DE4100773C2 - Interferometrische Längenmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Längenmeß­ einrichtung zur frequenz- und umweltinvarianten Messung von Weg­ längen mit einem Laser als Lichtquelle. Die Einrichtung ist für alle Einsatzgebiete der interferometrischen Längenmeßtechnik nutz­ bar, welche einen mechanisch gebundenen Meßbereich besitzen.

In der interferometrischen Längen- oder Wegmeßtechnik gibt es bereits Meßeinrichtungen, bei denen der Einfluß der Umweltbe­ dingungen auf die Meßgenauigkeit weitestgehend berücksichtigt bzw. beseitigt ist. Dazu wird die Frequenz eines als Lichtquelle be­ nutzten Lasers hinreichend gut stabilisiert. Durch Führung der Strahlengänge der interferometrischen Meßeinrichtung im Vakuum (DD-PS 221 008; DE-OS 24 60 406; DE-OS 21 13 477) werden Änderungen des Berechnungsindexes infolge veränderter Umweltbedingungen weitest­ gehend vermieden. Nachteilig ist jedoch, daß Frequenzänderungen der Lichtquelle nicht kompensiert werden.

Weiterhin ist es bekannt, mittels sogenannter Klimastationen die Parameter der Umweltbedingungen gesondert zu messen und rechnerisch bei der Ermittlung der Meßergebnisse zu erfassen. Voraussetzung für eine hohe Meßgenauigkeit ist auch hier eine konstante Frequenz des Lichtquellenlichtes.

Aus der DD-PS 120 082 ist ein interferometrisches Längenmeßsystem mit einer Einrichtung zur Korrektur der Meßergebnisse in Abhängig­ keit von den herrschenden Umweltbedingungen bekannt, welches eine Laserlichtquelle, ein erstes Interferometer mit Referenzspiegel und einen, mit einem, auf einem Schlitten eines Meßgerätes verschiebbaren Meßobjekt verbundenen Meßspiegel umfaßt.

Es ist ferner eine Korrektureinrichtung vorgesehen, welche ein zweites Interferometer umfaßt, das aus einem Strahlenteilerelement und aus einer Vergleichsstrecke besteht, die vorzugsweise in der Nähe der Meßstrecke angeordnet ist und mit einem, die Meßwerte auf den Abstand der Meßmarken beziehenden Rechner verbunden ist. Zwischen der Laserlichtquelle und dem ersten Interferometer ist ein dem zweiten Interferometer Licht zuführender Strahlenleiter angeordnet.

Ein Nachteil ist darin zu sehen, daß Meßstrecke und Vergleichsstrecke räumlich getrennt verlaufen und somit unterschiedliche Umweltbedingungen in beiden Strecken herrschen können. Da diese Vergleichsstrecke eine weitere vollständige Meßeinrichtung verkörpert, ist der technische Aufwand vergleichsweise groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Längenmeßeinrichtung zu schaffen, bei welcher der Einfluß der Änderungen der Frequenz des Lichtes der Laserlichtquelle und der Umweltbedingungen sowie Materialtemperaturänderungen auf die Meßergebnisse kompensiert und dadurch bei geringem technischen Aufwand die Meßgenauigkeit erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den im Patentanspruch 1 dargelegten Merkmalen gelöst.

Die Erfindung gestattet den Aufbau von interferentiellen Längen­ meßgeräten mit höchster Genauigkeit mit metrologischem Anschluß an das Längenbezugsnormal. Der Einfluß von Änderungen der Frequenz der Laserlichtquelle und der in der Meßstrecke herrschenden Um­ weltbedingungen auf die Meßergebnisse wird in weitestgehender Weise ausgeschaltet. Die räumliche Trennung von Meßstrecke und Vergleichsstrecke ist aufgehoben. Der technische Aufwand zur Realisierung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist vergleichs­ weise gering. Eine hohe Meßgenauigkeit wird erzielt.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Längenmeßeinrichtung mit zusammengesetztem Meßreflek­ tor und

Fig. 2 eine Längenmeßeinrichtung mit einfachem Reflektor.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte interferometrische Längen­ meßeinrichtung umfaßt eine Laserlichtquelle 1 und zwei an sich bekannte, auf dem Meßgerät fest angeordnete vorzugsweise symmetrische Interferometer 2 und 3, welche je einen Referenz­ reflektor 4 bzw. 5 und einen gemeinsamen Meßreflektor 6 umfassen. Über ein der Laserlichtquelle 1 nachgeordnetes strahlenteilendes Element 8 und über Umlenkelemente 9; 10 und 11 werden die Inter­ ferometer 2 und 3 mit Laserlicht versorgt. Es ist weiterhin ein ortsfest auf dem Meßgerät angeordnetes Längenbezugsnormal 12 vor­ gesehen, an welchem in einem konstanten Abstand die Referenz­ reflektoren 4 und 5 sowie Anschläge 13 und 14 starr befestigt sind, wobei vorzugsweise der Abstand dieser Anschläge 13 und 14 mit dem Abstand der Referenzreflektoren 4 und 5 übereinstimmt. Zwischen diesen Anschlägen 13 und 14 ist ein den Meßreflektor 6 tragender Meßschlitten 15 verschiebbar auf dem Meßgerät gelagert. Diese Anschläge 13; 14 definieren exakt die Positionen des Meß­ schlittens 15 und damit auch die Positionen des Meßreflektors 6, an denen die mit den Fotoempfängern der Interferometer 2 und 3 verbundenen Inkrementezähler 16 und 17, die mit einer Auswerteein­ richtung 18 verbunden sind, "Null" gesetzt werden. In der Aus­ werteeinrichtung 18 erfolgt die Meßwertberechnung und die Anzeige bzw. Ausgabe der Meßergebnisse in bekannter Weise.

Die in Fig. 2 dargestellte Längenmeßeinrichtung besitzt ein der Laserlichtquelle 1 nachgeordnetes, als Dreistrahlinterferometer mit zwei Referenzstrahlengängen und einem gemeinsamen Meßstrahlen­ gang ausgebildetes Interferometer 19 und ein mit optischen Meßmar­ ken 20 und 21 anstelle der Anschläge 13; 14 nach Fig. 1 versehenes Längenbezugsnormal 22, an welchem Referenzreflektoren 23 und 24 fest angeordnet sind, deren Abstand vorzugsweise dem Abstand der Meßmarken 20 und 21 entspricht. Ein zwischen den Meßmarken 20 und 21 verschiebbarer Meßschlitten 25 besitzt eine Meßmarke 26 und einen Meßfaktor 27 für den Meßstrahlengang 28. Das Interferometer 19 ist, wie die Interferometer 2 und 3 (Fig. 1), über die In­ krementezähler 16 und 17 mit der Auswerteeinrichtung 18 verbunden.

Die in beiden Ausführungsbeispielen vorhandenen, mit den Meß­ schlitten 15 bzw. 25 in Meßrichtung verschiebbaren Meßreflektoren 6 bzw. 27 besitzen also zwei ausgewählte Positionen vorzugsweise an den Enden des Meßbereiches, für die bei symmetrischem Aufbau der Interferometer 2; 3 und 19 die jeweiligen Meßstrahllängen mit den Referenzstrahllängen übereinstimmen. Diese Positionen der Meßreflektoren 6 bzw. 27 werden mit einer der Meßgenauigkeit entsprechenden hohen Reproduzierbarkeit eingestellt, wobei der Abstand der beiden Positionen der Länge des Längenbezugsnormals 12 und 22 entspricht. Dieser Abstand muß einmalig unter Normalbe­ dingungen exakt bestimmt werden. Diese Meßreflektoren 6 bzw. 27 müssen nacheinander in diese ausgewählten Positionen bewegt wer­ den, und die jeweils zugeordneten Inkrementezähler 16; 17 sind dann "Null" zu setzen, womit die Meßbereitschaft der interfero­ metrischen Längenmeßeinrichtung und ihr metrologischer Anschluß hergestellt sind.

Dieses interferometrische Längenmeßsystem arbeitet unabhängig von der Lichtfrequenz der Laserlichtquelle 1 und ermöglicht metrolo­ gisch hochgenaue Längenmessungen unter variablen Umgebungsbe­ dingungen. Es ist sowohl für hochgenaue Messungen mit einer Licht­ frequenz als auch für Interferometer mit zwei Lichtfrequenzen, die nach dem Heterodynprinzip arbeiten, geeignet.

Claims (3)

1. Interferometrische Längenmeßeinrichtung mit einer Einrichtung zur Korrektur der Meßergebnisse in Abhängigkeit von den in einer Meßstrecke herrschenden Umweltbedingungen und unabhängig von der Wellenlänge, umfassend eine Laserlichtquelle und ein erstes und ein zweites Interferometer oder ein Dreistrahlinterferometer mit Referenz- und Meßreflektoren, wobei diese Interferometer über ein, der Laserlichtquelle nachgeordnetes, strahlteilendes Element mit Licht versorgt und über getrennte Inkrementezähler mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Referenzreflektoren (4; 5 oder 23; 24) der Interferometer (2; 3 oder 19) in einem definierten Abstand voneinander an einem ortsfest mit einem Meßgerät befestigten Längenbezugsnormal (12 oder 22) angeordnet sind und jedem dieser Referenzreflektoren (4; 5 oder 23; 24) eine am Längenbezugsnormal (12) fest vorgesehene Meßmarke (20; 21) oder ein Anschlag (13; 14) zugeordnet ist,
und daß ein Meßreflektor (6 oder 27) auf einem mindestens zwischen den beiden Anschlägen (13; 14) oder Meßmarken (20; 21) verschiebbaren Meßschlitten (15 oder 25) angeordnet ist.

2. Interferometrische Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in zwei entgegengesetzte Richtungen reflektierender, aus zwei Reflektoren zusammengesetzter Meßreflektor 6 auf dem in Meßrichtung verschiebbaren Meßschlitten (15) angeordnet ist.

3. Interferometrische Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Dreistrahlinterferometer ausgebildeten Interferome­ ter (19) zwei auf dem Längenbezugsnormal (22) fest angeordnete Referenzreflektoren (23; 24) und ein auf dem zwischen den Meßmarken (20; 21) verschiebbaren Meßschlitten (25) angeord­ neter Meßreflektor (27) zugeordnet sind.