied zum Stand der Technik, das zurücklaufende Lichtbündel im Meßstrahlengang bei größeren Meßwegen keine unzulässig großen Querverschiebungen erteilt bekommt, wird dieser optische Keil mit dem Keilwinkel γ in den Rückführwegen des Meß- und Referenzstrahlenganges in der Nähe der strahlenteilenden Fläche 16 vorgesehen.

Der fotoelektrische Empfänger 10 im Referenzstrahlengang kann beispielsweise zur redundanten Verarbeitung der hier ankommenden, um 180° phasenverschobenen Signale zur Ausfallsignalisation oder auch zur Lichtmessung benutzt werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Meßeinrichtung mit der Lichtquelle 1 besitzt einen Interferenzteilerblock 17 mit einer Teilerfläche 22, einen Meß- 18 und einen Referenzreflektor 19. Im Rückführweg 20 des vom Meßreflektor 18 reflektierten Lichtbündels ist am Interferenzteilerblock 17 ein Prisma 21 mit einem Keilwinkel γ angeordnet. Mit 9 ist der fotoelektrische Empfänger in Fig. 2 bezeichnet, der in Meßstrahlengang angeordnet ist und die Meßsignale erzeugt. Bei diesem Interferenzteilerblock 17 treten die Lichtbündel unter einem anderen als dem Brewsterwinkel aus, z. B. senkrecht.

Claims (3)

1. Interferometrische Längenmeßeinrichtung für mittlere und größere Meßlängen, mit einer Laserlichtquelle, einem, einen Meß- und Referenzstrahlengang erzeugenden Interferenzteilerblock, der aus mehreren verkitteten Prismen zusammengesetzt ist, sowie mit einem Meß- und einem Referenzreflektor im Meß- und Referenzstrahlengang und mit fotoelektrischen Empfängern, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückführweg (14; 15; 20) der vom Meß- (7; 18) oder Referenzreflektor (8; 19) reflektierten Lichtbündel an oder in unmittelbarer Nähe des Interferenzteilerblockes (2; 17) ein Interferenzen mit endlichen Ordnungsabständen realisierender Keil oder Prisma (21) mit einem Keilwinkel γ vorgesehen ist.

2. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Interferenzteilerblock (2) im Wege (12) des von der Laserlichtquelle (1) ausgesandten Lichtbündels zwei mit Brewsterwinkeln versehene, an ihren größten optisch wirksamen Flächen (13) verkittete Wendeprismen (3; 4) und in den Rückführwegen (14; 15) der von dem Meß- und Referenzreflektor (7; 8) reflektierten Lichtbündel zwei ebenfalls an ihrer größten optisch wirksamen Fläche (16) verkittete Wendeprismen (5; 6) vorgesehen sind, wobei eines (6) der Wendeprismen (5; 6) im Rückführweg (14; 15) des Meß- oder Referenzstrahlenganges zwei Brewsterwinkel α zwischen der größten und den beiden anderen optisch wirksamen Flächen aufweist und das andere (5) der Wendeprismen (5; 6) des Rückführweges einen Brewsterwinkel α zwischen der größten und der einen weiteren optisch wirksamen Fläche und einen vom Brewsterwinkel α abweichenden Winkel zwischen der größten (16) und der anderen weiteren optisch wirksamen Fläche dieses Wendeprismas besitzt, und daß die Kittflächen teildurchlässig verspiegelt sind.

3. Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Interferenzteilerblock (2) aus vier mit Brewsterwinkel α versehenen, gleichen Wendeprismen (3; 4; 5; 6) aufgebaut ist, wobei im Rückführweg (14) des Meßstrahlenganges oder im Rückführweg (15) des Referenzstrahlenganges auf einer der kleineren optisch wirksamen Fläche des betreffenden Wendeprismas (z. B. 5) ein schwacher Glaskeil (21) mit einem Keilwinkel γ aufgesetzt ist.