WO2015048993A1 - Messen der relativen ausrichtung und/oder relativen lage von zueinander beweglichen bauteilen einer vorrichtung, insbesondere eines koordinatenmessgerätes - Google Patents

Messen der relativen ausrichtung und/oder relativen lage von zueinander beweglichen bauteilen einer vorrichtung, insbesondere eines koordinatenmessgerätes Download PDF

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Thomas Engel
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/27—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes
    • G01B11/272—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes using photoelectric detection means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/045—Correction of measurements

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring a relative position of relatively movable components of a device, in particular one
  • Coordinate measuring machine or a machine tool wherein a first component and a second component of the device are so movable relative to each other, that with the movement relative orientation (in particular a rotation angle) and / or a relative position (in particular a distance) of the first and second component changes.
  • the invention further relates to an arrangement for measuring a relative position of relatively movable components of a device having, as described above, relatively movable first and second components. Also, the invention relates to a
  • the invention relates to a sensor for a
  • the invention relates to the measurement of relative movements in which the relatively movable components change their relative orientation, whether it is a pure rotational movement or a superimposed rotational (ie rotational) and translational (ie rectilinear) movement ,
  • the invention also relates to the measurement of exclusively translatory movements.
  • Angular seconds occur especially for sensors or other moving parts for coordinate measuring machines.
  • the relative movements of the components may be desired movements, e.g. when touching one to be measured
  • Workpiece occur by means of a mechanical button, the surface of the Workpiece touches.
  • the movements may alternatively or additionally be unwanted movements which occur, for example, when bending a component (for example a movable arm of a coordinate measuring machine) under mechanical load or due to temperature fluctuations.
  • a component for example a movable arm of a coordinate measuring machine
  • knowledge of both types of motion is beneficial or even required to achieve the desired result.
  • the goal is precise measurement of workpieces.
  • the sensors are magnetic field sensors, capacitive sensors and / or inductive sensors.
  • optical sensors have already been proposed, but e.g. require relatively large space when using the Triangulationsongs and usually also have a large mass because of the required mechanical stability. For many applications in the field of coordinate metrology, however, a low mass is sought and is little space available.
  • Incremental scales are provided which are read by a reading head arranged on the other part.
  • the read head requires movement space over the entire movement range of the linear movement or it must be arranged in such a way that the other part can move past it over the entire movement range. If several linear movements are to be measured, as e.g. In the case of a gantry-type or gantry-type coordinate measuring machine, with scales extending beyond the movement range, there is also the problem that the reading of the scales must take place at different locations and the orientation of the measurement sites relative to one another may vary unintentionally, e.g. by an unintended torsion of one of the components during the linear movement.
  • the inclinometer has a A resonator for receiving an incident signal from a signal transmitter and outputting a resonant signal.
  • the angle of incidence exists between a plane which is perpendicular to the resonator and the incident signal.
  • a sensor is provided to detect the resonated signal.
  • a processor connected to the sensor compares intensities of the incident signal and the signal
  • the processor determines if and by how much the angle of incidence has changed.
  • US 4,969,744 describes a plane-parallel plate to which coherent light from a laser is irradiated. An interference pattern is observed on a screen and mapped onto a multichannel detector defining a position. The interference pattern moves as the disk is rotated about its axis. In this way, a highly sensitive measuring device is provided with which measurements can be carried out up to fractions of an arc second.
  • US 7,187,447 B1 describes a stepped etalon having an upper surface and two lower surfaces parallel to the upper surface and each positioned at a different distance from the upper surface.
  • Each bottom surface has an edge with the edges facing each other and an inclined step positioned between the two edges such that radiation from a light beam projected onto the top surface intersects the step at a Brewster angle and through the etalon without any back-reflection in the etalon.
  • rotational movements and movement components should be measurable independently of any translatory movements and movement components.
  • translational movements eg in the case of a distance measurement
  • an etalon is used, ie an interferometer with reflectors for reflecting electromagnetic radiation whose reflectors form an optical resonator.
  • etalons are the etalons known per se from the prior art, in particular a solid-state etalon with a transparent, on opposite sides with the reflectors
  • a Fabry-Perot interferometer a scanning Fabry-Perot interferometer, a Mach-Zehnder interferometer, a Twyman-Green interferometer or a Sagnac interferometer.
  • the reflectors form an optical resonator, i. through multiple reflection of the
  • Electromagnetic radiation filtered with respect to its wavelength or frequency and emerging from the etalon electromagnetic radiation has at wavelengths that meet the resonance condition, maxima of the radiation intensity on. Depending on the quality of the etalon, the maxima can be very pronounced, i. in
  • Wavelength ranges between two adjacent maxima the radiation intensity of the exiting radiation is very small. This behavior can be described in particular by the transmittance as a function of either the wavelength or the frequency of the electromagnetic radiation. Under transmission will be
  • the transmittance is the proportion of electromagnetic radiation incident on and entering the etalon, which exits the etalon again, or exits the etalon in a certain way, e.g. emerges again at a defined point in the etalon.
  • the transmittance may not be related to the electromagnetic radiation entering the etalon, but to the electromagnetic radiation generated by a radiation source or to the radiation incident on the etalon (i.e., incident radiation).
  • the radiation emerging in the reflection direction from the etalon can be evaluated.
  • Transmittances are related to each other via the energy balance: the total radiated radiation to the etalon is either reflected, transmitted or absorbed.
  • the sum of transmittance, reflectance and absorptance is therefore one, for each optional radiation component with different polarization and for each wavelength.
  • the high-resolution measurement of inclination angles, ie orientations, and also of translational positions and movements using etalons is known per se.
  • glass substrates or other substrates transparent to electromagnetic radiation with high-quality flat edge surfaces are used, the end surfaces being provided with reflective layers. The higher the reflectance of the reflective layers, the higher the finesse of the etalon and hence the resolution.
  • detectors i.e., spatial resolution detector arrays
  • the invention proposes to use one or more etalons whose transmittance as a function of the wavelength of the electromagnetic radiation between two adjacent (ie two consecutive maxima) has a first wavelength range in which the transmittance is continuous rises or falls steadily, and in particular extends over a range of more than 50% of the wavelength spacing of the two adjacent maxima. In the first wavelength range, the transmittance increases either steadily or it decreases steadily, depending on the design of the etalon.
  • Transmittance takes place. This does not exclude that there is at least a second wavelength range between the two adjacent maxima of the transmittance, in which the transmittance is opposite, i. E. e.g. With a steady increase in the first wavelength range, the transmittance in the second wavelength range may drop steadily. However, the first wavelength range is in particular greater than the second wavelength range. At the edge of one of the two maxima, there must even be such a second one
  • Wavelength distance of the two adjacent maxima addition is Below the middle of the Wavelength distance. Below the middle of the Wavelength distance is the arithmetic mean of the wavelengths in the
  • the steady increase or decrease in transmittance in the first is
  • Wavelength range is linear or approximately linear, i. the transmittance as a function of wavelength or frequency is a straight line (i.e., constant slope) or approximately a straight line, which slope may also be negative, depending on the design of the etalon.
  • approximately is meant that the slope over the course of the transmittance in the respective range of the wavelength or frequency is assumed to be constant and the resulting error of determining the relative orientation of the two parts below 10%, preferably below 5% and in particular less than 3%.
  • the described property of the etalon used is achieved in that the etalon in addition to the reflectors at least one
  • Radiation absorber made of electrically conductive material, through the
  • the radiation absorber can also act as a radiation reflector.
  • the degree of absorption and the degree of reflection are of course less than unity in the first wavelength range. Otherwise, the described behavior of the transmittance as a function of the wavelength or frequency would not be achieved.
  • the absorber absorbs a portion of the electromagnetic radiation passing therethrough and results in an asymmetrical progression of the transmittance between successive adjacent transmission maxima as a function of wavelength or frequency. In contrast, in conventional etalons this course is symmetrical with respect to the center of the distance of the maxima.
  • the electrically conductive material may in particular be metal.
  • metals such as tantalum and niobium, which may also be used to make non-electrically conductive high and low refractive index layers for making up the opposing etalon reflectors (see below).
  • tantalum and niobium which may also be used to make non-electrically conductive high and low refractive index layers for making up the opposing etalon reflectors (see below).
  • these metals then merely become parts of a compound with other elements as a non-electrically conductive layer. If these metals like tantalum and niobium are already in the
  • Manufacturing facility are available, for example, the vapor-deposition and / or sputtering, and are used both for the production of the at least one electrically conductive layer and the electrically non-conductive layers, the production cost for the preparation of the etalon is reduced.
  • This is particularly advantageous in sputtering systems with which on the one hand thin layers with particularly precise dimensions and homogeneous material properties can be produced, but of which larger targets of the respective material are required, for example in the range of a target mass of 1 kg.
  • the several layers of the same etalon can also be produced one after the other in different plants and, for example, either sputtered and vapor-deposited in layers.
  • At least one of two opposing reflectors of the etalon is provided with an absorber, in particular with an absorption layer.
  • the opposing reflectors are reflectors between which the electromagnetic radiation is reflected back and forth.
  • the absorber is located in the beam path in front of the reflector, over which the
  • Radiation intensity comes when it is reflected by the reflector.
  • the additional absorption layer of electrically conductive material therefore does not form the last layer of the layer system on the reflector in the beam path.
  • the layer of electrically conductive material is preferably the first layer of the layer system, ie the electromagnetic radiation incident on the reflector first passes through the layer of electrically conductive material before it is reflected by the underlying layers of the reflector in the beam path.
  • At least one of the reflectors of the etalon is formed by at least two electrically non-conductive, dielectric materials having different refractive indices and on the side of the reflector facing another reflector a layer of electrically conductive material (in particular a metal or a metal alloy), so that the electromagnetic radiation impinging on the reflector must pass through the electrically conductive layer to be separated from the
  • the layer of electrically conductive material may consist of several layers
  • Sub-layers exist, each consisting of electrically conductive material or of which at least one layer is electrically conductive. It is therefore particularly possible that the electrically conductive layer is covered by a cover layer of non-electrically conductive material.
  • Reflector enters occurs in this case, first through the cover and only then through the electrically conductive layer or the electrically conductive layers.
  • both reflectors can also have at least one layer of electrically conductive material, in particular in the manner described above.
  • the optical properties in particular the degree of absorption and thus also the difference between the optical properties
  • the optical properties of the layer systems at the reflectors can be calculated in particular by the so-called matrix method. More generally, the effects of the layer systems prior to implementation can be simulated in terms of their optical properties, and by varying the layer thicknesses and / or layer materials and / or the number of layers, a layer system with desired or suitable optical properties can be found.
  • a layer system is understood as an arrangement of adjacent layers. The layer surfaces of the different layers of the layer system run parallel to one another or at least approximately parallel to one another.
  • a layer system consists, for example, of a non-electrically conductive layer with a high refractive index (hereinafter abbreviated to H), a non-electrically conductive layer with a low refractive index arranged thereon (hereinafter referred to as L) abbreviated) and an electrically conductive layer (hereinafter abbreviated to M) arranged thereon, so that a layer structure of the layer system results, which can be described with the letter sequence HLM, the order of the letters representing the order of the adjacent layers.
  • the layer M is the layer facing the other or the other reflectors of the etalon, onto which the radiation incident on the reflector first impinges.
  • the layer structure of the various reflectors of the etalon may differ apart from the additional electrically conductive layer.
  • one of the reflectors has a larger number of non-electrically conductive layers than at least one other reflector, for example the opposite reflector.
  • the non-electrically conductive layers alternate alternately with respect to the size of their refractive index.
  • the alternating construction of a reflector with a plurality of non-electrically conductive layers can therefore be used e.g. by HLHLHLH, i. he has seven non-electrically conductive layers.
  • HLHLHLH a non-electrically conductive layer with a high refractive index
  • Titanium dioxide layer (refractive index about 2.44) and used as non-electrically conductive layer with a low refractive index, a silicon dioxide layer (refractive index about 1, 38), each having a layer thickness of one quarter of a wavelength of the electromagnetic radiation, which is to be used predominantly. For example, this wavelength may be in the visible range at 585 nm.
  • Such non-electrically conductive, namely dielectric, layers have the advantage that the reflection of the electromagnetic radiation takes place virtually loss-free, ie. there is almost no absorption in the reflector.
  • the layer system according to the present invention comprising an additional layer of electrically
  • the layer thickness (the direction in which the thickness is measured coincides with the direction in which the electromagnetic radiation passes through the layer, or runs at least approximately parallel or at low
  • Inclination angles in particular less than 10 ° to the propagation direction of the radiation are chosen so that the
  • Transmittance between two adjacent maxima has a desired continuously increasing or steadily decreasing course within the first wavelength range.
  • a low layer thickness in the range of a few atomic layers, so that in particular the thinnest possible homogeneously covering layer results ie typically one Layer thickness of a few nanometers
  • the electrically conductive layer or layers, the symmetrical course of the transmittance which would be given without the at least one additional electrically conductive layer, initially not significantly changed.
  • Wavelength range is nearly linear, approximately (s.o.) Having a constant slope.
  • other courses of the transmittance in the first wavelength range are also adjustable.
  • the optimum layer thickness, in which a linear course is present is within a narrow layer thickness range of a few nanometers to a few tens of nanometers.
  • the etalon may be between the two facing each other
  • Reflectors have a material which in the multiple reflection of the
  • Electromagnetic radiation is repeatedly transmitted through the reflectors in each changing direction.
  • This material will hereinafter be referred to as spacer material, since it is located in the space of the distance between the reflectors.
  • the spacer material may carry the reflectors and the at least one additional absorption layer made of electrically conductive material or at least be connected to the reflectors and the at least one additional absorption layer. This is e.g. in the case of a solid-state etalon. After the occurrence of the radiation incident on the etalon, the radiation therefore passes through the etalon several times in the opposite directions, is reflected in each case (in a proportion) at the respective reflector and becomes a (in particular very small) proportion of the at least one additional absorption layer absorbed.
  • the radiation does not leave the etalon on its way between the reflectors and, in the case of a solid-state etalon, also remains without interruption in the solid-state materials of the etalon.
  • the spacer material does not completely fill the space between the two reflectors, so that e.g. between the
  • Spacer material and one of the reflectors is a space that is free of
  • Solid state material is.
  • the spacer material is a homogeneous material, ie within the spacer material are no zones with different
  • the spacer material can consist of regions with different material properties, in particular of regions with different refractive indices.
  • a solid etalon is e.g. prepared by applying to a substrate, e.g. the
  • Spacer material or a region of the spacer material may be successively applied, e.g. by vapor deposition and / or
  • the layers of the reflectors can be made on the two opposite sides of the etalon.
  • the spacer material or a portion of the spacer material may be a metamaterial, i. an artificially produced structure whose permeability to electric and magnetic fields differs from that customary in nature.
  • a metamaterial i. an artificially produced structure whose permeability to electric and magnetic fields differs from that customary in nature.
  • it may be a super-lattice, i. an artificially produced solid, which consists of a sequence of thin layers, the z. B. repeat periodically.
  • the refractive index or the wavelength dependence of the refractive index can be adjusted with metamaterials and superlattices.
  • the spacer material or a region of the spacer material can be electro-optically active.
  • an electrical voltage applied to the material the size of which can be adjusted, may be e.g. the refractive index of the material can be adjusted. This allows e.g. the change in the refractive index at the same or almost the same relative position of the two relatively movable parts, so that at different refractive index of the spacer material and thus at
  • the measurement signal can be modulated by changing the optical properties (eg frequency-modulated with a predetermined frequency) in order to improve the signal-to-noise ratio during the measurement.
  • the electro-optical property of the spacer material may be used to adjust, alter and / or create a birefringent effect of the material.
  • the refractive index for Radiation with a certain, associated polarization direction are set electro-optically, while another or the other refractive index of the material (eg for radiation having a polarization direction perpendicular to the polarization direction of the other refractive index) is electro-optically unchangeable or not changed, eg because the electrical voltage is applied so that only one of the two refractive indices is changed with change of the voltage.
  • the ratio of the two refractive indices to each other to change.
  • the ratio of the optical thicknesses for the radiation components therefore also becomes different
  • Polarization direction changed.
  • the intensity of the radiation emerging from the etalon or a ratio of this intensity to a comparison value can be measured in each case.
  • measurement signals with the same information content or even greater information content can be obtained with respect to the uniqueness of the measurement and / or with respect to the relative position of the two parts, which is the case when using a plurality of etalons with different, but temporally constant optical thicknesses.
  • the spacer material may be birefringent, i. have different refractive indices for radiation polarized in different directions.
  • the optical thickness of the etalon is different for the differently polarized electrical radiation, although the mechanical thickness (which is defined, for example, as the distance between the two oppositely disposed reflectors of the etalon) does not depend on the polarization.
  • a birefringent material is also meant an optically anisotropic material having more than two optical axes.
  • the spacer material may be present in concrete combinations of an etalon in any combination within the same etalon.
  • two or more of said materials or material regions of the spacer material can be present in the same etalon, in particular in the same solid etalon, wherein the different material regions are arranged in the distance direction of the two reflectors at the opposite ends of the etalon, for example in succession.
  • the distance between the reflectors of the etalon is as small as possible.
  • the measurement signal in particular the intensity of the radiation emerging from the etalon
  • the limit to even smaller distances is in the order of magnitude of the wavelength of the measuring radiation.
  • a spacing material is used that affects the radiation depending on its polarization (e.g., the birefringent material)
  • the desired effect of influencing the radiation will be greater as the layer thickness of the material increases.
  • birefringent spacer material it is therefore preferred to use highly effective material, i. a material that is already at low
  • Layer thicknesses the desired e.g. shows birefringent effect and in particular causes the largest possible difference in the optical thickness of the shares of radiation with different polarization direction. For this reason, the above-mentioned metamaterials and superlattices are preferred over those of course
  • Metamaterials can be prepared so that they are visually highly effective. Metamaterials can e.g. be prepared lithographically. They are suitable as well as naturally occurring crystals as substrate for the application of further layers of the etalon (see above). In practice, e.g. Lithium niobate or lithium tantalate as a birefringent material. As a natural material Kalkspat is eligible.
  • the etalon may comprise at least one ⁇ / 2 element which delays radiation having a first direction of polarization by half a wavelength ⁇ from perpendicularly polarized radiation thereby causing rotation of the polarization direction of the radiation propagating within the etalon between the reflectors.
  • the radiation emerging from the etalon is directed to a polarizing beam splitter, which, depending on the polarization direction of the radiation impinging on it, splits the radiation into different propagation directions.
  • the beam splitter splits the radiation e.g. in two parts, which are polarized differently.
  • the etalon can be equipped with the at least one ⁇ / 2 element.
  • a ⁇ / 2 element for rotation of the polarization direction outside of the etalon can be a turn of the
  • Polarization direction be advantageous if deflections in the propagation path of the radiation are not realized exactly in a desired manner, e.g. Deflections of the radiation path over reflectors are not exactly rectangular.
  • the measuring arrangement can be adapted to the device which has the two parts whose relative position is to be measured.
  • the ⁇ / 2 element can be arranged outside the distance range between the two mutually opposite reflectors of the etalon.
  • the ⁇ / 2 element in the preparation of the etalon, can first be prepared or an existing ⁇ / 2 element can be used and the ⁇ / 2 element can be used as a substrate for the application of further layers of the etalon.
  • more than one ⁇ / 2 layer or corresponding elements may be provided as part of the etalon, e.g. for rotation of the polarization direction of radiation of different wavelengths or for multiple rotation of radiation of the same wavelength.
  • the rotation of the polarization state about the propagation direction of the radiation can be effected according to the Farad ay effect.
  • the circularly polarized radiation which has passed through the measuring path is irradiated onto a birefringent etalon. Due to the birefringent nature of the etalon, the transmittance of the etalon is for the two
  • Distance measurement determines the distance of the components, with which polarization state the radiation is incident on the etalon. If the distance is increased or decreased, the circularly polarized radiation must pass through a correspondingly longer or shorter measuring path, so that the intensities or the intensity ratio of the two
  • birefringent Etalons with the radiation components of the two polarization directions of the circularly polarized light to determine the relative position.
  • the use of a birefringent etalon is equivalent to using two or more etalons of different optical thickness, if the
  • Impact on the etalons can be completely or partially separated (for example, by one or more beam splitters).
  • Intensity ratio are irradiated as in the measuring radiation.
  • the different optical thicknesses of the etalons have different effects on the individual radiation components. Since the optical thickness in particular determines the free spectral range of the etalon (s.u.), the effect of the different etalons on the different radiation components is different. It is therefore possible, as in the case of a birefringent etalon, to measure the intensity of the radiation emerging from the etalon or from the etalons and to determine therefrom the measured variable, for example the distance between the two components.
  • the birefringent etalon or the etalons with different optical thickness modulates the intensity of the incident measuring radiation depending on their polarization state / modulate and thus the
  • Polarization state can be measured / made. Since the polarization state - with a corresponding measurement setup - is again a measure of the relative position (in particular the relative position) of the components, the birefringent etalon or
  • Etalons of different optical thickness allow relative position measurement.
  • only one of the differently polarized radiation components is irradiated onto one or more etalons and the intensity of the radiation component emerging from the etalon or the etalon is measured.
  • this radiation component is generated from the circularly polarized radiation which has passed through the measurement path through a polarization filter which merely allows this radiation component to pass through or merely deflects (for example reflects) this radiation component. But since the measuring range, in which the measured variable can be clearly detected, is smaller, this is simplified
  • Radiation components using an etalon measuring arrangement with several optical thicknesses results in at least redundant measurement information and thus increases the measurement reliability or even increases the uniqueness range.
  • birefringent etalon as described above, a plurality of etalons can be used. The description also applies accordingly in the case of several etalons.
  • the measurement signals which causes the emanating from the etalon radiation, can be evaluated continuously over the period in which the distance changes. In particular, periodically repeating maxima and minima of the intensities of the differently polarized portions of the exiting radiation are observed. By counting the maxima and / or minima can be determined similar to an incremental scale, by what amount the distance between the two components has changed.
  • a broad spectrum of electromagnetic radiation is not radiated onto the at least one etalon, but preferably electromagnetic radiation having wavelengths or frequencies in a narrow spectral range is radiated.
  • the corresponding narrow wavelength range will be referred to as the third
  • the electromagnetic radiation incident on the etalon only has wavelengths that are within the third Wavelength range, the at least a factor of 10, in particular at least a factor of 100 and z. B. is up to a factor of 1000 or even more than 1000 narrower than the first wavelength range in which the transmittance between the adjacent transmission maxima steadily increases or steadily decreases.
  • a factor of 10 (or 100 or 1000) narrower means that the narrower third wavelength range is to be multiplied by this factor in order to obtain the width of the first, broader wavelength range.
  • electromagnetic radiation is generated by at least one laser as the radiation source and irradiated onto the etalon. It is preferred that the at least one laser be linearly polarized
  • the laser radiation may be directed through at least a portion of the path from the radiation source to the etalon through an optical fiber (e.g., an optical fiber conduit).
  • an optical fiber e.g., an optical fiber conduit.
  • Radiation conductor sections are used, a collimator is preferably used in the beam path between the radiation conductor and the etalon, the
  • Radiation expands so that parallel radiation paths hit the etalon.
  • the radiation may be e.g. also lie in the infrared range.
  • the wavelength of the electromagnetic radiation generated by the laser is kept constant by means of a stabilizer.
  • a stabilizer can be used as a stabilizing device, an arrangement that a
  • Temperature sensor for measuring the temperature of the laser and a cooling device (for example, a Peltier element), wherein the temperature sensor with a
  • Temperature control device is connected, which depends on the of the
  • Temperature sensor measured temperature controls the cooling device to cool the laser and so affect the temperature.
  • the temperature is regulated to a predetermined temperature value.
  • Stabilization has the advantage that the wavelength or frequency of the electromagnetic radiation incident on the etalon is in a particularly narrow, previously known wavelength range and therefore errors due to noise of the incident radiation are minimized.
  • the overall polarization state of the circularly polarized radiation in the propagation direction of the radiation is not repeated or at least not so short distances along the propagation path.
  • the corresponding area is called
  • Uniqueness area In this range of relative positions of the two relatively movable parts, a clear association between the relative position and the overall polarization state of the radiation striking the etalon can be established. It can therefore be clearly determined in which relative position the two parts are to each other. In particular, at the opposite ends of the uniqueness region, the superimposition of the radiation components with the different wavelengths has the same phase position. Within the uniqueness range, however, the phase position is unique. In practice, for example, a uniqueness range with a length of at least three wavelengths is used. The required length depends in particular on the resolving power of the etalon (in particular the width of the peaks in the transmission maxima) and on the required measuring range of the measurement of the relative position. For example, two or more lasers are used as the radiation source, the laser radiation
  • the laser generates radiation with different wavelengths.
  • the wavelength of the radiation during the generation and / or after the generation of the radiation can be changed in time, in particular modulated.
  • an electro-optical and / or an acousto-optical modulator are suitable for modulation.
  • the wavelength or frequency of the radiation can thus be changed rapidly and reproducibly (for example, periodically with a time-constant modulation frequency in the range from several MHz, eg 10 MHz to several GHz, eg 10 GHz), in particular from one
  • Wavelength are shifted to at least one other wavelength, at which wavelengths then the intensity is measured.
  • This modulation can also be used to increase the signal / noise ratio, in particular using so-called lock-in technology. In the mentioned Modulation frequencies, the modulation is so fast that the to be measured
  • Relative movement of the components can be measured during the relative movement without significant measurement error.
  • sampling rates of a few kHz are typically sufficient. If, for example, components of a coordinate measuring machine move at a speed of 300 mm / s and the modulated wavelength of the measuring radiation is at 600 nm, even one is sufficient
  • Modulation frequency of 2 kHz or greater The modulation of the wavelength is preferred over the use of multiple temporally constant wavelengths, since the modulation is feasible with less effort and represents a particularly robust and simple way of measuring.
  • a spatially resolving detector array can be used and the measuring radiation inclined (eg tilted by a few degrees) against the surface normal of the etalon on the etalon.
  • the tilted incidence gives rise to interference patterns on the detector array for each wavelength, i.
  • Interference pattern wherein the local relative positions of intensity maxima associated with the different wavelengths are in a direction transverse to
  • the local relative position of adjacent intensity maxima of the interference pattern is changed according to the change in the frequency. For example, the distance between adjacent ones
  • Uniqueness range can be increased. Within the uniqueness range, the distance of the components to be measured is uniquely determined by the totality of the information thus obtained. However, the procedure with the spatially resolving detector field can also be used if no circularly polarized radiation as
  • Measuring radiation is used.
  • unpolarized radiation can be used or linearly polarized radiation.
  • circularly polarized radiation is known per se, e.g. generated by a ⁇ / 4 element, i. by an element, the radiation of one of the two mutually perpendicular polarization directions about a
  • Polarization direction delayed is at several lasers, the radiation
  • an optical isolator eg a Faraday rotator
  • a beam path between the radiation source and the etalon preferably before any radiation source the beam path arranged beam splitter, which divides the beam or the radiation, for. B. generate a non-incident on the Etalon part of the radiation.
  • the electromagnetic radiation irradiated in the narrow third wavelength range and passing through the etalon is measured with respect to the transmitted portion passing through the etalon or with respect to its radiation intensity after passing through the etalon, the corresponding wavelength depends
  • the location, and especially the width, of the first wavelength range changes / varies with the optical thickness of the etalon, i. in particular with the distance between two opposing reflectors of the etalon multiplied by the refractive index of the material between the reflectors (in the case of air, the refractive index is close to 1, in a solid state etalon with a
  • the optical path of the radiation within the etalon depends on the
  • Wavelength range ie the wavelength range of the incident electromagnetic radiation
  • the proportion of radiation passing through the etalon their radiation intensity are measured and thus a measure of the relative
  • Alignment of the first and second component can be obtained.
  • the measuring arrangement can be calibrated in order to determine the measured variable as a function of the relative orientation of the first and second component.
  • An etalon itself requires very little space.
  • the other optical components required for the measurement such as laser, photodiode and optional reflectors, require little space compared to conventional measuring devices for the measurement of relatively movable parts of coordinate measuring machines. It can therefore be used in comparison to the conventional measuring devices miniaturized elements for the measurement.
  • a method for measuring a relative position of relatively movable components of a device in particular a
  • Coordinate measuring machine or a machine tool wherein a first component and a second component of the device are so movable relative to each other that changes with the movement relative orientation and / or a relative position of the first and second component, and wherein the method comprises the steps of:
  • An angle of incidence at which the electromagnetic radiation is incident on the etalon depends on the relative orientation of the first and second components and therefore the electromagnetic radiation at a specific relative orientation of the components (ie if the components have this relative orientation) incident with an associated angle of incidence on the etalon, and / or
  • a radiation intensity with which the electromagnetic radiation strikes the etalon, or radiation intensities with which differently polarized parts of the electromagnetic radiation strike the etalon or a plurality of etalons, depend on the relative position of the first and second components and therefore differ polarized parts of the electromagnetic radiation at a certain relative position of the Components with associated radiation intensities invade the etalon or the etalons,
  • Wavelength of the electromagnetic radiation corresponding to the conditions for the optical resonance of the reflectors maxima at different wavelength values, and wherein the transmittance of etalon used in a first wavelength range between two consecutive maxima, which is above the arithmetic mean of the wavelengths at the successive maxima extends, either steadily rising or falling steadily.
  • the electromagnetic radiation having the differently polarized parts is or contains circularly polarized electromagnetic radiation.
  • Coordinate measuring machine or a machine tool having a first component and a second component, which are movable relative to each other, that changes with the movement relative orientation and / or relative position of the first and second component, and wherein the arrangement comprises:
  • An etalon i. an interferometer with reflectors for reflecting
  • electromagnetic radiation whose reflectors form an optical resonator, wherein the radiation source and etalon are arranged (and optionally connected to the first and second components) such that an angle of incidence of electromagnetic radiation generated by the radiation source incident on the etalon at the angle of incidence,
  • a radiation intensity with which the electromagnetic radiation is incident on the etalon, or radiation intensities with which differently polarized parts of the electromagnetic radiation strike the etalon or a plurality of etalons depend on the relative position of the first and second components and therefore differ polarized parts of the electromagnetic radiation at a certain relative position of the components with associated radiation intensities on the etalon or the etalons,
  • a first measuring device for measuring at least one radiation intensity of radiation emerging from the etalon or the etalons and / or measuring a portion of the electromagnetic radiation incident or generated on the etalon or on the etalons and emerging from the etalon or the etalons,
  • a determination device for determining the relative orientation and / or the relative position of the first and second component from a measurement result of the measuring device
  • the etalon has a transmittance which as a function of the wavelength of the electromagnetic radiation corresponding to the conditions for the optical
  • Wavelength range between two consecutive maxima which extends over the arithmetic mean of the wavelengths at the successive maxima, either steadily increases or decreases steadily.
  • the arrangement may comprise a circular polarizer which circularly polarises at least a portion of the generated electromagnetic radiation or which is part of the radiation source such that it is circularly polarized by the radiation source
  • the etalon may be permanently connected to one of the components and the direction of the electromagnetic radiation incident on the etalon may be unambiguously determined by the orientation of the other component (eg the radiation source or a deflection device for deflecting the electromagnetic radiation is firmly connected to the other component or coupled) so that upon a change in the relative orientation of the two components, the angle of incidence of the radiation incident on the etalon is changed.
  • the orientation of the other component eg the radiation source or a deflection device for deflecting the electromagnetic radiation is firmly connected to the other component or coupled
  • the etalon can be firmly connected to one of the components.
  • the other, relative to the first component linearly movable component may be connected to the radiation source.
  • At least one of the components is connected to a deflection device which deflects the electromagnetic radiation incident on the deflection device.
  • the one attached to the component is the one attached to the component
  • Deflecting device in the direction of the distance to be measured incident on the deflection and are reflected back from this in the opposite direction, so that the
  • Electromagnetic radiation passes through the distance twice or (if several deflection are arranged at the opposite ends of the distance) passes through the distance several times.
  • a small lateral offset of the radiation can be achieved, so that the radiation does not pass through exactly the same path after the deflection and can be better separated from the incident radiation by metrology.
  • the return reflection has the advantage that a better resolution in the measurement of the distance can be achieved. The same applies when measuring the alignment.
  • Retroreflectors lead to a doubling of the angle, so that the orientation is better resolved measurable.
  • the electromagnetic radiation incident on the etalon is expanded prior to impacting the etalon so that the different propagation paths of the electromagnetic radiation resulting from the expansion run parallel to each other just prior to impacting the etalon.
  • the measurement becomes stable against interferences based on the divergence of the radiation.
  • the divergence is approximately inversely proportional to the diameter of the beam and thus the Expansion ratio. For putting in the measurement in this way is less susceptible to contamination of optical components of the fair arrangement. It is particularly advantageous if the radiation collimates well, ie, it is incident almost exactly parallel to the etalon.
  • Propagation paths within the etalon (corresponding to the same transmittance) with the same proportion through the etalon, i. there is no deterioration of the resolution in the relative orientation measurement.
  • a corresponding embodiment of the arrangement comprises a radiation expansion device, which is arranged in the beam path between the radiation source and the etalon and is configured to expand on the etalon incident electromagnetic radiation prior to striking the etalon, so that through
  • Widening formed different propagation paths of the electromagnetic radiation immediately before impinging on the etalon parallel to each other.
  • arrangements known per se from the field of optics may be used, e.g. the combination of a diverging lens and a converging lens or a combination of converging lenses with a pinhole in between the beam path.
  • a collimator is inserted into the beam path between the
  • Radiation source and the etalon introduced to e.g. Scattering due to
  • a collimator can also be used if no laser is used as the radiation source or a laser which generates radiation with a short coherence length.
  • a scattered light trap can be used which absorbs reflected radiation with large deflection angles.
  • stray light traps can be used in an embodiment of the arrangement in which optical components such as lenses, optical Insulator and / or diaphragms inclined to the propagation direction of the electromagnetic radiation are aligned.
  • the intensity of the electromagnetic radiation passing through the etalon it is preferable to measure not only the intensity of the electromagnetic radiation passing through the etalon, but also the intensity of a part of the electromagnetic radiation generated by the radiation source that does not strike the etalon.
  • Radiation intensity of non-incident on the etalon radiation the influence of intensity fluctuations of the radiation generated by the radiation source can be eliminated.
  • the electromagnetic radiation incident on the etalon is generated by a radiation source, wherein the radiation intensity of a portion of the electromagnetic radiation generated by the radiation source, which does not impinge on the etalon, is measured as a reference intensity.
  • a corresponding embodiment of the arrangement has a reference intensity measuring device, which is configured, the radiation intensity of a portion of the generated by the radiation source
  • a drift of the intensity as a function of the location in the beam path can be determined and compensated.
  • a portion of the incident energy may be incident on it
  • the intensity of the radiation incident on the etalon is equal to the sum of the intensities of the incident radiation reflected by the etalon passing through the etalon
  • Measurement of the radiation intensity of the reflected radiation is therefore equivalent to measuring the radiation intensity of the radiation passing through the etalon.
  • the measurement of the reflected radiation is therefore an alternative for all embodiments in this description, in which only the passing through the etalon is measured. Since the reflected radiation also contains radiation that has entered the etalon and is reflected, for example, at the back reflector of the etalon, the generic term "radiation emerging from the etalon" is also understood as the reflected radiation reflected radiation and the transmitted radiation are measured. Since it can be assumed that the absorption coefficient for the absorption of
  • the intensity of the incident radiation can be determined by measuring the intensity of the incident radiation reflected by the etalon and by measuring the intensity of the radiation passing through the etalon Fluctuations in the intensity of incident radiation are detected and optionally corrected.
  • the intensity of a part of the radiation generated by the radiation source is measured, which does not affect the etalon, a direct comparison with the calculated intensity of the radiation incident on the etalon can take place and it can be determined whether on the way Etalon incident radiation and upon the occurrence of this radiation in the etalon changes take place, eg through soiled surfaces of the etalon.
  • the light collimates almost perpendicular to the etalon.
  • the linearly movable part can rotate about the linear axis and about the coordinate axes perpendicular to the linear axis, wherein the
  • Rotation angles are usually very small and are in the range of at most a few degrees.
  • the rotational movements, ie rotational movements about the two axes perpendicular to the linear axis extending coordinate axes, for example, with an embodiment of the method can be determined or with an appropriate measuring arrangement, which as described above and will be described below, uses an etalon and optionally z , B. measures a relative orientation of the two relatively movable parts about the respective coordinate axis and / or a distance of the parts.
  • these can also be measured as tiltings to be designated rotations about the two axes perpendicular to the linear axis extending coordinate axes through a field of radiation-sensitive detectors, for example in the manner of a CCD chip, as used in camera technology.
  • the tilt angle can be determined. That is to say, the location where the radiation impinges on the detector field corresponds (in particular clearly) to the tilt angle.
  • the aim of the measurement can also be merely the change of the tilt angle.
  • a deflection device for example a reflector
  • leads for example, to an extension of the propagation path of the radiation.
  • the tilt can then be determined on the basis of the angle of inclination of the deflection device, for example with the field of radiation-sensitive detectors or another angle measuring device, when the deflection device is tilted in accordance with the tilting of the two components.
  • the method of measuring the relative position of the components using the etalon is also possible with the measurement of the tilt angle (or its change) due to motion errors by means of the field of radiation sensitive
  • the angle of rotation of the relative orientation and the tilt angle can overlap constructively or destructively, so that only a superimposed total angle is still measurable.
  • the angle of rotation of the relative orientation and the tilt angle are related to different axes of rotation and therefore not or only partially overlap.
  • the direction from which the radiation strikes the etalon depends on both the angle of rotation of the relative orientation and the angle of tilt.
  • the local intensity distribution of the radiation emerging from the etalon, which impinges on the field of detector elements can then be measured. This not only makes it possible to determine the angle of incidence from the location of the detector element or the detector elements to which the radiation impinges, but also by evaluating the size of the measurement signal of the respective detector element and thus from the intensity of the incident radiation.
  • This rotational mobility may be the only degree of freedom of movement of the two components that is to be measured, or at least one further degree of freedom of movement of the two components may be measured during the measurement, for example the degree of freedom of the linear movement in the propagation direction that is a distance measurement.
  • the measurement of the rotation about the linear axis or the propagation direction of the radiation is also referred to below as roll measurement or roll angle measurement.
  • the electromagnetic radiation as unpolarized or polarized measurement radiation passes through a measurement path along a linear linear axis, hits the electromagnetic radiation unpolarized or in a first polarization state at one end of the measurement path or a section of the measurement path to a
  • Polarization device depends on a rotation angle of the two relative to the
  • Actuate linear axis rotatable components so that the measuring radiation or a part of the measuring radiation receives a second polarization state, which corresponds to the rotation angle and the angle of rotation and / or a change in the angle of rotation is determined taking into account the changed polarization state.
  • the etalon accordingly at the location of the etalon (which has a polarization state corresponding to the roll angle.
  • the state of polarization is optional, for example, when circularly polarized measuring radiation is also used at the same time
  • the polarization state can depend exclusively on the roll angle.
  • Unpolarized measuring radiation can be used along the
  • Polarization device the previously unpolarized measuring radiation according to the Roll angle polarized so that the state of polarization information about the
  • the polarization device is coupled or connected to one of the two relatively movable components. With the other component is the
  • the polarizer may only pass radiation having a particular direction of polarization.
  • the previously unpolarized measuring radiation is thereby linearly polarized, the polarization direction corresponding to the angle of rotation of the polarization device about the linear axis and thus the roll angle.
  • the polarization direction corresponding to the angle of rotation of the polarization device about the linear axis and thus the roll angle.
  • Polarization device a polarization filter.
  • Measuring radiation can be used. This may be linearly polarized and / or circularly polarized measuring radiation, which is influenced by the polarization device in accordance with the roll angle, so that the polarization state changes in accordance with the roll angle.
  • the type of influencing several alternatives come into consideration: For example, according to the roll angle the
  • Polarization direction are rotated and / or the phase of circularly polarized radiation are rotated.
  • only radiation of a specific polarization direction can be transmitted with a filter direction corresponding to the roll angle.
  • the polarizer is a polarizing filter.
  • Measuring radiation (for example, only a part) are filtered by the polarizing filter.
  • the radiation changed by the polarizer can be applied to an etalon having the o.g. To come up with characteristics that depend on the
  • Polarization state of the radiation incident on it influence on the radiation is taken, so that a corresponding measuring device, which is supplied to the emanating from the etalon radiation, generates a corresponding measurement signal.
  • the polarization state of the measuring radiation (or the part of the measuring radiation) influenced by the polarizing device can be measured, for example using a birefringent etalon.
  • the polarization state corresponds to the roll angle.
  • the polarization device may, for example, be or have a deflection device for deflecting the measurement radiation onto at least one beam path of another direction (for example a mirror or a retro-reflector).
  • the measuring radiation passes through the deflection device and / or is reflected by it.
  • a deflection device (which for example represents the beam splitter) and an additional polarization device can also be used.
  • a reflector can redirect the radiation to different propagation paths (for example, on the one hand reflect and transmit on the other hand, or on two mutually parallel paths
  • the reflector can also be designed so that the polarization of the at least one reflected component is effected simultaneously with the reflection.
  • at least one polarizer influences a proportion of the total deflected radiation as a function of the roll angle. At least this portion influenced by the polarizer can then be e.g. as already described lead to the generation of at least one measurement signal from which the roll angle can be determined.
  • the reflected radiation component not influenced by the polarizer of the deflection arrangement has the advantage that it is available for a reference measurement, on the basis of which the roll angle can be determined more precisely, and / or for the mentioned one
  • the deflecting device can generate a reflected, polarized radiation and a non-reflected and unpolarized diffracted radiation with a correspondingly large angle of incidence of the radiation, wherein the initially unreflected radiation can optionally also be reflected in its further course.
  • the diffracted and the reflected radiation it is therefore not necessary that all radiation components, which are generated by the deflection of the incident radiation, are reflected.
  • the deflection device used for the roll measurement may in particular be a deflection device which is also used for other purposes, e.g. As already described, a reflector for extending the distance of the measuring radiation and / or for increasing a transverse offset of the location at which the measuring radiation impinges on the etalon, in each case for improving the resolution.
  • both a measurement of the roll angle and a distance measurement can take place simultaneously using the same measuring radiation.
  • the measuring radiation incident on the etalon which contains both the information about the roll angle and the information about the distance of the two components, as described above and as described in more detail below, can be used to generate at least one measurement signal and both the roll angle and the distance are determined.
  • measuring radiation with at least two different wavelengths can be used. While curling (i.e., the rotation about the propagation direction or linear axis) at both or all wavelengths leads to the same polarization state influencing or at least the same information being imparted by the polarizer according to the roll angle, the rotation of the device caused by a change in the distance of the components
  • a polarization device can be used to change the incident (in particular linear or elliptical) polarized radiation depending on the roll angle in its polarization state.
  • the polarization device amplifies or attenuates the radiation component of the radiation with a specific polarization direction in relation to the component with the polarization direction perpendicular thereto.
  • linearly polarized radiation is weakened more or less strongly (or even not at certain orientation) depending on the roll angle, or the polarization state of elliptically polarized radiation impinging on the deflection device is changed.
  • the result contains in particular the intensity of the circularly polarized radiation or the polarization state of the elliptically polarized radiation, the information about the roll angle.
  • the etalon electromagnetic radiation in order to detect fluctuations in the wavelength or frequency of the incident on the etalon electromagnetic radiation and optionally compensate, forms a first part of the electromagnetic radiation generated by the radiation source that electromagnetic radiation which is dependent on the relative orientation of the first and second component Incident angle incident on the etalon.
  • a second portion of the electromagnetic radiation generated by the radiation source is incident on a second etalon at an angle of incidence that does not depend on the relative orientation of the first and second components. It will be one
  • Wavelength of the incident on the first etalon and the second Etalon radiation depends.
  • a corresponding embodiment of the arrangement therefore has a
  • the second etalon is preferably an etalon having the same optical properties as the first etalon. More generally, the second etalon preferably also has one between two adjacent maxima of
  • Transmittance lying first wave range with the properties described above i. the transmittance steadily increases or decreases steadily in the first wavelength range, and the transmittance progression between the two successive maxima is asymmetric.
  • the orientation of the etalon can be adjusted relative to the first component and / or the second component.
  • the wavelength or frequency of the electromagnetic radiation incident on the etalon can be set or selected.
  • a laser can be selected, the radiation of the desired
  • Wavelength generated is alternatively or additionally possible, a to use another etalon with a different optical resonance to the
  • adjustment can be made such that the wavelength of the electromagnetic radiation incident on the etalon (in particular laser radiation) is in the middle of the first wavelength range, if the relative orientation of the first component and the second component in the center position, which lies in the middle between the maximum relative orientations in opposite directions of movement.
  • the arrangement for measuring the relative position of the components may include detecting means for determining the relative orientation of the first and second components from a measurement result of the measuring device or measuring devices.
  • detecting means for determining the relative orientation of the first and second components from a measurement result of the measuring device or measuring devices may be included in the arrangement for measuring the relative position of the components.
  • the determination device is not shown.
  • the arrangements shown have only the measuring device or measuring devices for measuring the radiation intensity.
  • the detection device can be controlled by the control device of
  • Coordinate measuring device can be realized or by another
  • Evaluation device that also evaluates the measured values in conventional coordinate measuring machines, which contain information about the coordinates of a measured workpiece.
  • the measurement signals of a photodiode or array of photodiodes designed intensity measuring device can optionally be prepared in the vicinity of the measuring device for a transfer or directly, without prior preparation, at least one suitable, for. B. electrical or optical line are transmitted to the evaluation device.
  • the detection device could therefore be represented, for example, in FIGS. 8 to 22 described below by a rectangle which is connected to the measuring device via at least one electrical line.
  • Fig. 1 shows the transmittance of a conventional etalon as a function of
  • Fig. 2 shows the transmittance of an etalon according to the invention as a function of
  • FIG. 3 shows a progression of the transmittance as a function of the wavelength for an etalon according to the invention, the wavelength being marked by incident laser radiation,
  • Fig. 4 is a diagram as in Fig. 3, but the course of the
  • Transmittance as a function of wavelength is shifted from the course in Fig. 3, as the radiation passing through the etalon takes a path with a different optical length through the etalon,
  • FIG. 5 shows a first embodiment of an etalon according to the invention
  • FIG. 6 shows a second embodiment of an etalon according to the invention
  • Fig. 8 shows an arrangement with a radiation source, an etalon and a
  • Intensity measuring device for measuring the intensity of electromagnetic radiation transmitted through etalon
  • FIG. 9 shows the arrangement from FIG. 8, but with the etalon in the beam path being inclined from the radiation source to the measuring device, FIG.
  • FIG. 10 shows an arrangement similar to that in FIG. 8 and FIG. 9, wherein, however, a beam splitter is additionally provided, which decouples a part of the electromagnetic radiation generated by the radiation source from the beam path in the direction of etalon and directs it to a second intensity measuring device,
  • Fig. 1 1 an arrangement similar to that in Fig. 10, but with an additional
  • Beam splitter is provided to direct a portion of the non-incident on the first etalon radiation to a second etalon and to measure at least the electromagnetic radiation passing through this second Etalon with respect to their intensity
  • FIGS. 8 to 10 shows an arrangement with a radiation source and a plurality of etalons, which are arranged in the beam path inclined depending on the relative orientation of a respective pair of components
  • 13 shows an arrangement similar to that in FIGS. 8 to 10, wherein beam expansion takes place in the course of the electromagnetic radiation between the radiation source and the etalon
  • FIG. 14 shows an arrangement similar to that in FIG. 13, but with beam expansion with other optical components.
  • FIG. 15 shows a device of a coordinate measuring machine, in particular a probe head, wherein components of the device are movable relative to each other and the relative position can be measured by an arrangement according to the invention
  • Fig. 16 shows the device according to Fig. 15, but with respect to each other
  • movable components of the device are arranged in a different relative position to each other
  • FIG. 17 shows a probe for a coordinate measuring machine, wherein the probe has three linear degrees of freedom of movement, which are arranged in pairs perpendicular to each other, and wherein the movement position of all three degrees of freedom is measured with a measuring arrangement according to the invention
  • FIG. 18 is a schematic plan view of a diaphragm spring with two mutually perpendicular degrees of freedom of movement and a corresponding measuring arrangement according to the invention
  • FIG. 19 schematically shows a side view of the arrangement shown in FIG. 18 in a first movement position
  • Fig. 20 is a side view as in Fig. 19, but in another
  • Fig. 21 schematically shows a side view of a device with two relatively
  • FIG. 22 is a three-dimensional, cutaway view of a probe for a coordinate measuring machine, wherein at the top of the figure is shown schematically an arrangement with two etalons, which can be integrated into the probe,
  • Fig. 23 schematically shows an arrangement with incident radiation coming from a
  • Deflection device whose inclination angle is to be measured, is deflected to a field of radiation-sensitive detector elements
  • Fig. 24 shows an arrangement with a birefringent etalon and several
  • FIG. 25 schematically shows a reflector which divides incident radiation and deflects it onto two different beam paths
  • FIG. 26 schematically shows a deflection device as in FIG. 25, which however additionally has a separate polarizer for influencing the polarization state of one of the two deflected radiation components.
  • FIG. 27 schematically shows a measuring arrangement for measuring the distance between two components which are movable relative to one another along a linear axis
  • FIG. 28 shows a partial view similar to the measuring arrangement illustrated in FIG. 27, but with an additional module for measuring in FIG.
  • Fig. 29 is a coordinate measuring machine (CMM) in gantry design with three
  • Measuring arrangements each for measuring a distance along one of three linear axes
  • FIG. 30 shows the CMM according to FIG. 29, but with two of the measuring arrangements having a common measuring module, FIG.
  • FIG. 31 is a CMM similar to FIGS. 29 and 30, but with all three.
  • FIG. 31 is a CMM similar to FIGS. 29 and 30, but with all three.
  • FIG. 32 shows a variant of the CMM from FIG. 31, FIG.
  • FIG. 33 schematically shows a measuring arrangement for measuring the distance between two components that are movable relative to one another, circularly polarized
  • Radiation is used as measuring radiation and wherein only the radiation component is irradiated with a polarization direction to an etalon arrangement, and
  • FIG. 34 shows an arrangement similar to that in FIG. 33, wherein, however, the radiation components with different polarization direction are first separated from one another and then irradiated separately onto one or one etalon arrangement.
  • a conventional etalon e.g. a Fabry-Perot interferometer, has the profile of the transmittance T shown in FIG. 1 as a function of the wavelength ⁇ . It can be seen that several maxima m1, m2, m3 at constant
  • Wavelength distances are present, wherein the profile of the transmittance T with respect to the center of each pair of successive maxima m1, m2; m2, m3 is symmetrical. Starting from, for example, the maximum m1, the transmittance T therefore decreases with increasing wavelength ⁇ to a local minimum in order to be close to the adjacent maximum m2 again increase in the same way, the course is symmetrical and approximately U-shaped.
  • Fig. 2 shows the course of the transmittance T for a
  • the transmittance T decreases steeply with increasing wavelength ⁇ , it is not as steep as it increases again after reaching a minimum t4 in order to reach the adjacent maximum m5.
  • the transmittance T also passes through a wavelength range ⁇ 1 in which it decreases linearly.
  • this so-called first wavelength range which contains the arithmetic mean of the wavelengths of the local maxima m4, m5, is particularly good for measuring the relative orientation of two relatively movable
  • the first wavelength range ⁇ 1 can also be selected greater than that shown in FIG. 2, so that the steadily decreasing course of the
  • Transmittance T is not linear everywhere.
  • the first wavelength range can be chosen to be at its right limit, i. with its maximum wavelength value at which local minimum t4 ends.
  • Wavelength ⁇ of the light incident on the etalon according to the invention differs from the course in FIG. 2 in that the transmittance T increases with increasing wavelengths in the
  • Range between the local maxima m6, m7 increases.
  • the following description applies analogously to a case in which the transmittance T decreases with increasing wavelengths in the range between the local maxima m6, m7.
  • the first wavelength range is again denoted by the reference character ⁇ 1.
  • an even larger wavelength range FSR is shown, which is equal to the distance between the successive local minima t6, t7 and is also equal to the distance of the successive local maxima m6, m7 and thus equal to the so-called free spectral range of the etalon.
  • the free spectral range depends on the optical thickness of the etalon, ie the product of refractive index of the area between opposite reflectors of the etalon and the geometric thickness, ie the distance of the reflectors of the etalon.
  • the geometric thickness corresponds to the path that the electromagnetic radiation for a cycle passes through the reflection before it is again reflected by the same reflectors in another cycle. According to the free one
  • Spectral range acts the etalon as an optical resonator, i. such a constructive and destructive interference of the multiply reflected radiation takes place such that the illustrated progression of the transmittance as a function of the wavelength results.
  • the wavelength position XI is also shown as a vertical line at which in one embodiment of the invention monochromatic or near
  • a transmittance T1 acts on the radiation which at this wavelength XI
  • the optical thickness of the etalon is changed, in particular by the fact that the first component and the second component, whose relative orientation is to be measured, assumes a different relative position to one another and thereby the relative orientation is changed, the result is e.g. the situation shown in Fig. 4. Due to the
  • Wavelength XI as in Fig. 3. It cuts due to the displacement of the
  • the first wavelength range ⁇ 1 Due to the shift in the course of the transmittance T, in other words, the first wavelength range ⁇ 1 has also shifted. Since the
  • Transmittance T increases linearly in this first wavelength range, the shift of the profile of the transmittance can be considered as linearly dependent on the measured intensity of the light passing through the etalon. This also applies to the optical thickness and thus at least for small changes in the relative orientation of the two components approximately also for the rotation angle.
  • FIGS. 3 and 4 illustrate an example of two different optical thicknesses.
  • Polarization direction could therefore weakened in accordance with the transmittance T1 shown in Fig. 3 pass through the etalon, while the second
  • Radiation components in the radiation passing through the etalon and analogously (the sum of the intensities of the re-emitted reflected and re-emitted transmitted radiation plus the radiation absorbed in the etalon is the same for each polarization direction as the radiation entering the etalon) also in the etalon again emerging, reflected radiation.
  • a plurality of the etalons may be provided, with each portion of the etalons (the portions being generated by, for example, beam splitting after the measurement path) thereof Measuring radiation is irradiated with the same measurement information contained in the measuring radiation.
  • the etalons have different distances between the reflectors at their opposite ends and thus too
  • Measurement result of the overall measurement arrangement can be increased.
  • care must be taken that the
  • Polarization states of the shares do not differ or be changed in a known manner, so that the generation of the shares does not distort the measurement result.
  • the etalon 1 shown in FIG. 5 has a transparent substrate G, which is transparent to the electromagnetic radiation passing through the etalon 1.
  • a transparent substrate G which is transparent to the electromagnetic radiation passing through the etalon 1.
  • the layer H is a non-electrically conductive layer with a high
  • Refractive index e.g. made of titanium dioxide.
  • the layer L is e.g. around a non-electrically conductive layer of low refractive index, e.g. made of silicon dioxide.
  • the externa ßere facing away from the substrate G layer is a layer H of the same material as the layer H at the opposite end.
  • the layer H has a common interface with the layer L, the layer surfaces of which extend parallel to the layer surfaces of the layer H.
  • an additional electrically conductive layer M is a constituent of the layer system at the end of the substrate G shown on the left in FIG. 5.
  • the layer is e.g. a metal layer, wherein the thickness of the electrically conductive layer M is chosen so that a clearly asymmetrical course of the
  • the electromagnetic radiation incident on the etalon is radiated, for example in the illustration of FIG. 5, coming from the left perpendicular to the left-hand layer system H, L, M and is reflected several times between the reflectors. A part of the radiation which has entered the etalon emerges through the reflectors again, since the layer system is not completely reflected but a small proportion of the electromagnetic radiation is transmitted. Since the etalon is a resonator, is in the resonator according to its quality (ie, in particular, a low absorption in the substrate G) the Radiation flux density high and exits radiation with a good measurable radiation flux density from the etalon, for example by the reflector right in Fig. 5th
  • FIG. 5 A modification of the etalon illustrated in FIG. 5 is shown in FIG.
  • This etalon 1a has as components of the layer systems at the opposite ends in each case a layer M1, M2 with electrically conductive material.
  • the layers M1, M2 are made of the same material, e.g. a metal or a metal alloy.
  • the layer thicknesses of the layers M1, M2 are different in size in order to achieve the desired asymmetric behavior of the transmittance.
  • the etalon 1 b shown in FIG. 7 has the same construction as in FIG. 5 on its layer system shown on the left in FIG. However, the structure of the layer system at the right, opposite end is different from that in Fig. 5 and Fig. 6.
  • This layer system has five mutually parallel and in pairs adjacent layers of non-electrically conductive material, e.g. in the layer sequence HLHLH, wherein, as in FIGS. 5 and 6, the
  • Layer system also have at least one layer of electrically conductive material.
  • Fig. 8 shows schematically the simplest embodiment of an arrangement according to the invention with a radiation source 3 (for example a laser), an etalon 1 and an intensity measuring device 5 which is arranged such that it differs from the radiation source 3 (for example a laser), an etalon 1 and an intensity measuring device 5 which is arranged such that it differs from the radiation source 3 (for example a laser), an etalon 1 and an intensity measuring device 5 which is arranged such that it differs from the
  • Radiation source 3 generated radiation incident on the Etalon 1 and according to the transmittance passes through this measures.
  • the etalon 1 is in a first rotational position.
  • Fig. 9 the arrangement is shown in a state in which the etalon 1 is in a different rotational position, wherein the rotational position clearly depends on the relative orientation of the relatively movable components, not shown in Fig. 8 and Fig. 9 are. Since the optical thickness changes with the rotational position of the etalon 1, ie with the angle of inclination of the radiation incident on the etalon 1, the intensity of the radiation incident on the measuring device 5 also changes in the manner described with reference to FIGS.
  • the measuring device 5 and also in other cases is, for example, a photodiode or an arrangement with a plurality of photodiodes, which is / are sensitive to the reflected radiation passing through the etalon or emerging from it.
  • a beam splitter 7 e.g. a semitransparent mirror, provided, which decouples from the beam path a portion of the radiation which is directed to a second intensity measuring device 9, e.g. also to a photodiode.
  • the measuring section in this case begins at the beam splitter 7 and ends at the etalon 1.
  • the measuring section can also be shorter, z. B. if in the beam path after the beam splitter 7 still a deflection follows, which couples the radiation in the measuring section. The same applies to the decoupling of the radiation from the measuring section via a deflection device at the end of the
  • the quotient of the intensity measured values of the measuring devices 5, 9 can be used to obtain a measure of the proportion of the radiation passing through the etalon 1.
  • this measure is independent of temporal
  • the measuring path can lie between the radiation source 3 and the beam splitter 7.
  • a change in the intensity of the radiation passing through the etalon 1 is a reference to
  • An assembly with the beam splitter 7 and the intensity measuring device 9, which are shown for example in FIG. 10, can also be used with other measuring arrangements, which in particular likewise have at least one radiation source, at least one etalon and at least one further intensity measuring device for the measurement have the intensity of emerging from the Etalon radiation.
  • the module with the beam splitter 7 and the intensity measuring device 9 has the advantage that the beam path is always the same from the end of the measuring path. Therefore, especially fast measurements are high
  • FIG. 11 represents a variant of the arrangement from FIG. 10.
  • the part of the radiation coupled out of the beam path between the radiation source 3 and the etalon is directed onto a second beam splitter 11, which in turn is a beam splitter
  • a semitransparent mirror can act.
  • a first part of the radiation impinging on the second beam splitter 11 is directed to a second etalon 2, which, unlike the first etalon 1, does not depend on the orientation of the first and second components (not shown in FIG. 11). changes, ie is independent of it.
  • the first etalon 1 may be birefringent for the radiation and therefore serve for a distance measurement.
  • a second part of the radiation impinging on the second beam splitter is supplied to a second intensity measuring device 13, which has the same function as the second measuring device 9 shown in FIG.
  • the radiation incident on the second etalon 2 partially passes therethrough according to the transmittance of the second etalon 2 and its intensity is detected by a third intensity measuring device 15, e.g. again a photodiode, measured.
  • a third intensity measuring device 15 e.g. again a photodiode, measured.
  • the relative position of the two components can be measured in this way, regardless of fluctuations in the wavelength and / or the intensity of the electromagnetic radiation emitted by the radiation source 3.
  • the effective transmittance of the first etalon 1 changes
  • the effective transmittance of the second etalon 2 also changes in the same way (because, for example, it is a structurally identical second etalon) and this is therefore governed by the third Intensity measuring device 15 detected.
  • the ratio of the intensities measured by the measuring devices 13, 15 is constant when the intensity of the incident radiation changes. This allows a correction or at least a check whether an intensity change has taken place.
  • the arrangement in FIG. 11 includes a fourth intensity measuring device 8 which measures the intensity of the electromagnetic radiation reflected from the second etalon 2 and incident thereon.
  • a fourth intensity measuring device 8 which measures the intensity of the electromagnetic radiation reflected from the second etalon 2 and incident thereon.
  • the quotient becomes smaller and the measured value of the first measuring device 5 can also be correspondingly corrected. If the wavelength of the radiation changes, the proportion absorbed by Etalons 1 and 2 also changes and, for example, leads to a reduction in the quotient when the absorbed fraction increases. Again, then, the measured value of the first measuring device 5 can be corrected accordingly.
  • Intensity measurement of the reflected radiation and of the intensity measuring device 15 for measuring the transmitted radiation can also be used with other measuring arrangements, which in particular likewise have at least one radiation source and optionally at least one further etalon.
  • such an assembly may be provided instead of the etalon 1 and the intensity measuring device 5 in Fig. 1 1.
  • the assembly may comprise only one of the intensity measuring means 8, 15, ie only the intensity of the radiation reflected by the etalon or the intensity of the radiation passing through the etalon is measured.
  • the measuring radiation incident on the etalon inclined at a small angle of, for example, at most 1 ° to 3 ° inclined against the surface normal. Since, in the case of the back and forth reflection of the radiation within the etalon between the reflectors, in each case a parallel offset of the radiation takes place per reflection, the reflected radiation emerging from the etalon can thus be displaced against the radiation reflected directly at the surface of the etalon.
  • the tilt in neutral position is but preferably so large that in the case of measuring the relative orientation of components even at the maximum possible rotation angle of the components is still a tendency.
  • Fig. 12 schematically shows an arrangement with which the relative orientations of three pairs of relatively movable components can be measured simultaneously. It may be six different components or at least one component in two different pairs may be the same component. In particular, in the three pairs of components, one component is the same component. A corresponding
  • radiation is irradiated to one etalon each. Radiation from the same radiation source 3 is used for this purpose.
  • the radiation generated by the radiation source 3 is first supplied to a first beam splitter 17, which decouples a portion of the radiation and supplies it to a first etalon 12.
  • Each of the three etalons 1, 12, 14 is associated with an intensity measuring device 4, 5, 6, which measures the intensity of the radiation passed through the respective etalon.
  • the undocked portion of the radiation incident on the first beam splitter 17 is directed to or impinges on a second beam splitter 7, the second one
  • Beam splitter 7 decouples a portion of the radiation and a reference intensity measuring device 9 supplies, in particular, the function of the measuring device 9 of FIG. 10 has. Another part of the radiation impinging on the second beam splitter 7 is supplied to or impinges on a third beam splitter 19, which decouples a part of the radiation and supplies it to a second etalon 14. Another part of the radiation incident on the third beam splitter 19 is supplied to a third etalon 1 or encounters it.
  • the intensity measurement of the radiation emerging from at least one of the etalons can in particular be configured differently as described above.
  • both the intensity of the exiting radiation in the reflection direction and the intensity of the exiting radiation in the transmission direction can be measured.
  • each of the etalons is preferably irradiated with electromagnetic radiation that has not passed through one of the other etalons or has been reflected by it.
  • each of the etalons can be used either to measure the relative orientation of two components, to measure the spacing of the components, or to measure both the distance and the relative orientation of the components.
  • the at least one radiation source eg a laser as source of linearly polarized radiation
  • the at least one radiation source be circular with a ⁇ / 4 element polarized radiation is combined.
  • an optical isolator and / or a pinhole in the beam path can be arranged between the radiation source and the ⁇ / 4 element.
  • At least one corresponding beam splitter can additionally be provided, preferably in the beam path behind the pinhole 21, onto which the electromagnetic radiation generated by the radiation source 3 impinges and partially passes through it.
  • the transmitted radiation reaches an optical isolator 23 to avoid back reflection to the laser.
  • the radiation which has passed through the optical isolator reaches a diverging lens 25 and then a converging lens 27, which are designed and matched to each other so that a beam expansion occurs and the radiation present in the beam path behind the converging lens 27 impinges on the etalon 1 on parallel rays.
  • the radiation passing through this etalon 1 is measured by a measuring device 5 with respect to the intensity. Again, the intensity of the passing radiation depends on the rotational position of the etalon 1.
  • FIG. 14 shows a modification of the arrangement shown in FIG.
  • a beam expansion also takes place, but not with a diverging lens 25 and the condenser lens 27 following in FIG. 13, but with a first converging lens 24 in the beam path followed by a pinhole 28 and a second converging lens 26.
  • the elements 24, 26, 28 are in turn so matched to one another that the radiation present in the beam path behind the second condenser lens 26 incident on parallel beams on the etalon 1.
  • only the optical isolator 23, but not the pinhole 21, is present.
  • the same modifications as explained with reference to FIG. 13 can be made.
  • FIGS. 13 and 14 may be used alternatively or additionally for the purpose of measuring the relative orientation of two components for the purpose of measuring the distance of the components.
  • a ⁇ / 4 element for generating circularly polarized radiation is provided in particular in the beam path after the optical isolator 23.
  • Spacing direction of the components propagates begins in the beam path at the earliest with the ⁇ / 4 element.
  • the deflection which represents an end of the measuring section.
  • the deflection is connected to one of the two components and directs the
  • the etalon is located in the beam path after the measuring section.
  • FIGS. 15 and 16 schematically show a device with a first component 31 and a second component 32 that are movable relative to one another.
  • the device is in particular a device of a coordinate measuring machine, eg a probe.
  • the first component 31 can be firmly connected to, for example, an arm or a quill of a coordinate measuring machine
  • the second component 32 can carry a probe or sensor of the coordinate measuring machine.
  • the sensor is, for example, an optical sensor for optically scanning a workpiece and thereby generating measured values of coordinates of the workpiece.
  • the sensor can also be a mechanical sensor which tactively touches the surface of a workpiece by means of a mechanical probe in order to obtain information about the coordinates of the workpiece to win.
  • the device shown in FIGS. 15 and 16 may itself comprise the sensor system.
  • the goal is to measure the relative movement of the components 31, 32 in the linear direction, which is horizontal in FIGS. 15 and 16.
  • the components 31, 32 are in the concrete embodiment via elastically deformable parts 32, 33 and dimensionally stable parts 34a, 34b connected to each other in the manner of a spring parallelogram.
  • the parts 34a, 34b may change their orientation relative to the first component 31 and the second component 32 due to the elastically deformable parts 32a, 32b and 33a, 33b. This happens in particular when a corresponding deflection force acts on the second component 32 and deflects it as shown in FIG. 16 to the left from the neutral position shown in FIG. 15.
  • the elastically deformable parts 32, 33 are each attached in pairs to the first component 31 and to the second component 32 and form connections between the components 31 and 34 or the components 34 and the second component 32.
  • one A pair of elastically deformable parts 32a, 32b for connecting the first component 31 with one of the components 34a, 34b provided and a pair of elastically deformable components 33a, 33b for the connection between the components 34a and 34b and the second component 32 is provided.
  • a radiation source 3 e.g. a laser fixedly connected to the first component 31.
  • a radiation reflector 29 is provided which reflects electromagnetic radiation generated by the radiation source 3 in the direction of the etalon 1, so that it passes through the etalon 1 and falls on a radiation measuring device 5.
  • first component 31 and the part 34a which can change their orientation relative to each other, that are movable relative to each other.
  • FIG. 17 shows an embodiment of the principle already described with reference to FIG. 12, according to which several etalons 1, 12, 14 can be irradiated with electromagnetic radiation from the same radiation source 3 and can measure different degrees of freedom of movement. It is e.g. a device that can be used as a probe for a coordinate measuring machine, as already described for Fig. 15 and Fig. 16.
  • the fixed first member 31 corresponding to the member 31 of Figs. 15 and 16 is used e.g. firmly coupled to the arm or quill of a coordinate measuring machine.
  • a second component 35 is provided, which can move in the direction shown in FIG. 17, vertical direction (z-direction).
  • a first etalon 12 is fixedly connected to it. If the second component 35 moves in the z-direction, the orientation of the first etalon 12 carried by it also changes.
  • electromagnetic radiation from a radiation source 3 e.g., a laser
  • a radiation source 3 e.g., a laser
  • a portion of the radiation incident on the beam splitter 17 is transmitted through it to the first etalon 12.
  • Another part of the incident radiation is deflected by the first beam splitter 17 and passes through an opening in the second component 35 or through a part transparent to the radiation (in the z-direction) and further passes through a third disposed below the second component 35 Component 36 through.
  • This third component 36 is movably connected to the second component 35 via at least one further elastically deformable part 37b.
  • the third component 36 is movably connected to the first component 31 via another elastically deformable part 37c.
  • the third member 36 is movable relative to the first member 31 in the z-direction due to these different elastic members 37a, 37b, 37c. Moving the lower portion 43 of the entire device, which is an interface to the
  • Coupling other components can act, in the z-direction, the second component 35 moves in the z-direction.
  • the second component 36 carries a second intensity measuring device 6 for the second etalon 14, whose function will be discussed in more detail.
  • a fourth component 38 is movable relative to the third component 36 in a linear direction (x direction), the x direction being horizontal in the illustration of FIG. 17.
  • the x-direction and the z-direction as well as a further y-direction still to be explained run in pairs perpendicular to one another.
  • the mobility of the third component 36 and of the fourth component 38 are configured as already explained with reference to FIGS. 15 and 16 for the components 31, 32 occurring there. Therefore, to form a spring parallelogram also in the embodiment of FIG. 17, components 34a, 34b are provided, which respectively produce the movable coupling between the third component 36 and the fourth component 38 via pairs of elastically deformable components 32a, 32b and 33a, 33b.
  • the second etalon 14 is attached to the part 34a. The deflected by the first beam splitter 17
  • radiation passes through the second component 35 and also through the third component 36 and impinges on a second beam splitter 19 which deflects a portion of the incident radiation to the second etalon 14.
  • the intensity of the radiation transmitted through the second etalon 14 is measured by the second measuring device 6.
  • the fourth component 38 is movably coupled to a fifth component 42.
  • the corresponding spring parallelogram is about 90 ° about the z-axis of
  • the fourth member 38 is not a first pair of elastically deformable parts 39a, 39b with a
  • variable shape portion 41 b coupled (another non-deformable part 41 a is not visible in Fig. 17, since it is disposed behind the part 41 b). Further, the non-deformable parts 41 a, 41 b are connected via another pair of elastically deformable parts 40 a, 40 b with the fifth component 41, which carries the lower portion 43 of the device. For reasons of stability, this lower part 43 of the device can be connected via unspecified elastically deformable parts on the one hand to the first component 31 and on the other hand to the third component 36.
  • Fastening means is the third intensity measuring device 5, for example, connected to the first component 31 or the third component 36.
  • the radiation not deflected by the second beam splitter 19 passes through it and also passes through the fourth component 38 and is deflected by a beam splitter or reflector, not explicitly shown, in the direction of the third etalon 1. Otherwise, the determination of the relative position of the components 38, 42 in the same manner as the determination of the relative position of the components 36, 38. The principle was explained with reference to FIGS. 15 and 16.
  • Fig. 18 shows schematically a plan view of a diaphragm spring 49, which allows twists about 2 mutually perpendicular axes of rotation.
  • the diaphragm spring 49 is constructed essentially of concentrically arranged regions 43, 45, 47. Due to the rotational mobility about the two axes of rotation of the central region 43 and the peripheral region 47 are movable relative to each other.
  • the central region 43 is rotatably coupled about a pair of elastically deformable coupling regions 44a, 44b with a central region 45 about the axis of rotation extending in the vertical direction in FIG.
  • the central region 45 is over two elastically deformable
  • Coupling portions 46a, 46b are movably coupled to the peripheral portion 47 about the rotational axis extending in the horizontal direction in FIG. 18 and intersect at the center of the central region 43. During the rotational movement about the respective axis of rotation, the respective coupling regions 44a, 44b and 46a, 46b arranged one behind the other along the axis of rotation are twisted.
  • an arrangement with two etalon 1, 12 is provided.
  • an intensity measuring device 4, 5 is provided for measuring the intensity of the radiation which has passed through the etalon.
  • Radiation from the same radiation source (not shown in FIG. 18) is generated in or radiated in the central region 43, so that part of the radiation passes through the first etalon 1, as indicated by arrows, which is fixedly connected to the central region 45 and that another part of the radiation passes through the second etalon 12, which is fixedly connected to the peripheral region 47.
  • FIGS. 19 and 20 schematically show two side views of the arrangement in FIG. 18 in different states of movement.
  • the movement positions of FIGS. 19 and 20 differ in that the central region 45 is relative to the central region 43 was rotated about the vertical axis of rotation in FIG. 18, wherein this
  • Rotary axis in Fig. 19 and Fig. 20 is perpendicular to the image plane.
  • the radiation generated by the radiation source 3 (alternatively radiation, which is deflected into the central region 43) is irradiated onto the first etalon 1 as shown by a double arrow in FIGS. 19 and 20.
  • the surface of the etalon 1 is approximately perpendicular to the propagation direction of the radiation, while in Fig. 20, the radiation impinges on the surface of the etalon 1 at an inclination angle corresponding to the rotational movement. Accordingly, compared to the state in FIG. 19, the optical thickness of the etalon 1 for the
  • the corresponding intensity change is a measure of the change in the rotational position.
  • Fig. 21 has similarities with the illustration in Fig. 19, since a diaphragm spring is also provided with concentric areas 43, 45, 47, but the viewing direction in comparison to FIG. 19 in the opposite direction. Also, no radiation source 3 is provided in the central region of the device according to FIG. 21, but rather a reflector 48. Furthermore, a first component 31 is connected to the peripheral region 47, which is similar to the embodiment of FIGS. 15 and 16 and FIG Fig. 17 eg the coupling to the arm or a quill of a
  • Coordinate measuring device is used.
  • the device is not fully illustrated in FIG.
  • the device may be similar to the central part 43 as shown in Fig. 17 a
  • Coupling region for coupling the device to be connected to a tactile probe for scanning a workpiece.
  • other elastically deformable elements and non-deformable components may be provided to stabilize the assembly.
  • the fixed to the first member 31 and thus to the peripheral region 47 laser (more generally: radiation source) generates electromagnetic radiation, which is deflected by the reflector 48 in the direction of the etalon 1.
  • a rotational movement of the central part 43 about an axis of rotation perpendicular to the image plane of FIG. 21 can be detected.
  • a second etalon 12 is additionally provided. However, this second etalon is fixedly connected to the central region 43 when radiation from the same radiation source 3 is irradiated onto the second etalon as shown above in FIG.
  • FIG. 22 the principle of integration of etalons in FIG. 22
  • FIG. 22 Facilities of a coordinate measuring machine explained.
  • the middle and lower part of FIG. 22 show a previously known component, which is already in particular already known in the art
  • the irradiated electromagnetic radiation after division by a beam splitter 17 passes.
  • the arrangement is arranged in particular in the middle region of the device 56, specifically in particular as described with reference to FIGS. 18 to 20.
  • the second etalon can not be connected to the peripheral area but to the central area of the diaphragm spring 52.
  • the electromagnetic radiation required for the irradiation of the etalons 1, 12 is preferably, as was already explained with reference to FIG. 21, irradiated from above, parallel to the axial direction, into the region of the diaphragm spring 52 and shown schematically in FIG divided by a beam splitter 17 in the two measuring beams.
  • the device 56 is, for example, a probe for a coordinate measuring machine.
  • a kinematics module of the probe has a fixed housing part 68, which is connected to the housing of the probe or may also be part of the probe housing.
  • the housing part 68 has a cylindrical design.
  • a first and a second cylindrical shell-shaped part 50, 51 are arranged.
  • the first cylindrical shell-shaped part 50 is movable via two leaf springs 44, 46 on the
  • the second cylindrical shell-shaped part 51 is movably attached to the first movable part 50 via two further leaf springs 58, 60.
  • the two moving parts 50, 51 diametrically opposite.
  • a so-called double spring parallelogram is formed by the arrangement of the housing part 68, the movable parts 50, 51 and the leaf springs 44, 46, 58, 60. This allows a deflection of the stylus in the Z direction relative to the housing part 68.
  • a diaphragm spring 52 is arranged within the Doppelfederparallelogramms.
  • the diaphragm spring 52 is located approximately centrally between the leaf springs 44, 58 on one side of the
  • Double spring parallelogram and the leaf springs 60, 46 on the other side It is also fixed between the two moving parts 50, 51 and carries a
  • Taststartverinrung 54 The Taststattverinrung 54 is in turn connected to the shaft 78 of a stylus. Due to the arrangement of the leaf springs 44, 46, 58, 60 shown and the diaphragm spring 52, the Tastwakverinrung 54 (and with it the stylus) are deflected in three spatial directions relative to the stationary housing part 68. In the X and Y direction, the deflection takes place in a cardan plane 76, which passes through the
  • Diaphragm spring 52 is set.
  • the deflection perpendicular thereto, i. in the Z direction, is made possible by the double spring parallelogram.
  • the arrangement of the etalon 1, 12 is used.
  • Fig. 23 shows an assembly with a diverter 100, e.g. a mirror or a reflector. In the figure from the left incident radiation hits the diverter 100, e.g. a mirror or a reflector. In the figure from the left incident radiation hits the diverter 100, e.g. a mirror or a reflector. In the figure from the left incident radiation hits the diverter 100, e.g. a mirror or a reflector. In the figure from the left incident radiation hits the
  • Deflection device 100 is deflected depending on the variable angular position of the deflection. In the illustrated angular position is the
  • Turning device 100 e.g. deflected by the angle oc from the neutral position.
  • the direction of the deflected radiation corresponds to the deflection.
  • the deflected radiation strikes at each permissible angular position of the deflection device 100 on a (one- or two-dimensional) field 104 of radiation-sensitive
  • Detector elements 104a-104d wherein optionally in the beam path between the
  • Deflection device 100 and the field 104 is provided at least one optical element 102, so that in particular the spatial resolution of the detection of the deflected radiation is increased by the field 104.
  • the assembly shown in Fig. 23 may be used in place of the assembly mentioned above in connection with Fig. 10, since unlike a single intensity measuring means 5 in Fig. 10, it has an array of detector elements, each of the detector elements also having the intensity the incident radiation measures, ie generates a corresponding intensity signal.
  • the arrangement shown schematically in FIG. 24 has an etalon 12. Radiation incident from the left in the figure on the etalon 12 is shown by a solid arrow. Depending on the configuration and mode of operation of the measuring arrangement, the direction of incidence of the incident radiation can be inclined to the surface normal of the etalon 1 12 (as shown) or not. In any case, from the assembly both the intensity of emerging from the Etalon 1 12 radiation in the reflection direction (shown by dashed arrows) and in the transmission direction (shown by continuous arrows). In addition, by a polarizing beam splitter 107 in the beam path of the reflected radiation and by a polarizing
  • a polarizing beam splitter can also be referred to as a beam splitter with polarization filter.
  • the assembly is therefore particularly suitable for distance measurement when the etalon 1 12 birefringent acts and the polarization directions of the beam splitter 107 and 1 14 are tuned to the direction of emerging from the Etalon 1 12 radiation, so that due to the birefringent effect of Etalon of the etalon differently influenced radiation components of the exiting radiation with the mutually perpendicular polarization directions as possible 100% are divided into the radiation components whose intensities are then measured by the intensity measuring devices 108, 109 and 1 15, 1 16.
  • the assembly is a preferred embodiment of an assembly for measuring the intensities of the differently polarized radiation portions of circularly polarized radiation exiting the etalon. Since both the reflected and the transmitted radiation are measured, the uniqueness of the measurement is increased. Alternatively, only the reflected radiation could be measured or the transmitted radiation measured. Furthermore, it is conceivable to measure only the intensity of the radiation with one polarization direction for the reflected radiation and only the radiation intensity of the radiation with the other polarization direction for the transmitted radiation.
  • the deflection devices now described with reference to FIGS. 25 and 26 are suitable for enabling the roll measurement described above in the description of the figures.
  • the arrow pointing from left to right in the illustrations represents the radiation incident on the deflection device 124, which is deflected into two, for example, by a beam splitter 126 of the deflection device 124 or in some other way (eg by division into a diffracted and a reflected, polarized beam) Beam paths is divided.
  • the radiation is preferably deflected in one of the
  • the polarization states of the radiations differ on the two
  • the polarization state of the radiation component on the first deflected beam path is dependent on the rotational position of the deflection device. If the deflection device 124 therefore assumed a different rotational position about an axis of rotation extending horizontally in the plane of the figure, the polarization state of the radiation component on the first beam path would also be different.
  • the polarization (depending on the rotational position of the deflection device 124) takes place within the deflection device 124 or through the deflection device 124
  • Rotary position of the deflector 124 generates, e.g. since he z. B. radiation with certain states of polarization without weakening or almost without weakening, while it does not happen or greatly weakened radiation with other polarization states. In all variants it can be at the
  • Bypass 124 e.g. to be a retroreflector.
  • the arrangement shown in FIG. 27 has a radiation source 130, for example at least one laser which generates linearly polarized radiation.
  • a radiation source 130 for example at least one laser which generates linearly polarized radiation.
  • an optical isolator 132 In the beam path of the radiation generated by the radiation source 130 follows first to the right in Fig. 27, an optical isolator 132 and then a ⁇ / 4 element 134 for generating circularly polarized radiation.
  • the optical beam conditioning can be provided, which has already been described for example with reference to other figures, for example in Fig. 13 and 14.
  • This radiation is incident on a beam splitter 137, which splits the incident radiation into two beam paths, the polarization state in both beam paths at the location of the beam splitter 137 are equal and wherein the beam splitter 137, regardless of the intensity of the radiation impinging on him preferably always generates radiation components with the same ratio of their intensities.
  • the one beam path leads upward in FIG. 27 to an assembly which serves to generate reference measured values. Above, the measurement of a reference value of the radiation intensity has already been described several times, for example with reference to FIG. 10.
  • the subassembly has an etalon 138 with in particular the same characteristics as a second etalon 146, which receives the radiation that has spread over the measuring path. This will be described in more detail.
  • the reference assembly has a polarizing beam splitter 140 and two intensity gauges 142, 144, in addition to the first etalon 138 (which is the nearest element of the reference assembly to the beam splitter 137).
  • the beam splitter 140 and the two intensity measuring devices 142, 144 operate e.g. in the same way as the beam splitter 1 14 and the intensity measuring means 1 15, 1 16 of FIG. 24. Therefore, the intensities of the two differently polarized portions of the radiation emerging from the first etalon 138 are measured.
  • reference intensity values are available for the two radiation components of different polarization.
  • the reference module can in particular be adjusted so that in a neutral position of the two relatively linearly movable components of the intensity measuring devices of the reference assembly, the same intensity ratio is measured as by corresponding intensity measuring devices of
  • Neutral position can be brought relative to each other or in a position in which the same ratio of the intensities of the two differently polarized radiation components of the radiation is achieved analogously as described above to Fig. 10 and Fig. 1 1 take place an adjustment using the reference measurements.
  • an intensity fluctuation and / or a drift of the intensity of the radiation generated by the radiation source or incident on the beam splitter 137 radiation can be corrected.
  • the beam path running from the beam splitter 137 to the right in FIG. 27 represents the measuring path.
  • the measuring path ends at a reflector 136, which may be, for example, a mirror or a retroreflector.
  • the reflector 136 reflects the measurement radiation back onto the beam splitter 137, so that the measurement distance is twice as large due to the reflection and therefore the resolution of the distance measurement is improved.
  • the measurement assembly may be located with the second etalon and the additional intensity measuring devices.
  • the measurement assembly may be located with the second etalon and the additional intensity measuring devices.
  • Bending device are located, e.g. the deflection device 100 of FIG. 23, but in addition to the assembly described with reference to FIG. 23 in the beam path of the deflected radiation, the second etalon is arranged, followed by a beam splitter.
  • one field of radiation-sensitive measuring sensors (as shown in FIG. 23) can therefore be provided for both beam paths, which the mentioned polarizing beam splitter generates in the beam path after the second etalon.
  • an intensity measuring device instead of a detector field, which allows the measurement of a tilting of the deflection device, only an intensity measuring device can be present, which can deliver only a single intensity measured value which corresponds to the radiation impinging on the location of the measuring device. In this case, no spatially resolved measurement takes place.
  • the diverter 100 of Fig. 23, e.g. the deflection of Fig. 25 or the arrangement of FIG. 26 may be provided.
  • the diverter of Fig. 25 and the arrangement of Fig. 26 enable the previously described roll measurement, i. the determination of the rotation of the relatively movable components about the direction of the measuring path, through the same
  • Measuring arrangement which also measures the distance of the components over the length of the measuring section.
  • Measuring module the other end of the measuring section.
  • the said elements which define the opposite ends of the measuring section are connected or coupled to the relatively movable components so that their relative movement is measurable, since the relative movement changes the length of the measuring section and in turn the length of the measuring section is measured.
  • the radiation reflected back from the reflector 136 onto the beam splitter 137 is incident on the beam splitter 137 and is deflected at least partially towards the measuring module.
  • the measuring module has in the beam path of the Beam splitter 136 next to the first second etalon 146 and then a polarizing beam splitter 148, which divides as well as the beam splitter 140 of the reference module emanating from the etalon transmitted radiation in the two parts with different, in particular perpendicular polarization directions.
  • the intensity of the one divided radiation component is measured by a third intensity measuring device 150 and the intensity of the other radiation component by a fourth intensity measuring device 152.
  • Measuring radiation passes through the other beam splitter 145 as unattenuated as possible and impinges on the second etalon 146. The exiting again from the etalon
  • the radiation impinging on the first beam splitter 137 from the radiation source can be divided into at least two beam paths, of which at least one is again split into at least two beam paths. This makes it possible optionally to perform a reference measurement again and in any case to generate beam paths for different measuring sections. In order to allow the measuring sections in
  • All intensity measuring devices can be measuring devices with a field of radiation-sensitive detectors or individual detectors which can only measure the intensity value of the radiation at a measuring location.
  • each measuring section can either have a reflector or a deflection device at its end or the measuring module.
  • the measuring assembly shown in Fig. 24 may be used, e.g. regardless of the relative position of the components to be measured, the measuring radiation is inclined to the surface normal of the etalon of the measuring assembly.
  • Similar measuring arrangements described with reference to FIGS. 27 and 28 can do without polarizing beam splitters for measuring the intensity of the radiation emerging from the etalon, unless the polarization state of circularly polarized radiation is to be measured, as in the distance measurement the case is. For example, if only the relative orientation of the two components is to be measured and therefore the angle of incidence of the radiation incident on the etalon is dependent on the relative orientation, a single intensity measuring device is sufficient in each case for the radiation emerging from the etalon in the transmission direction or in the reflection direction.
  • the measuring radiation has several wavelengths, in particular around the
  • the at least one measuring module and optionally also the reference module measuring devices for Having wavelengths separate measurement of the intensities.
  • at least one wavelength-sensitive beam splitter preferably interference filters, since absorption filters generally do not have the desired selectivity
  • the intensities of the different wavelengths are detected simultaneously. If only two wavelengths occur, the radiation of the first wavelength could be measured only for the part of the radiation emerging in the transmission direction from the etalon, and the radiation of the second wavelength can only be measured for the part of the radiation emerging in the reflection direction from the etalon.
  • the measurement of all wavelengths is preferred for both
  • the transmission direction as well as for the reflection direction.
  • the radiation components of different wavelengths can be generated and measured alternately, that is to say temporally alternately. If, however, the measured variable changes during this, the simultaneous acquisition is more accurate.
  • the measuring arrangement for measuring the relative position of two relatively movable parts can be used in particular in coordinate measuring machines, robots and
  • Machine tools are used for the manufacture of objects. These devices and machines usually have several pairs of relatively movable components. It can therefore, in particular as already described with reference to embodiments, several pairs of components with a common
  • At least one angle of rotation measurement and one distance measurement can also use a common etalon as described above.
  • the rotation angle measurement also includes the described roll angle measurement.
  • Measuring arrangement or a plurality of such measuring arrangements are measured.
  • a coordinate measuring machine in gantry design - or a machine tool with the same degrees of freedom of movement - eg three linear axes, which can be defined in particular as coordinate axes of a Cartesian coordinate system.
  • the three linear axes are therefore pairwise perpendicular to each other.
  • modifications are possible.
  • the degrees of freedom of the movement are cascaded, ie a movement about the axis of rotation or along the linear axis at the beginning of the cascade results in all the axes of rotation and / or linear axes coupled to one another until the end of the cascade being also moved ,
  • a corresponding example with three cascaded linear axes will be discussed in more detail with reference to FIGS. 29 to 32.
  • the measuring module is a structural unit which has at least one measuring module for measuring the relative orientation and / or the distance between two relatively movable components of the device or the machine.
  • the measurement module may also comprise more than one measurement assembly, e.g. each measure a distance and optionally also at least one angle of rotation.
  • the measuring radiation supplied to the plurality of measuring assemblies for measuring the distance and / or the angle of rotation from the same radiation source (for example, a laser or a combination of lasers that produce radiation of different wavelengths, but a common
  • the same radiation source for example, a laser or a combination of lasers that produce radiation of different wavelengths, but a common
  • At least one of the measuring assemblies serves to measure the roll angle or its change.
  • At least one measuring module can also serve to measure the offset of axes, in particular of linear axes relative to one another.
  • the measuring module can also contain the at least one radiation source. But this is not mandatory. It is also possible, e.g. above
  • the measuring module has, for example
  • At least one further optical component for processing the measurement radiation.
  • optical isolator and ⁇ / 4 element are examples of such as optical isolator and ⁇ / 4 element as well
  • Beam expansion arrangement and beam splitter in particular for a reference measurement and / or for a plurality of measuring sections, have already been described.
  • At least one measuring module of the measuring module determines redundant information about the measured variable (for example, distance or angle of rotation), as described e.g. in the measurement of the intensity of the radiation emerging in the transmission direction from the etalon and additionally the intensity measurement of the emerging in the reflection direction from the etalon radiation is the case. Redundant information leads to a more robust and interference-proof evaluation.
  • At least one optical fiber which is irradiated by the radiation and in particular can transmit or transmit laser radiation on curved paths, can be used for the measuring module.
  • a transmission by means of optical fiber or optical fibers is particularly advantageous in the case of a rotation angle measurement of the rotation angle in accordance with the relative alignment of two components about an axis of rotation.
  • the radiation source and / or the measuring assembly is arranged in the measuring module relatively far away from the rotating device and e.g. the turning device is a compact rotary device with small dimensions.
  • a deflection device can be used at the beginning and / or at the end of the measuring section.
  • the use of at least one optical fiber and / or at least one deflection device is also advantageous depending on the construction of the device or the machine in the distance measurement of components.
  • the optical elements for processing the measuring radiation in the beam path are arranged after the end of the optical fiber. In this way, errors and disturbances of the measurement, the otherwise could be caused by the optical fiber, the safest and easiest to avoid.
  • optical elements for example, a
  • Polarizer especially for generating linearly polarized radiation
  • / or a ⁇ / 4 element in the beam path to be arranged after the end of the optical fiber are especially for generating linearly polarized radiation
  • / or a ⁇ / 4 element in the beam path to be arranged after the end of the optical fiber are especially for generating linearly polarized radiation.
  • the polarizer can provide for a defined initial state of the radiation which is converted by the ⁇ / 4 element into circularly polarized radiation.
  • the use of the mentioned measuring module which contains a plurality of measuring modules for the measurement of one axis, has the advantage that, at least in the case of cascaded axes of motion, tilting and displacements of the
  • Motion axes can be detected relative to each other, which can remain unrecognized at separate, spaced-apart locations of the measurement.
  • the measuring sections both in the case of rotary axes and linear axes, can run completely outside solid materials (with the possible exception of a deflection at the end of the measuring section).
  • This has the advantage that unknown and variable properties of solid materials can not disturb or distort the measurement.
  • a gas for. B. air through which the
  • Water vapor in the air are affected. This is z. B. in the so-called water window of the air at wavelengths in the range of 1300 and 1500 nm of the case. It can z. But also wavelengths in the ultraviolet, visible and / or infrared
  • Radiation area can be used.
  • the measuring radiation may in particular have two or more wavelengths, which are z. B. each be generated by an associated laser or by a common laser as different modes. If at least two wavelengths of the measuring radiation occur, the optical properties of the medium along the measuring path can be determined from the measurement and corrected or eliminated by the measurement. For example, in this way a correction of the
  • Refractive index of an air measuring section are performed. It can the
  • Measuring radiation z. B. at the same time have at least two wavelengths or the at least two wavelengths can alternately, z. B. cyclically one after the other Form measuring radiation.
  • This alternating procedure has the advantage that a metrological separation of the radiation components with different wavelengths is not required.
  • the optical properties of the etalon may be changed over time, especially periodically, so that an evaluation of the measurement with itself known frequency-oriented method (eg., Measurement in frequency space instead of in the period) is possible.
  • the variation of the optical properties can be carried out in particular in the manner of a wobble.
  • the supporting parts of the measuring module which upon thermal expansion or contraction to a change in the position and / or orientation of the optical parts of the
  • Measuring modules (including the parts for radiation detection) can be made, preferably made of materials with low thermal expansion coefficients, z. B. from so-called new, d. H. artificially produced materials. In this way, the measurement is insensitive to temperature fluctuations.
  • the radiation source, the optical processing of the measuring radiation and / or the at least one measuring module can be thermally stabilized by active heating and / or cooling.
  • a heating and operation of these parts at a few Kelvin above ambient temperature eg up to 10 Kelvin is advantageous, since in this case, due to the temperature gradient, a defined dissipation of heat to the environment takes place and, in particular in the case of regulation of the Temperature very stable conditions can be created.
  • a radiation path of the measuring radiation in particular along the entire measuring path, arranged within a cavity and / or housing to avoid unwanted externa ßere influences such as radiation from outside into the measuring section.
  • This also makes it possible to homogenize the air typically present in the cavity and / or housing.
  • the air is z. B. swirls and / or permanently flows through the volume within the cavity or of the housing.
  • defined and temporally constant conditions are created.
  • a fan is used and / or is introduced via air nozzles pressurized air into the cavity and / or the housing interior.
  • the temperature, the pressure and / or the humidity of the gas (eg air) through which the measuring section runs can be measured and the measurement results of the radiation measurement can be corrected accordingly.
  • the resolution of the measurement can be improved and z. B. a resolution of less than a micrometer per meter of measurement distance can be achieved.
  • a measuring sensor or a plurality of measuring sensors are used.
  • FIGS. 29 to 32 a coordinate measuring machine is shown in FIG. 1 merely as an example of a device with cascaded axes of motion
  • the gantry coordinate measuring machine is a device with three cascaded linear axes.
  • CMM coordinate measuring machine illustrated in FIG. 29
  • CMM 210 has a base 212 relative to that of a portal 214 in the y-direction of a Cartesian
  • Coordinate system is linearly movable.
  • the portal 214 has two upwardly extending columns which project at a distance from each other and are interconnected at the top by a cross member.
  • a carriage 216 is linearly movable in the x direction of the Cartesian coordinate system.
  • a quill 218 is movable relative to the carriage 216 in the z direction of the Cartesian coordinate system.
  • a measuring head 220 with a stylus disposed thereon 222 At the lower end of the quill 218 z.
  • the CMM 210 is suitable due to the described degrees of freedom of movement to bring the stylus 222 (within a volume above the measuring table 212) in any position and z. B. mechanically scan the workpiece 232 shown in cuboid. Upon contact of the surface of the workpiece 232 with the stylus 222 measurement signals of the CMM 210 are generated, which allow the location of the touch z. B. in the said coordinate system to determine. For this purpose, it is necessary that the relative positions of said components, ie measuring table 212, portal 214, carriage 216 and quill 218 are measured. Usually coordinate measuring machines have in Portal construction corresponding incremental scales, but with the in the
  • measuring modules have already been described which have at least one etalon for distance measurement according to the invention.
  • the respective measuring module also has the radiation source, in particular one or more lasers, which generate / generate linearly polarized radiation. Furthermore, since it is one each
  • the laser is associated with a device for generating circularly polarized measuring radiation.
  • This measurement radiation propagates along the measurement path, wherein at least one deflection device is used per measurement path, which redirects the radiation so that the radiation is returned to the radiation path
  • a distance measurement is understood to mean not only the determination of the absolute distance value, but alternatively or additionally the measurement of a change in the distance. If z. B. the instantaneous relative position between the two relatively movable components, it is sufficient if the change in distance (or in the case of a rotation axis
  • the CMM shown in FIG. 29 has three measuring arrangements each measuring a distance parallel to one of the coordinate axes of the Cartesian coordinate system.
  • a first measuring module 238 is connected to the carriage 216, in
  • Embodiment integrated in the carriage 216 The measuring radiation generated by the first measuring module 238 propagates in the x direction in the direction of a deflection device 239 (eg a retro-reflector) and is deflected by it in the direction of the first measuring module 238, i. h reflected back in the opposite direction. Accordingly, the distance in the x direction can be determined.
  • a deflection device 239 eg a retro-reflector
  • a second measuring module 240 is attached at the base 212 (in the embodiment right front laterally at the base).
  • the measuring radiation generated by it passes through the measuring path extending in the y-direction as far as a deflection device 241 (for example, again Retroreflector) which is attached to a foot 224 of the portal 214.
  • a deflection device 241 for example, again Retroreflector
  • Deflection device 241 measuring radiation reflected back in the opposite direction is measured by at least one measuring module of the second measuring module 240.
  • a third measuring module 242 is attached (in the embodiment right side), which generates measuring radiation, which in the z-direction up to a
  • Deflector 243 which is attached to the sleeve 218 below. The measuring radiation reflected back from it in the opposite direction is measured by the third measuring module 242 and thus the distance in the z-direction is determined.
  • FIGS. 29 to 32 shows a possible housing in whose interior the measuring path is located.
  • the measuring path can in each case extend completely or partially through one of the components (for example in a cavity of the component) whose relative movement is to be measured.
  • a cavity may extend within the sleeve 218 in the z-direction, and the baffle 243 is also disposed within the sleeve 218 in this case.
  • the third measurement module 242 is disposed within the carriage 216 and z. B. via at least one further deflecting device and through an opening at the edge of the sleeve 218, the measuring radiation is coupled into the running in the z-direction measuring section and is decoupled again.
  • the CMM 210 shown in FIG. 30 is equipped with an overall measurement arrangement modified in contrast to FIG. 29. In the following, only the differences are described.
  • the first measuring module 238 assumes the function of the third measuring module 238
  • the first measuring module 238 therefore generates both the measuring radiation which passes through the measuring path extending in the x-direction and the measuring radiation which passes through the measuring path extending in the z-direction.
  • the advantage of this overall measurement arrangement is that possible errors due to a change in the relative position of the first measurement module 238 and the third measurement module 242 of Fig. 29 (eg, due to thermal expansion of the carriage 216) are minimized.
  • the overall measuring arrangement shown in FIG. 31 has a common measuring module 246 for determining the distances in each of the three directions x, y and z of FIG Coordinate system.
  • the common measuring module 246 is attached to the portal 214 and z. B. on the inside of the right column and below the cross member along which the carriage 216 is movable in the x direction.
  • the measuring module 246 for the distance measurement in the x direction forms the beginning of the measuring path.
  • the opposite end of this measuring section is formed by a deflecting device 249 fastened to the carriage 216.
  • the measuring module 246 also generates the measuring radiation for the measurements of the distances in the y-direction and in the z-direction. But it does not form the beginning of the respective measuring sections. Rather, the measuring radiation via a deflection device 250 which is connected to the carriage 216, coupled into the measuring section for measuring the distance in the z direction, passes through the measuring section up to the z. B. already known from Fig. 29 and Fig. 30 known reflector (deflector 243), is reflected back and also on the deflector 250 in the direction of the measuring module 246th
  • the measuring radiation generated by the measuring module 246 is coupled into the y-direction measuring section via a deflection device 248 fastened at the bottom of the portal 214 and is reflected back at the other end of the measuring section by a deflection device 247 which is connected to the base 212.
  • the back-reflected radiation is deflected via the deflection device 248 again in the direction of the measuring module 246 and measured there.
  • Measuring modules can be minimized or eliminated in the overall measuring arrangement according to FIG. 31.
  • the measurement of the distance in the x direction and the measurement of the distance in the z direction are carried out as described with reference to FIG. 31.
  • the measuring path already begins at the measuring module 246.
  • the measuring radiation propagating in the y direction is reflected back by a reflector 254 placed at the height of the measuring module 246 in the direction of the measuring module 246.
  • the reflector 254 is supported on the base 212 by means of a column 252 having a foot 253.
  • a deflection device 251 fastened to the gantry 214 at the bottom is also provided, onto which the measuring module 246 has a
  • Measuring radiation for the distance measurement in the y-direction causes, by way of a
  • Reference measurement of the measuring module 246 are measured. Stretches e.g. the portal 214 thermally off and therefore increases the distance of the measuring module 246 to the deflectors 248, 251, this is determined by the distance reference measurement. The effect can therefore be compensated for the distance measurement in the y direction.
  • the distance measurement in the z direction can be used as an additional reference measurement.
  • the measurement path of the reference measurement and the distance for the coupling of the measurement radiation into the measurement path are the same length. However, it is advantageous if these routes are approximately the same length. Nevertheless, when the difference of the two lengths or their ratio is known, correction can be made using the measurement results of the reference measurement.
  • the measuring structure shown in Fig. 32 is particularly advantageous in another type of coordinate measuring machine, in which e.g. parallel to the cross member of the portal approximately at the same level or slightly above or at a small distance above or below a fixed cross member extends, which is fixed relative to the base.
  • a fixed cross member extends, which is fixed relative to the base.
  • the column 252 and the deflector 254 can be arranged directly on the fixed cross member.
  • the location for the measuring module selected in FIGS. 31 and 32 has the advantage that stable mounting of the measuring module is possible and that the radiation paths for feeding the measuring radiation into the measuring sections are in no case over two axes, as in the case of an arrangement of the measuring module at the bottom of the portal would be the case.
  • Fig. 30 are for the coupling / decoupling in and out of the measuring section and the
  • Deflection at the end of the measuring section requires only passive deflection devices.
  • at least one of the measuring sections shown in FIGS. 29 to 32 can also be used for a roll angle measurement, as already described. This is z. B. at the respective end of the measuring section suitable for the rolling angle deflection device. In this way, additional measurement information can be obtained compared to an incremental scale.
  • the measuring arrangement shown in FIG. 33 has at least one radiation source 130, which is optionally combined with radiation treatment devices 132, 134, such as, for example, a radiation source. B. has already been described with reference to FIGS. 27 and 28. Instead of the arrangement with the devices 130, 132, 134 shown in FIG. 33 (the same applies to FIG. 34), however, another radiation source with optional radiation treatment can also be provided.
  • the generated and optionally prepared measuring radiation is coupled into the measuring section 161 via a reflector 160 arranged at the beginning of the measuring section 161 and, at the end of the measuring section, impinges on a second reflector 162 which decouples the measuring radiation from the measuring section 161.
  • a reflector 160 arranged at the beginning of the measuring section 161 and, at the end of the measuring section, impinges on a second reflector 162 which decouples the measuring radiation from the measuring section 161.
  • a reflector which measures the measuring radiation in the opposite direction or nearly
  • the measuring radiation coupled out of the measuring section 161 strikes a
  • Polarization filter 163 which allows only radiation of a certain polarization direction to pass.
  • a deflection device can be used, which only deflects radiation with a specific polarization direction in a deflected direction.
  • Radiation fraction is divided with the particular polarization direction into several beams that impinge on the individual Etalons. Schematically, it is shown in FIG the intensity of the radiations emerging from the etalons is measured by an intensity measuring device 150.
  • each of the etalons may be associated with a photodiode or a field of photodiodes.
  • Polarization filter 163 available radiation component has the
  • Measuring arrangement has the advantage that the uniqueness of the measurement is improved.
  • Each of the Etalons generates its own, differing from the other Etalons
  • Intensity signal This applies in any case in general, since due to the different optical thicknesses of the etalons and the free spectral range is different and therefore the course of the transmittance and the reflectance of Etalons in the above-mentioned. First wavelength range is different.
  • FIG. 33 is not preferred since it only evaluates one of the radiation components.
  • the other radiation component which is polarized in particular in the direction perpendicular to the polarization direction of the first radiation component, is however used for the measurement in the modified arrangement shown in FIG. 34.
  • the etalon assembly 164 (which in this case may alternatively comprise only a single etalon) is irradiated with the first portion of radiation having the first direction of polarization and the radiation emerging from the etalon assembly 164 is measured by the associated intensity measuring device 150.
  • the second radiation component with the perpendicular polarization direction is radiated by the beam splitter 167 onto a second etalon measuring arrangement 165 (which likewise can have only a single etalon or several etalons with different optical thicknesses).
  • the radiation emerging from the at least one etalon is measured by a second intensity measuring device 170, which corresponds to the intensity measuring device 150.
  • the arrangement illustrated in FIG. 34 is equivalent to using a measuring arrangement having at least one birefringent etalon when the optical thicknesses of the first and second etalon measuring assemblies 164, 165 are different.
  • a birefringent etalon has the advantage of not requiring another etalon.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Relativposition von relativ zueinander beweglichen Bauteilen (31, 34a; 31, 35; 36, 34a; 38, 41 b) einer Vorrichtung (30), insbesondere eines Koordinatenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: • Bestrahlen eines Etalons (1; 12; 14), d.h. eines Interferometers mit Reflektoren (H, L) zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung, dessen Reflektoren (H, L) einen optischen Resonator bilden, mit einer elektromagnetischen Strahlung, • Messen einer Strahlungsintensität von aus dem Etalon (1; 12; 14; 112; 146; 164, 165) austretender Strahlung und Ausgeben eines entsprechenden Messergebnisses, • Ermitteln der relativen Ausrichtung und/oder der relativen Lage aus dem Messergebnis.

Description

Messen der relativen Ausrichtung und/oder relativen Lage von zueinander beweglichen Bauteilen einer Vorrichtung, insbesondere eines Koordinatenmessgerätes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Relativposition von relativ zueinander beweglichen Bauteilen einer Vorrichtung, insbesondere eines
Koordinatenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine, wobei ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil der Vorrichtung derart relativ zueinander beweglich sind, dass sich mit der Bewegung eine relative Ausrichtung (insbesondere ein Drehwinkel) und/oder eine relative Lage (insbesondere ein Abstand) des ersten und zweiten Bauteils ändert. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zum Messen einer Relativposition von relativ zueinander beweglichen Bauteilen einer Vorrichtung, die wie zuvor beschrieben relativ zueinander bewegliche erste und zweite Bauteile aufweist. Auch betrifft die Erfindung ein
Koordinatenmessgerät mit einer derartigen Anordnung oder mit einer Mehrzahl derartiger Anordnungen. Außerdem betrifft die Erfindung einen Sensor für ein
Koordinatenmessgerät mit einer derartigen Anordnung, wobei der Sensor ausgestaltet ist, mit einem mechanisch abtastenden Taster zum Abtasten eines zu vermessenden
Werkstücks gekoppelt zu werden, sodass das erste Bauteil und das zweite Bauteil beim Abtasten des Werkstücks relativ zueinander bewegt werden.
Insbesondere in der Koordinatenmesstechnik kommen sehr kleine translatorische
Bewegungen und sehr kleine Drehbewegungen vor. Es ist auch möglich, dass eine Drehbewegung mit sehr kleinem Drehwinkel einer translatorischen Bewegung überlagert ist. Z.B. bei Federparallelogrammen können im Verbindungsbereich zwischen zwei Elementen, die über das Federparallelogramm beweglich miteinander verbunden sind, solche überlagerten Bewegungen auftreten. Die Erfindung betrifft insbesondere das Messen von relativen Bewegungen, bei denen die relativ zueinander beweglichen Bauteile ihre relative Ausrichtung ändern, unabhängig davon, ob es sich um eine reine Drehbewegung oder um eine überlagerte rotatorische (d.h. Dreh-) und translatorische (d.h. geradlinige) Bewegung handelt. Die Erfindung betrifft aber auch die Messung ausschließlich translatorischer Bewegungen.
Kleine Änderungen der relativen Ausrichtung z.B. im Bereich von wenigen
Winkelsekunden kommen insbesondere bei Sensoren oder anderen beweglichen Teilen für Koordinatenmessgeräte vor. Dabei können die relativen Bewegungen der Bauteile erwünschte Bewegungen sein, die z.B. beim Antasten eines zu vermessenden
Werkstücks mittels eines mechanischen Tasters vorkommen, der die Oberfläche des Werkstücks berührt. Bei den Bewegungen kann es sich alternativ oder zusätzlich um unerwünschte Bewegungen handeln, die z.B. beim Verbiegen eines Bauteils (etwa eines beweglichen Arms eines Koordinatenmessgeräts) unter mechanischer Last oder aufgrund von Temperaturschwankungen vorkommen. In der Koordinatenmesstechnik, aber auch bei anderen Präzisionsmaschinen und Präzisionsgeräten ist die Kenntnis über beide Arten von Bewegungen von Vorteil oder sogar erforderlich, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Im Fall eines Koordinatenmessgeräts ist das Ziel eine präzise Vermessung von Werkstücken.
Zur Messung von kleinen translatorischen und rotatorischen Bewegungen ist es im Bereich der Koordinatenmesstechnik bekannt, Sensoren und Kombinationen von
Sensoren unterschiedlicher Art einzusetzen. Z.B. handelt es sich bei den Sensoren um Magnetfeldsensoren, kapazitive Sensoren und/oder induktive Sensoren. Auch optische Sensoren sind bereits vorgeschlagen worden, die jedoch z.B. bei Anwendung des Triangulationsprinzips verhältnismäßig großen Bauraum benötigen und wegen der erforderlichen mechanischen Stabilität meist auch eine große Masse besitzen. Für viele Anwendungen im Bereich der Koordinatenmesstechnik wird jedoch eine geringe Masse angestrebt und steht wenig Bauraum zur Verfügung.
Insbesondere bei Koordinatenmessgeräten besteht jedoch nicht nur ein Interesse an der Messung von Drehbewegungen, sondern auch an der Messung von geradlinigen
Bewegungen entlang einer Linearachse oder an der Messung mehrerer solcher
Linearbewegungen. Vorhandene Messanordnungen benötigen ebenfalls verhältnismäßig viel Bauraum. Z.B. werden Inkrementalmaßstäbe vorgesehen, die von einem an dem anderen Teil angeordneten Lesekopf abgelesen werden. Der Lesekopf benötigt über den gesamten Bewegungsbereich der Linearbewegung Bewegungsraum oder er muss so angeordnet werden, dass sich das andere Teil über den gesamten Bewegungsbereich an ihm vorbeibewegen kann. Wenn mehrere Linearbewegungen gemessen werden sollen, wie es z.B. bei einem Koordinatenmessgerät in Portalbauweise oder Gantry-Bauweise der Fall ist, besteht bei sich über den Bewegungsbereich erstreckenden Maßstäben ferner das Problem, dass die Ablesung der Maßstäbe an verschiedenen Orten stattfinden muss und die Ausrichtung der Messorte relativ zueinander unbeabsichtigt variieren kann, z.B. durch eine unbeabsichtigte Torsion eines der Bauteile während der Linearbewegung.
US 7,330,246 B2 beschreibt ein Neigungsmessgerät zum Überwachen der
Winkelverschiebung in einem einfallenden Signal. Das Neigungsmessgerät weist einen Resonator auf zum Empfangen eines einfallenden Signals von einem Signalübertrager und zum Ausgeben eines resonierten Signals. Der Einfallswinkel existiert zwischen einer Ebene, die senkrecht zu dem Resonator und dem einfallenden Signal verläuft. Es ist ein Sensor vorgesehen, um das resonierte Signal zu detektieren. Ein Prozessor, der mit dem Sensor verbunden ist, vergleicht Intensitäten des einfallenden Signals und des
resonierten Signals. Basierend auf dem Vergleich bestimmt der Prozessor, ob und um wie viel sich der Einfallswinkel geändert hat.
US 4,969,744 beschreibt eine planparallele Platte, auf die kohärentes Licht von einem Laser eingestrahlt wird. Auf einen Schirm wird ein Interferenzmuster beobachtet und auf einen Mehrkanaldetektor abgebildet, der eine Position definiert. Das Interferenzmuster bewegt sich, wenn die Platte um ihre Achse gedreht wird. Auf diese Weise ist ein hochempfindliches Messgerät vorgesehen, mit dem Messungen bis zu Bruchteilen einer Bogensekunde durchgeführt werden können.
US 7,187,447 B1 beschreibt einen gestuften Etalon, der eine obere Oberfläche und zwei untere Oberflächen hat, die parallel zu der oberen Oberfläche verlaufen und jeweils in einem unterschiedlichen Abstand von der oberen Oberfläche positioniert sind. Jede untere Oberfläche hat eine Kante, wobei die Kanten einander gegenüber stehen und eine geneigte Stufe zwischen den beiden Kanten positioniert ist, sodass Strahlung von einem Lichtstrahl, der auf die obere Oberfläche projiziert wird, die Stufe bei einem Brewster- Winkel schneidet und durch der Etalon ohne irgendwelche Rückreflexion in dem Etalon hindurchtritt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Messen einer Relativposition von zwei relativ zueinander beweglichen Bauteilen anzugeben, insbesondere Bauteilen eines Koordinatenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine, wobei für die Messung wenig Bauraum erforderlich sein soll. Insbesondere sollen rotatorische Bewegungen und Bewegungskomponenten unabhängig von etwaigen translatorischen Bewegungen und Bewegungskomponenten messbar sein. Es sollen aber alternativ translatorische Bewegungen (z. B. bei einer Abstandsmessung) messbar sein. Es ist eine weitere Aufgabe, eine Anordnung zum Messen einer Relativposition der beiden Bauteile anzugeben, mit der das Verfahren realisiert werden kann. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Koordinatenmessgerät mit der Messeanordnung anzugeben und einen Sensor für ein Koordinatenmessgerät anzugeben, der zumindest Teile der Anordnung aufweist. Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird ein Etalon verwendet, d.h. ein Interferometer mit Reflektoren zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung, dessen Reflektoren einen optischen Resonator bilden. Beispiele für Etalons sind die aus dem Stand der Technik an sich bekannten Etalons, insbesondere ein Festkörper-Etalon mit einem transparenten, an gegenüberliegenden Seiten mit den Reflektoren
ausgestatteten Material, ein Fabry-Perot-Interferometer, ein scannendes Fabry-Perot- Interferometer, ein Mach-Zehnder-Interferometer, ein Twyman-Green-Interferometer oder ein Sagnac-Interferometer. Gemeinsam ist den Interferometern, dass die Reflektoren einen optischen Resonator bilden, d.h. durch mehrfache Reflexion der
elektromagnetischen Strahlung an den Reflektoren wird die einfallende
elektromagnetische Strahlung in Bezug auf ihre Wellenlänge oder Frequenz gefiltert und die aus dem Etalon austretende elektromagnetische Strahlung weist bei Wellenlängen, die die Resonanzbedingung erfüllen, Maxima der Strahlungsintensität auf. Je nach Güte des Etalons können die Maxima sehr stark ausgeprägt sein, d.h. in
Wellenlängenbereichen zwischen zwei benachbarten Maxima ist die Strahlungsintensität der austretenden Strahlung sehr klein. Dieses Verhalten kann insbesondere durch den Transmissionsgrad als Funktion entweder der Wellenlänge oder der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung beschrieben werden. Unter Transmission wird
insbesondere der Prozess verstanden, bei dem elektromagnetische Strahlung auf den Etalon einfällt, von den Reflektoren des Etalons mehrfach reflektiert wird und in
Transmissionsrichtung wieder aus dem Etalon austritt. Der Transmissionsgrad ist der Anteil der auf den Etalon auftreffenden und in diesen eintretenden elektromagnetischen Strahlung, der wieder aus dem Etalon austritt, oder auf eine bestimmte Weise aus dem Etalon austritt, z.B. an einer definierten Stelle des Etalons wieder austritt. Alternativ kann der Transmissionsgrad nicht auf die in den Etalon eintretende elektromagnetische Strahlung bezogen werden, sondern auf die von einer Strahlungsquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung oder auf die auf den Etalon auftreffende (d.h. einfallende) Strahlung. Alternativ oder zusätzlich kann die in Reflexionsrichtung aus dem Etalon austretende Strahlung ausgewertet werden. Der Reflexionsgrad und der
Transmissionsgrad hängen über die Energiebilanz miteinander zusammen: die insgesamt auf den Etalon eingestrahlte Strahlung wird entweder reflektiert, transmittiert oder absorbiert. Die Summe aus Transmissionsgrad, Reflexionsgrad und Absorptionsgrad ist daher eins, und zwar für jeden gegebenenfalls vorhandenen Strahlungsanteil mit unterschiedlicher Polarisation und für jede Wellenlänge. Die hochauflösende Messung von Neigungswinkeln, d.h. von Ausrichtungen, und auch von translatorischen Positionen und Bewegungen unter Verwendung von Etalons ist an sich bekannt. Z.B. werden Glas-Substrate oder andere für die elektromagnetische Strahlung transparente Substrate mit ebenen Randflächen hoher Güte verwendet, wobei die Endflächen mit reflektierenden Schichten versehen sind. Je höher der Reflexionsgrad der reflektierenden Schichten ist, umso höher sind die Finesse des Etalons und damit das Auflösungsvermögen. Bei der Auswertung der Messung wird die Lage der
Transmissionsmaxima der aus dem Etalon austretenden Strahlung bestimmt.
Üblicherweise werden zur Messung der Transmissionsmaxima ein- oder
zweidimensionale Felder von Detektoren (d.h. ortsauflösende Detektorfelder) verwendet, die für die elektromagnetische Strahlung empfindlich sind und das örtliche Maximum der Strahlung messen.
Im Unterschied zu den an sich bekannten Etalons schlägt die Erfindung vor, einen oder mehrere Etalons zu verwenden, dessen/deren Transmissionsgrad als Funktion der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zwischen zwei benachbarten (d.h. zwei aufeinanderfolgenden Maxima) einen ersten Wellenlängenbereich aufweist, in dem der Transmissionsgrad stetig ansteigt oder stetig abfällt, und sich insbesondere über einen Bereich von mehr als 50 % des Wellenlängenabstandes der beiden benachbarten Maxima erstreckt. In dem ersten Wellenlängenbereich steigt der Transmissionsgrad entweder stetig an oder er fällt stetig ab, je nach Ausgestaltung des Etalons. Die
Formulierung "oder" ist daher nicht so zu verstehen, dass in dem ersten
Wellenlängenbereich sowohl ein stetiger Anstieg als auch ein stetiger Abfall des
Transmissionsgrades stattfindet. Dies schließt nicht aus, dass es zwischen den zwei benachbarten Maxima des Transmissionsgrades au ßerdem zumindest einen zweiten Wellenlängenbereich gibt, in dem der Transmissionsgrad sich entgegengesetzt verhält, d.h. z.B. bei einem stetigen Anstieg in dem ersten Wellenlängenbereich kann der Transmissionsgrad in dem zweiten Wellenlängenbereich stetig abfallen. Der erste Wellenlängenbereich ist jedoch insbesondere größer als der zweite Wellenlängenbereich. Am Rand eines der beiden Maxima muss es sogar einen solchen zweiten
Wellenlängenbereich geben, in dem sich der Transmissionsgrad anders verhält als in dem großen, ersten Wellenlängenbereich.
Insbesondere erstreckt sich der erste Wellenlängenbereich, in dem der
Transmissionsgrad entweder stetig ansteigt oder stetig abfällt, über die Mitte des
Wellenlängenabstandes der beiden benachbarten Maxima hinaus. Unter der Mitte des Wellenlängenabstandes ist das arithmetische Mittel der Wellenlängen bei den
aufeinanderfolgenden, benachbarten Maxima zu verstehen. Vorzugsweise ist der stetige Anstieg oder der stetige Abfall des Transmissionsgrades in dem ersten
Wellenlängenbereich linear oder näherungsweise linear, d.h. der Transmissionsgrad als Funktion der Wellenlänge oder Frequenz ist eine Gerade (d.h. mit konstanter Steigung) oder näherungsweise eine Gerade, wobei die Steigung je nach Ausgestaltung des Etalons auch negativ sein kann. Unter "näherungsweise" wird verstanden, dass die Steigung über den Verlauf des Transmissionsgrades in dem jeweiligen Bereich der Wellenlänge oder Frequenz als konstant angenommen wird und der daraus resultierende Fehler der Bestimmung der relativen Ausrichtung der beiden Teile unter 10 %, vorzugsweise unter 5 % und insbesondere unter 3 % liegt.
Bevorzugtermaßen wird die beschriebene Eigenschaft des verwendeten Etalons dadurch erreicht, dass der Etalon zusätzlich zu den Reflektoren zumindest einen
Strahlungsabsorber aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, durch den
elektromagnetische Strahlung, welche innerhalb des Etalons von den Reflektoren reflektiert wird, hindurchtritt und dabei teilweise absorbiert wird. Die Absorption verändert insbesondere die Phase der hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung. Der Strahlungsabsorber kann außerdem als Strahlungsreflektor wirken. Sowohl der
Absorptionsgrad als auch der Reflexionsgrad sind in dem ersten Wellenlängenbereich selbstverständlich kleiner als Eins. Andernfalls würde das beschriebene Verhalten des Transmissionsgrades als Funktion der Wellenlänge bzw. Frequenz nicht erreicht. Der Absorber absorbiert einen Teil der durch ihn hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung und führt zu einem asymmetrischen Verlauf des Transmissionsgrades zwischen aufeinanderfolgenden, benachbarten Transmissionsmaxima als Funktion der Wellenlänge oder Frequenz. Bei konventionellen Etalons dagegen ist dieser Verlauf symmetrisch bezüglich der Mitte des Abstandes der Maxima.
Bei dem elektrisch leitfähigen Material kann es sich insbesondere um Metall handeln. Außer Gold können auch andere Metalle verwendet werden, insbesondere solche Metalle wie Tantal und Niob, die auch zur Herstellung nicht elektrisch leitfähiger Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex zur Herstellung der einander gegenüberstehenden Reflektoren des Etalons (siehe unten) verwendet werden können. Allerdings werden diese Metalle dann lediglich Teile einer Verbindung mit anderen Elementen als nicht elektrisch leitfähige Schicht. Wenn diese Metalle wie Tantal und Niob bereits in der
Herstellungsanlage vorhanden sind, z.B. der Aufdampf- und/oder Sputteranlage, und sowohl für die Herstellung der zumindest einen elektrisch leitfähigen Schicht als auch der elektrisch nicht leitfähigen Schichten verwendet werden, ist der Herstellungsaufwand zur Herstellung des Etalons verringert. Dies ist insbesondere in Sputteranlagen von Vorteil, mit denen einerseits dünne Schichten mit besonders präzisen Abmessungen und homogenen Materialeigenschaften herstellbar sind, von denen aber auch größere Targets aus dem jeweiligen Material z.B. im Bereich einer Target-Masse von 1 kg benötigt werden. Selbstverständlich können die mehreren Schichten desselben Etalons aber auch nacheinander in verschiedenen Anlagen hergestellt werden und z.B. schichtweise entweder aufgesputtert und aufgedampft werden.
In manchen Fällen ist es erforderlich, auf ein Substrat oder auf eine bereits auf einem Substrat hergestellte Schicht zunächst eine Haftschicht aufzubringen, bevor das elektrisch leitfähige Material insbesondere aus Metall aufgebracht wird. Auch zur Herstellung der Reflektoren des Etalons kann es erforderlich sein, dass zunächst entweder die elektrisch nicht leitfähige Schicht mit hohem Brechungsindex oder mit niedrigem Brechungsindex aufgebracht sein muss, bevor weitere Schichten aufgebracht werden. Dies ist
insbesondere dann zu berücksichtigen, wenn auch eine λ/2-Schicht aufzubringen ist (siehe unten).
Insbesondere wird zumindest einer von zwei einander gegenüberstehenden Reflektoren des Etalons mit einem Absorber versehen, insbesondere mit einer Absorptionsschicht. Bei den einander gegenüberstehenden Reflektoren handelt es sich um Reflektoren, zwischen denen die elektromagnetische Strahlung hin und her reflektiert wird. Der Absorber befindet sich im Strahlengang vor dem Ort des Reflektors, über den die
elektromagnetische Strahlung nicht oder lediglich mit einem geringen Anteil der
Strahlungsintensität hinauskommt, wenn sie von dem Reflektor reflektiert wird. Z.B. bei einer üblichen Ausgestaltung eines Reflektors mittels einer Mehrzahl von nicht elektrisch leitenden Schichten, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, bildet die zusätzliche Absorptionsschicht aus elektrisch leitfähigem Material daher nicht die im Strahlengang letzte Schicht des Schichtsystems am Reflektor. Vielmehr ist die Schicht aus elektrisch leitfähigem Material vorzugsweise die erste Schicht des Schichtsystems, d.h. die auf den Reflektor einfallende elektromagnetische Strahlung tritt zuerst durch die Schicht aus elektrisch leitfähigem Material hindurch, bevor sie von den im Strahlengang dahinter liegenden Schichten des Reflektors reflektiert wird. Dem entspricht ein allgemeiner Grundgedanke einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wonach zumindest einer der Reflektoren des Etalons durch zumindest zwei elektrisch nicht leitende, dielektrische Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet wird und auf der einem anderen Reflektor zugewandten Seite des Reflektors eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material (insbesondere einem Metall oder einer Metall- Legierung) aufweist, sodass die auf den Reflektor auftreffende elektromagnetische Strahlung durch die elektrisch leitende Schicht hindurchtreten muss, um von dem
Reflektor reflektiert zu werden.
Insbesondere kann die Schicht aus elektrisch leitfähigem Material aus mehreren
Teilschichten bestehen, die jeweils aus elektrisch leitfähigem Material bestehen oder von denen zumindest eine Schicht elektrisch leitfähig ist. Es ist daher insbesondere möglich, dass die elektrisch leitfähige Schicht von einer Abdeckschicht aus nicht elektrisch leitfähigem Material abgedeckt ist. Die elektromagnetische Strahlung, die auf den
Reflektor einfällt, tritt in diesem Fall zunächst durch die Abdeckschicht und erst dann durch die elektrisch leitfähige Schicht oder die elektrischen leitfähigen Schichten hindurch.
Bei zwei einander gegenüberstehenden Reflektoren des Etalons können auch beide Reflektoren zumindest eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere in der zuvor beschriebenen Weise, aufweisen. Insbesondere unterscheiden sich dabei die optischen Eigenschaften (insbesondere der Absorptionsgrad und damit auch der
Transmissionsgrad) der elektrisch leitfähigen Schichten an den einander
gegenüberliegenden Reflektoren. Z.B. können an den gegenüberliegenden Reflektoren unterschiedlich dicke Schichten desselben elektrisch leitfähigen Materials verwendet werden. Die optischen Eigenschaften der Schichtsysteme an den Reflektoren können insbesondere nach der so genannten Matrix-Methode berechnet werden. Allgemeiner formuliert können die Wirkungen der Schichtsysteme vor der Realisierung bezüglich ihrer optischen Eigenschaften simuliert werden und kann durch Variation der Schichtdicken und/oder Schichtmaterialien und/oder Anzahl der Schichten ein Schichtsystem mit gewünschten oder geeigneten optischen Eigenschaften gefunden werden. Unter einem Schichtsystem wird eine Anordnung aneinander liegender Schichten verstanden. Die Schichtoberflächen der verschiedenen Schichten des Schichtsystems verlaufen parallel zueinander oder zumindest annähernd parallel zueinander. In einem einfachen Fall besteht ein Schichtsystem z.B. aus einer nicht elektrisch leitfähigen Schicht mit hohem Brechungsindex (im Folgenden mit H abgekürzt), einer darauf angeordneten nicht elektrisch leitfähigen Schicht mit niedrigem Brechungsindex (im Folgenden mit L abgekürzt) und einer darauf angeordneten elektrisch leitfähigen Schicht (im Folgenden mit M abgekürzt), sodass sich ein Schichtaufbau des Schichtsystems ergibt, der mit der Buchstabenfolge HLM beschrieben werden kann, wobei die Reihenfolge der Buchstaben die Reihenfolge der einander benachbarten Schichten wiedergibt. Die Schicht M ist dabei die dem anderen oder den anderen Reflektoren des Etalons zugewandte Schicht, auf die die auf den Reflektor einfallende Strahlung zuerst auftrifft. Insbesondere kann sich auch abgesehen von der zusätzlichen elektrisch leitfähigen Schicht der Schichtaufbau der verschiedenen Reflektoren des Etalons unterscheiden. Z.B. weist einer der Reflektoren eine größere Anzahl von nicht elektrisch leitenden Schichten auf als zumindest ein anderer Reflektor, z.B. der gegenüberliegende Reflektor.
Insbesondere wechseln sich die nicht elektrisch leitenden Schichten alternierend bezüglich der Größe ihres Brechungsindex ab. Der alternierende Aufbau eines Reflektors mit mehreren nicht elektrisch leitenden Schichten kann daher z.B. durch HLHLHLH beschrieben werden, d.h. er weist sieben nicht elektrisch leitende Schichten auf. Z.B. können als nicht elektrisch leitende Schicht mit hohem Brechungsindex eine
Titandioxidschicht (Brechungsindex ungefähr 2,44) und als nicht elektrisch leitende Schicht mit niedrigem Brechungsindex eine Siliziumdioxidschicht (Brechungsindex ungefähr 1 ,38) mit jeweils einer Schichtdicke von einem Viertel einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung verwendet werden, die vorwiegend verwendet werden soll. Z.B. kann diese Wellenlänge im sichtbaren Bereich bei 585 nm liegen. Derartige nicht elektrisch leitende, nämlich dielektrische, Schichten haben den Vorteil, dass die Reflexion der elektromagnetischen Strahlung nahezu verlustfrei stattfindet, d.h. es findet nahezu keinerlei Absorption in dem Reflektor statt. Allerdings findet bei dem Schichtsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine zusätzliche Schicht aus elektrisch
leitfähigem Material aufweist, eine Absorption statt.
Insbesondere kann die Schichtdicke (die Richtung, in der die Dicke gemessen wird, fällt mit der Richtung zusammen, in der die elektromagnetische Strahlung durch die Schicht hindurchtritt, oder verläuft zumindest annähernd parallel oder unter geringen
Neigungswinkeln insbesondere kleiner als 10° zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung) der Schicht aus elektrisch leitfähigem Material so gewählt werden, dass der
Transmissionsgrad zwischen zwei benachbarten Maxima einen gewünschten stetig ansteigenden oder stetig abfallenden Verlauf innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs hat. Bei geringer Schichtdicke im Bereich weniger Atomlagen, so dass sich insbesondere die dünnst mögliche homogen deckende Schicht ergibt (d.h. typischer Weise eine Schichtdicke von wenigen Nanometern), der elektrisch leitenden Schicht oder Schichten wird der symmetrische Verlauf des Transmissionsgrades, der ohne die zumindest eine zusätzliche elektrisch leitende Schicht gegeben wäre, zunächst nicht wesentlich verändert. Mit zunehmender Schichtdicke, die insbesondere wenige Mikrometer (z. B. 2-5 μηι) bis einige 10 μηι (z. B. 50 - 100 μηι) betragen kann, verändert sich jedoch der Verlauf des Transmissionsgrades zwischen den benachbarten Maxima, bis von einem zwischen den Maxima liegenden Transmissionsminimum ein stetig ansteigende Verlauf in Richtung auf das weiter entfernt gelegene Maximum des Transmissionsgrades stattfindet. Dieser Verlauf kann (zum Beispiel in dem genannten Bereich von Schichtdicken) insbesondere so eingestellt werden, dass er über einen weiten ersten
Wellenlängenbereich nahezu linear ist, näherungsweise (s.o.) eine konstante Steigung aufweist. Es sind jedoch auch andere Verläufe des Transmissionsgrades in dem ersten Wellenlängenbereich einstellbar. Insbesondere bei Reflektor, die eine Kombination von dielektrischen Materialien mit hohen und niedrigen Brechungsindizes aufweisen, liegt das Optimum der Schichtdicke, bei dem ein linearer Verlauf vorhanden ist, innerhalb eines schmalen Schichtdickenbereichs von wenigen Nanometern bis einigen 10 Nanometern.
Insbesondere kann der Etalon zwischen den zwei einander gegenüberstehenden
Reflektoren ein Material aufweisen, das bei der mehrfachen Reflexion der
elektromagnetischen Strahlung an den Reflektoren mehrfach in jeweils wechselnder Richtung durchstrahlt wird. Dieses Material wird im Folgenden als Abstandsmaterial bezeichnet, da es sich in dem Raum des Abstandes zwischen den Reflektoren befindet. Insbesondere kann das Abstandsmaterial die Reflektoren und die zumindest eine zusätzliche Absorptionsschicht aus elektrisch leitfähigem Material tragen oder zumindest mit den Reflektoren und der zumindest einen zusätzlichen Absorptionsschicht verbunden sein. Dies ist z.B. bei einem Festkörper- Etalon der Fall. Nach dem Eintritt der auf den Etalon einfallenden Strahlung durchläuft die Strahlung den Etalon daher mehrfach in den einander entgegengesetzten Richtungen, wird jeweils (zu einem Anteil) an dem jeweiligen Reflektor reflektiert und wird zu einem (insbesondere sehr kleinen) Anteil von der zumindest einen zusätzlichen Absorptionsschicht absorbiert. Dabei verlässt die Strahlung auf ihrem Weg zwischen den Reflektoren den Etalon nicht und verbleibt dabei im Fall eines Festkörper-Etalons auch ohne Unterbrechung in den Festkörper-Materialien des Etalons. Es ist jedoch auch möglich, dass das Abstandsmaterial den Raum zwischen den beiden Reflektoren nicht vollständig ausfüllt, sodass sich z.B. zwischen dem
Abstandsmaterial und einem der Reflektoren ein Raum befindet, der frei von
Festkörpermaterial ist. Insbesondere ist das Abstandsmaterial ein homogenes Material, d.h. innerhalb des Abstandsmaterials sind keine Zonen mit unterschiedlichen
Materialeigenschaften vorhanden. Alternativ kann das Abstandsmaterial aus Bereichen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften bestehen, insbesondere aus Bereichen mit unterschiedlichen Brechungsindizes.
Ein Festkörper-Etalon wird z.B. hergestellt, indem auf ein Substrat, das z.B. das
Abstandsmaterial oder ein Bereich des Abstandsmaterials sein kann, nacheinander die oben erwähnten Schichten aufgebracht werden, z.B. durch Aufdampfen und/oder
Aufsputtern. Insbesondere können auf diese Weise die Schichten der Reflektoren an den beiden einander gegenüberliegenden Seiten des Etalons hergestellt werden.
Z.B. kann das Abstandsmaterial oder ein Bereich des Abstandsmaterials ein Metamaterial sein, d.h. eine künstlich hergestellte Struktur, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder von der in der Natur üblichen abweicht. Auf diese Weise können für die Funktion des Etalons günstige optische Eigenschaften erzielt werden. Insbesondere kann es sich um ein Übergitter (englisch: super-lattice) handeln, d.h. um einen künstlich hergestellten Festkörper, der aus einer Abfolge von dünnen Schichten besteht, die sich z. B. periodisch wiederholen. Mit Metamaterialien und Übergittern können insbesondere der Brechungsindex oder auch die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindexes eingestellt werden.
Insbesondere kann das Abstandsmaterial oder ein Bereich des Abstandsmaterials elektro-optisch wirksam sein. Über eine an das Material angelegte elektrische Spannung, deren Größe einstellbar ist, kann so z.B. der Brechungsindex des Materials eingestellt werden. Dies ermöglicht z.B. die Veränderung des Brechungsindex bei gleicher oder nahezu gleicher Relativposition der beiden relativ zueinander beweglichen Teile, sodass bei unterschiedlichem Brechungsindex des Abstandsmaterials und damit bei
unterschiedlicher optischer Dicke des Etalons gemessen werden kann. Dies ermöglicht insbesondere eine Verringerung der Messunsicherheit für die Bestimmung der
Relativposition aus den Messsignalen. Alternativ oder zusätzlich kann das Messsignal durch Veränderung der optischen Eigenschaften moduliert werden (z.B. mit einer vorgegebenen Frequenz frequenzmoduliert werden), um das Signal-/Rauschverhältnis bei der Messung zu verbessern. Ferner alternativ oder zusätzlich kann die elektro-optische Eigenschaft des Abstandsmaterials dazu benutzt werden, eine doppelbrechende Wirkung des Materials einzustellen, zu verändern und/oder zu erzeugen. Z.B. kann lediglich einer von zwei Brechungsindizes des doppelbrechenden Materials, d.h. der Brechungsindex für Strahlung mit einer bestimmten, zugeordneten Polarisationsrichtung, elektro-optisch eingestellt werden, während ein anderer oder der andere Brechungsindex des Materials (z.B. für Strahlung mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu der Polarisationsrichtung des anderen Brechungsindex) elektro-optisch nicht veränderbar ist oder nicht verändert wird, z.B. weil die elektrische Spannung so angelegt wird, dass nur der eine der beiden Brechungsindizes mit Veränderung der Spannung verändert wird. Es ist jedoch auch möglich, durch Verändern einer Spannung oder mehrerer elektrischer Spannungen, die an das Material angelegt werden, beide Brechungsindizes zu verändern und
insbesondere das Verhältnis der beiden Brechungsindizes zueinander zu verändern. Durch die Veränderung des Verhältnisses der beiden Brechungsindizes wird daher auch das Verhältnis der optischen Dicken für die Strahlungsanteile unterschiedlicher
Polarisationsrichtung verändert. Mit verändertem Verhältnis der beiden Brechungsindizes, jedoch gleicher oder annähernd gleicher Relativposition der beiden relativ zueinander beweglichen Teile, die zu messen ist, kann jeweils die Intensität der aus dem Etalon austretenden Strahlung oder ein Verhältnis dieser Intensität zu einem Vergleichswert gemessen werden. In diesem Fall können Messsignale mit gleichem Informationsgehalt oder sogar größerem Informationsgehalt bezüglich der Eindeutigkeit der Messung und/oder bezüglich der Relativposition der beiden Teile gewonnen werden, die es bei Verwendung einer Mehrzahl von Etalons mit unterschiedlichen, aber jeweils zeitlich konstanten optischen Dicken der Fall ist.
Insbesondere im Fall des erwähnten elektro-optisch wirksamen Abstandsmaterials, aber auch bei nicht elektro-optisch wirksamem Abstandsmaterial kann zumindest ein Bereich des Abstandsmaterials doppelbrechend sein, d.h. unterschiedliche Brechungsindizes für in unterschiedlichen Richtungen polarisierte Strahlung haben. Dadurch ist die optische Dicke des Etalons für die in unterschiedlicher Richtung polarisierte elektrische Strahlung verschieden, obwohl die mechanische Dicke (die z.B. als der Abstand zwischen den beiden einander gegenüberliegend angeordneten Reflektoren des Etalons definiert ist) nicht von der Polarisation abhängt. Unter einem doppelbrechenden Material wird auch ein optisch anisotropes Material verstanden, das mehr als zwei optische Achsen hat.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass zumindest einer der Reflektoren des Etalons abhängig von der Polarisationsrichtung der auf ihn auftreffenden Strahlung verschieden reagiert, sodass der Transmissionsgrad des Etalons für die Strahlungsanteile
unterschiedlicher Polarisationsrichtung verschieden ist. Dies wird jedoch nicht bevorzugt, stellt aber eine Variante eines Etalons mit doppelbrechender Eigenschaft dar. Die zuvor genannten Eigenschaften und/oder Ausgestaltungen des Abstandsmaterials können bei konkreten Ausgestaltungen eines Etalons in beliebiger Kombination innerhalb desselben Etalons vorhanden sein. Insbesondere können zwei oder mehr der genannten Materialien oder Materialbereiche des Abstandsmaterials in demselben Etalon, insbesondere in demselben Festkörper-Etalon vorhanden sein, wobei die verschiedenen Materialbereiche in Abstandsrichtung der beiden Reflektoren an den entgegengesetzten Enden des Etalons z.B. hintereinander angeordnet sind.
Generell ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den Reflektoren des Etalons möglichst klein ist. Dadurch wird das Messsignal (insbesondere die Intensität der aus dem Etalon austretenden Strahlung) genauer auswertbar. Die Grenze zu noch kleineren Abständen liegt allerdings in der Größenordnung der Wellenlänge der Messstrahlung. Wenn aber ein Abstandsmaterial eingesetzt wird, das die Strahlung abhängig von ihrer Polarisation beeinflusst (z.B. das doppelbrechende Material), wird der gewünschte Effekt der Beeinflussung der Strahlung größer mit zunehmender Schichtdicke des Materials. Insbesondere in Bezug auf doppelbrechendes Abstandsmaterial wird daher bevorzugt, hochwirksames Material einzusetzen, d.h. ein Material, das bereits bei geringen
Schichtdicken die gewünschte z.B. doppelbrechende Wirkung zeigt und insbesondere einen möglichst großen Unterschied der optischen Dicke für die Anteile der Strahlung mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung bewirkt. Aus diesem Grund werden die oben erwähnten Metamaterialien und Übergitter bevorzugt, die gegenüber natürlich
vorkommenden Materialien so hergestellt werden können, dass sie optisch hochwirksam sind. Metamaterialien können z.B. lithografisch hergestellt werden. Sie eignen sich wie auch natürlich vorkommende Kristalle als Substrat für das Aufbringen weiterer Schichten des Etalons (siehe oben). Für die Praxis eignet sich z.B. Lithium-Niobat oder Lithium- Tantalat als doppelbrechendes Material. Als natürliches Material kommt Kalkspat infrage.
Der Etalon kann zumindest ein λ/2-Element aufweisen, das Strahlung mit einer ersten Polarisationsrichtung um die Hälfte einer Wellenlänge λ gegenüber dazu senkrecht polarisierter Strahlung verzögert und dadurch eine Drehung der Polarisationsrichtung der sich innerhalb des Etalons zwischen den Reflektoren ausbreitenden Strahlung bewirkt.
Durch eine Drehung der Polarisationsrichtung um die Ausbreitungsrichtung der sich innerhalb des Etalons ausbreitenden Strahlung bzw. der wieder aus dem Etalon austretenden Strahlung kann die aus dem Etalon austretende Strahlung für die Detektion der Intensität oder Intensitäten der Strahlung und damit für die Bestimmung der
Relativposition der beiden relativ zueinander beweglichen Teile angepasst werden. Z.B. ist die aus dem Etalon austretende Strahlung auf einen polarisierenden Strahlteiler gerichtet, der abhängig von der Polarisationsrichtung der auf ihn auftreffenden Strahlung die Strahlung in unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen aufteilt. Der oder die Strahlteiler teilt die Strahlung z.B. in zwei Anteile auf, die unterschiedlich polarisiert sind.
Um z.B. den Messaufbau entlang des Strahlungsweges bis zu dem Strahlteiler auf diesen anzupassen, kann der Etalon mit dem zumindest einen λ/2-Element ausgestattet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, außerhalb des Etalons ein λ/2-Element zur Drehung der Polarisationsrichtung vorzusehen. Z.B. kann eine Drehung der
Polarisationsrichtung von Vorteil sein, wenn Umlenkungen im Ausbreitungsweg der Strahlung nicht exakt in einer gewünschten Weise realisiert sind, z.B. Umlenkungen des Strahlungsweges über Reflektoren nicht exakt rechtwinklig sind. Alternativ oder Zusätzlich kann durch die Drehung der Polarisationsrichtung die Messanordnung auf die Vorrichtung angepasst werden, die die beiden Teile aufweist, deren Relativposition gemessen werden soll.
Insbesondere kann das λ/2-Element au ßerhalb des Abstandsbereiches zwischen den zwei einander gegenüber liegenden Reflektoren des Etalons angeordnet sein. In diesem Fall kann bei der Herstellung des Etalons zunächst das λ/2-Element hergestellt werden oder ein bereits vorhandenes λ/2-Element verwendet werden und das λ/2-Element als Substrat für die Aufbringung weiterer Schichten des Etalons verwendet werden. Es können auch mehr als eine λ/2-Schicht bzw. entsprechende Elemente als Teil des Etalons vorgesehen sein, z.B. zur Drehung der Polarisationsrichtung von Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge oder zur mehrfachen Drehung von Strahlung derselben Wellenlänge.
Die Drehung des Polarisationszustandes um die Ausbreitungsrichtung der Strahlung kann gemäß dem Farad ay- Effekt bewirkt werden. Beim Betrieb des λ/2-Elements,
insbesondere eines Etalons mit einem solchen Material, wird daher ein Magnet, insbesondere ein Elektromagnet, verwendet, der in dem genannten Material den Faraday- Effekt bewirkt. Zur Messung der relativen Lage des ersten und zweiten Bauteils, die relativ zueinander in einer geradlinigen Richtung beweglich sind, wird vorgeschlagen, zirkulär polarisierte Strahlung zu verwenden. Die zirkulär polarisierte Strahlung durchläuft die Messstrecke. Wenn sich daher die Länge der Messstrecke und damit der Abstand zwischen den beiden Bauteilen ändert, dann ändert sich auch der Polarisationszustand der Strahlung am Ende der Messstrecke. Der Polarisationszustand kann durch das Verhältnis der Anteile der Strahlung mit unterschiedlichen, senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen beschrieben werden.
Vorzugsweise wird die zirkulär polarisierte Strahlung, die die Messstrecke durchlaufen hat, auf ein doppelbrechendes Etalon eingestrahlt. Aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaft des Etalons ist der Transmissionsgrad des Etalons für die beiden
Strahlungsanteile der zirkulär polarisierten Strahlung, die senkrecht zueinander stehende Polarisationsrichtungen haben, verschieden, da die optische Dicke des Etalons für die Strahlungsanteile verschieden ist. Da ferner der Polarisationszustand der zirkulär polarisierten Strahlung, d.h. die Intensitäten oder das Intensitätsverhältnis der beiden Strahlungsanteile der zirkulär polarisierten Strahlung, beim Auftreffen auf den Etalon variieren, variieren folglich dementsprechend auch die Intensitäten oder Verhältnisse der Intensitäten der beiden Strahlungsanteile der zirkulär polarisierten Strahlung, die wieder aus dem Etalon austritt. Wenn nun der Polarisationszustand der auf den Etalon einfallenden Strahlung von der Relativposition und insbesondere ausschließlich von der relativen Lage (d.h. dem Abstand) der beiden relativ zueinander beweglichen Teile abhängt, kann aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaften des Etalons die
Relativposition der beiden Teile gemessen werden. Insbesondere bei einer
Abstandsmessung bestimmt der Abstand der Bauteile, mit welchem Polarisationszustand die Strahlung auf den Etalon einfällt. Wird der Abstand vergrößert oder verkleinert, muss die zirkulär polarisierte Strahlung eine entsprechend längere oder kürzere Messstrecke durchlaufen, so dass die Intensitäten oder das Intensitätsverhältnis der beiden
Strahlungsanteile der zirkulär polarisierten Strahlung entsprechend verändert ist.
Es wird daher vorgeschlagen, den Ausbreitungsweg der zirkulär polarisierten Strahlung bis zum Auftreffen auf den Etalon eindeutig abhängig von der Relativposition,
insbesondere der relativen Lage, der beiden relativ zueinander beweglichen Teile zu machen und durch Auswertung der unterschiedlichen Wechselwirkung des
doppelbrechenden Etalons mit den Strahlungsanteilen der beiden Polarisationsrichtungen des zirkulär polarisierten Lichts die Relativposition zu bestimmen. Der Verwendung eines doppelbrechenden Etalons ist die Verwendung zweier oder mehrerer Etalons mit verschiedener optischer Dicke äquivalent, wenn die
Strahlungsanteile mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung vor oder nach dem
Auftreffen auf die Etalons ganz oder teilweise voneinander getrennt werden (zum Beispiel durch einen oder mehrere Strahlteiler). Insbesondere kann auf jeden der Etalons i) ausschließlich einer der Strahlungsanteile oder ii) überwiegend einer der
Strahlungsanteile oder iii) können die Strahlungsanteile mit einem anderen
Intensitätsverhältnis als in der Messstrahlung eingestrahlt werden. Auch in diesen Fällen wirken sich die unterschiedlichen optischen Dicken der Etalons in unterschiedlicher weise auf die einzelnen Strahlungsanteile aus. Da die optische Dicke insbesondere den freien Spektralbereich des Etalons (s.u.) bestimmt, ist die Wirkung der verschiedenen Etalons auf die verschiedenen Strahlungsanteile unterschiedlich. Man kann daher wie bei einem doppelbrechenden Etalon die Intensität der aus dem Etalon bzw. aus den Etalons austretenden Strahlung messen und daraus die Messgröße, zum Beispiel den Abstand der beiden Bauteile, bestimmen.
Es kann davon gesprochen werden, dass der doppelbrechende Etalon bzw. die Etalons mit verschiedener optischer Dicke die Intensität der auftreffenden Messstrahlung abhängig von Ihrem Polarisationszustand moduliert/modulieren und damit den
Polarisationszustand messbar macht/machen. Da der Polarisationszustand - bei entsprechenden Messaufbau - wiederum ein Maß für die relative Position (insbesondere die relative Lage) der Bauteile ist, ermöglicht der doppelbrechende Etalon bzw.
ermöglichen die Etalons mit verschiedener optischer Dicke die Messung der relativen Position.
Selbstverständlich kann auch eine Kombination zumindest eines doppelbrechenden Etalons mit zumindest einem nicht doppelbrechenden Etalon verwendet werden, wobei vorzugsweise die unterschiedlich polarisierten Strahlungsanteile der Messstrahlung vor dem Auftreffen auf den nicht doppelbrechenden Etalon oder auf zumindest einen der nicht doppelbrechenden Etalons ganz oder teilweise voneinander getrennt werden. Es kann auch eine Mehrzahl doppelbrechender Etalons (und insbesondere ausschließlich doppelbrechende Etalons) verwendet werden, wobei die verschiedenen Etalons unterschiedliche optische Dicken für zumindest einen der Strahlungsanteile haben. In einer möglichen, vereinfachten Ausgestaltung wird lediglich einer der unterschiedlich polarisierten Strahlungsanteile auf einen oder mehrere Etalons eingestrahlt und die Intensität des wieder aus dem Etalon oder den Etalons austretenden Strahlungsanteils gemessen. Zum Beispiel wird dieser Strahlungsanteil aus der zirkulär polarisierten Strahlung, welche die Messstrecke durchlaufen hat, durch einen Polarisationsfilter erzeugt, der lediglich diesen Strahlungsanteil passieren lässt oder lediglich diesen Strahlungsanteil umlenkt (zum Beispiel reflektiert). Da aber der Messbereich, in dem die Messgröße eindeutig erfasst werden kann, kleiner ist, wird diese vereinfachte
Ausgestaltung nicht bevorzugt. Die Messung der Intensitäten der verschiedenen
Strahlungsanteile unter Verwendung einer Etalon-Messeanordnung mit mehreren optischen Dicken ergibt zumindest redundante Messinformationen und erhöht somit die Messsicherheit oder vergrößert sogar den Eindeutigkeitsbereich.
In der weiteren Beschreibung wird vielfach von einem Etalon gesprochen und nicht jedes Mal darauf hingewiesen, dass alternativ (insbesondere alternativ zu einem
doppelbrechendem Etalon) wie oben beschrieben eine Mehrzahl von Etalons verwendet werden kann. Die Beschreibung gilt aber auch entsprechend für den Fall mehrerer Etalons.
Bei der Abstandsmessung kann es zu Veränderungen des Abstandes der beiden relativ zueinander beweglichen Teile über einen großen Bereich kommen. Um eine Veränderung des Abstandes zu messen, können die Messsignale, die die aus dem Etalon austretende Strahlung bewirkt, fortlaufend über den Zeitraum ausgewertet werden, in dem sich der Abstand ändert. Dabei werden insbesondere sich periodisch wiederholende Maxima und Minima der Intensitäten der unterschiedlich polarisierten Anteile der austretenden Strahlung beobachtet. Durch Zählung der Maxima und/oder Minima kann ähnlich wie bei einem Inkrementalmaßstab ermittelt werden, um welchen Betrag sich der Abstand der beiden Bauteile verändert hat.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird auf den zumindest einen Etalon nicht wie üblich ein breites Spektrum elektromagnetischer Strahlung eingestrahlt, sondern wird vorzugsweise elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen bzw. Frequenzen in einem schmalen Spektralbereich eingestrahlt. Der entsprechende schmale Wellenlängenbereich wird im Folgenden als dritter
Wellenlängenbereich bezeichnet. Insbesondere weist die elektromagnetische Strahlung, die auf den Etalon einfällt, ausschließlich Wellenlängen auf, die innerhalb des dritten Wellenlängenbereichs liegen, der mindestens um einen Faktor 10, insbesondere mindestens um einen Faktor 100 und z. B. bis zu einem Faktor 1000 oder sogar mehr als 1000 schmaler ist als der erste Wellenlängenbereich, in dem der Transmissionsgrad zwischen den benachbarten Transmissionsmaxima stetig zunimmt oder stetig abfällt. Um einen Faktor 10 (bzw. 100 oder 1000) schmaler bedeutet, dass der schmalere, dritte Wellenlängenbereich um diesen Faktor zu multiplizieren ist, um die Breite des ersten, breiteren Wellenlängenbereichs zu erhalten. Vorzugsweise wird elektromagnetische Strahlung von zumindest einem Laser als Strahlungsquelle erzeugt und auf den Etalon eingestrahlt. Es wird bevorzugt, dass der zumindest eine Laser linear polarisierte
Strahlung erzeugt. Optional kann die Laserstrahlung zumindest auf einem Teil des Weges von der Strahlungsquelle bis zu dem Etalon durch einen Lichtleiter bzw. Strahlungs-Leiter (zum Beispiel eine optische Faser-Leitung) geleitet werden. Dies erleichtert die Integration der Anordnung in praxistaugliche Einrichtungen. Auch Anordnungen mit fasergekoppelte Lasern kommen als Strahlungsquelle in Betracht. Wenn für die Zuführung der für die Messung verwendeten Strahlung von der Lichtquelle zum Etalon zumindest auf
Teilstücken Strahlungs-Leiter eingesetzt werden, wird vorzugsweise im Strahlengang zwischen dem Strahlung-Leiter und dem Etalon ein Kollimator verwendet, der die
Strahlung aufweitet, so dass parallele Strahlungswege auf den Etalon treffen.
Durch Laserstrahlung können sehr schmale Spektren elektromagnetischer Strahlung erzeugt werden. Unter einem Laser wird nicht zwingend eine Strahlungsquelle
verstanden, die Strahlung im sichtbaren Bereich erzeugt. Vielmehr kann die Strahlung z.B. auch im infraroten Bereich liegen.
Vorzugweise wird die Wellenlänge der von dem Laser erzeugten elektromagnetischen Strahlung mittels einer Stabilisierungseinrichtung konstant gehalten. Z.B. kann als Stabilisierungseinrichtung eine Anordnung verwendet werden, die einen
Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Lasers und eine Kühleinrichtung (z.B. ein Peltier-Element) aufweist, wobei der Temperatursensor mit einer
Temperatursteuerungseinrichtung verbunden ist, die abhängig von der von dem
Temperatursensor gemessenen Temperatur die Kühleinrichtung ansteuert, um den Laser zu kühlen und so die Temperatur zu beeinflussen. Insbesondere wird die Temperatur auf einen vorgegebenen Temperaturwert geregelt. Eine Stabilisierung hat den Vorteil, dass die Wellenlänge bzw. Frequenz der auf den Etalon einfallenden elektromagnetischen Strahlung in einem besonders schmalen, vorbekannten Wellenlängenbereich liegt und daher Fehler aufgrund von Rauschen der einfallenden Strahlung minimiert werden. Um auf die Bestimmung der Relativposition der beiden relativ zueinander beweglichen Teile durch Auswertung der unterschiedlichen Wechselwirkung eines doppelbrechenden Etalons auf die Strahlungsanteile zirkulär polarisierter Strahlung mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung zurückzukommen, wird es bevorzugt, Strahlung bei zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen auf den Etalon einzustrahlen, wobei die Strahlung bei beiden oder bei allen Wellenlängen jeweils zirkulär polarisierte Strahlung ist. Dadurch wiederholt sich der Gesamt-Polarisationszustand der zirkulär polarisierten Strahlung in Ausbreitungsrichtung der Strahlung nicht oder zumindest nicht in so kurzen Abständen entlang des Ausbreitungsweges. Der entsprechende Bereich wird als
Eindeutigkeitsbereich bezeichnet. In diesem Bereich von Relativpositionen der beiden relativ zueinander beweglichen Teile kann eine eindeutige Zuordnung zwischen der Relativposition und dem Gesamt-Polarisationszustand der auf den Etalon auftreffenden Strahlung hergestellt werden. Es kann daher eindeutig bestimmt werden, in welcher Relativposition sich die beiden Teile zueinander befinden. Insbesondere hat an den einander entgegengesetzten Enden des Eindeutigkeitsbereichs die Überlagerung der Strahlungsanteile mit den verschiedenen Wellenlängen dieselbe Phasenlage. Innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs ist die Phasenlage jedoch eindeutig. Für die Praxis wird zum Beispiel ein Eindeutigkeitsbereich mit einer Länge von mindestens drei Wellenlängen verwendet. Die erforderliche Länge hängt insbesondere von dem Auflösungsvermögen des Etalons (insbesondere der Breite der Peaks bei den Transmissionsmaxima) und von dem geforderten Messbereich der Messung der Relativposition ab. Z.B. werden zwei oder mehrere Laser als Strahlungsquelle verwendet, wobei die Laser Strahlung
unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen. Alternativ wird zumindest ein Laser mit mehreren Moden verwendet, d.h. der Laser erzeugt Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen. Alternativ oder zusätzlich kann die Wellenlänge der Strahlung bei der Erzeugung und/oder nach der Erzeugung der Strahlung zeitlich verändert werden, insbesondere moduliert werden. Insbesondere kommen zur Modulation ein elektro- optischer und/oder ein akustischer-optischer Modulator infrage. Zum Beispiel kann so die Wellenlänge bzw. Frequenz der Strahlung schnell und reproduzierbar (z. B. periodisch mit einer zeitlich konstanten Modulationsfrequenz im Bereich von mehreren MHz, z.B. 10 MHz, bis einigen GHz, z. B. 10 GHz) verändert werden, insbesondere von einer
Wellenlänge zu zumindest einer anderen Wellenlänge verschoben werden, wobei bei diesen Wellenlängen dann die Intensität gemessen wird. Diese Modulation kann auch zur Steigerung des Signal-/Rauschverhältnisses angewendet werden, insbesondere unter Anwendung so genannter Lock-In-Technologie. Bei den genannten Modulationsfrequenzen ist die Modulation so schnell, dass die zu messende
Relativbewegung der Bauteile auch während der Relativbewegung ohne erhebliche Messfehler gemessen werden kann. Für die Messung der relativen Bewegung reichen typischerweise Abtastraten von einigen kHz aus. Wenn sich zum Beispiel Bauteile eines Koordinatenmessgerätes mit einer Geschwindigkeit von 300 mm/s bewegen und die modulierte Wellenlänge der Messstrahlung bei 600 nm liegt, reicht sogar eine
Modulationsfrequenz von 2 kHz oder größer aus. Die Modulation der Wellenlänge wird gegenüber der Verwendung mehrerer zeitlich konstanter Wellenlängen bevorzugt, da die Modulation mit geringerem Aufwand realisierbar ist und eine besonders robuste und einfache Art der Messung darstellt.
Wenn die Strahlung mehrere Wellenlängen enthält, insbesondere wenn die Frequenz bzw. Wellenlänge moduliert wird, kann ein ortsauflösendes Detektorfeld verwendet werden und kann die Messstrahlung geneigt (zum Beispiel um wenige Grad geneigt) gegen die Oberflächennormale des Etalons auf den Etalon einfallen. Durch den geneigten Einfall entstehen auf dem Detektorfeld für jede Wellenlänge Interferenzmuster, d.h.
Intensitätsmaxima, die voneinander beabstandet sind. Da mehrere Wellenlängen in der Strahlung vorhanden sind, entstehen auf dem Detektorfeld Überlagerungen der
Interferenzmuster, wobei die örtlichen Relativpositionen von Intensitätsmaxima, die verschiedenen Wellenlängen zugeordnet sind, in einer Richtung quer zur
Normalenrichtung der Oberfläche des Detektorfeldes abhängig von dem zu messenden Abstand der Bauteile sind und sich daher bei Veränderung des Abstandes der Bauteile ebenfalls verändern. Dies ermöglicht grundsätzlich ebenfalls eine eindeutige Messung des Abstandes innerhalb eines entsprechenden Eindeutigkeitsbereiches. Dieser Effekt hängt auch nicht von der Polarisation der Messstrahlung ab, sondern ist ein reiner Interferenzeffekt. Entsprechende Messsysteme werden zum Beispiel von Luphos GmbH, Weberstraße 21 , D-55130 Mainz, erhältlich.
Bei Modulation der Frequenz der Messstrahlung wird die örtliche Relativposition von benachbarten Intensitätsmaxima des Interferenzmusters entsprechend der Veränderung der Frequenz verändert. Zum Beispiel ist die Entfernung zwischen benachbarten
Intensitätsmaxima auf der Oberfläche des Detektorfeldes bei einer ersten Wellenlänge kleiner als bei einer zweiten Wellenlänge, wobei die Messstrahlung durch die Modulation zeitlich nacheinander zum Beispiel zunächst die erste Wellenlänge und dann die zweite Wellenlänge aufweist. Es kann daher bei Verwendung eines ortsauflösenden Detektorfeldes und optional bei Modulation der Wellenlänge der Messstrahlung die Entfernung zwischen benachbarten Intensitätsmaxima auf der Oberfläche des Detektorfeldes in Abhängigkeit der Wellenlänge ermittelt werden und aus dieser Information sowie aus der Information über die wellenlängenabhängige Intensität und/oder die vom Polarisationszustand abhängige Intensität der zu messende Abstand der Bauteile bestimmt werden. Insbesondere wenn diese Verfahrensweise zusätzlich zu der bereits beschriebenen Etalon-Abstandsmessung mit verschiedenen optischer Dicken ausgeführt wird, kann dadurch der
Eindeutigkeitsbereich vergrößert werden. Innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs ist der zu messende Abstand der Bauteile eindeutig durch die Gesamtheit der so erhaltenen Informationen bestimmt. Die Verfahrensweise mit dem ortsauflösenden Detektorfeld kann aber auch angewendet werden, wenn keine zirkulär polarisierte Strahlung als
Messstrahlung eingesetzt wird. Zum Beispiel kann unpolarisierte Strahlung eingesetzt werden oder linear polarisierte Strahlung.
Es wird bevorzugt, die genannten Interferenzmuster (dies gilt auch für andere Fälle als den bereits beschriebenen Fall) in der von dem zumindest einen Etalon reflektierten Strahlung zu beobachten, da der Interferenzeffekt in der Reflexion schärferer beobachtet werden kann als in der Transmission. Auch die in der weiteren Beschreibung erwähnten ortsauflösenden Detektorfelder werden daher zur Detektion auf der Reflexionsseite des Etalons eingesetzt.
Unabhängig von der Anzahl von Wellenlängen, d.h. auch bei lediglich einer Wellenlänge der auf den Etalon auftreffenden Strahlung, wird zirkulär polarisierte Strahlung wie an sich bekannt z.B. durch ein λ/4-Element erzeugt, d.h. durch ein Element, das Strahlung einer der beiden senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen um eine
Viertelwellenlänge gegenüber der Strahlung mit der senkrecht dazu stehenden
Polarisationsrichtung verzögert. Z.B. ist bei mehreren Lasern, die Strahlung
unterschiedlicher Wellenlänge erzeugen, jedem der Laser ein λ/4-Element zugeordnet, d.h. es ist eine der Anzahl der Laser entsprechenden Anzahl von λ/4-Element
vorgesehen, die sich jeweils im Strahlengang von dem zugeordneten Laser bis zu dem Etalon befinden.
Da auch elliptisch polarisierte Strahlung bekannt ist, soll darauf hingewiesen werden, dass diese Strahlung als Mischform von zirkulär polarisierter Strahlung und linear polarisierter Strahlung betrachtet werden kann. Elliptisch polarisierte Strahlung enthält somit zirkulär polarisierte Strahlung und kann daher in entsprechender Weise wie zirkulär polarisierte Strahlung auf einen doppelbrechenden Etalon eingestrahlt werden und zur Messung der Relativposition zweier relativ zueinander beweglicher Teile genutzt werden. Da elliptisch polarisierte Strahlung zirkulär polarisierte Strahlung enthält, wird bei der Verwendung des Begriffs„zirkulär polarisierte Strahlung" nicht jedes Mal darauf hingewiesen, dass sie ein Teil elliptisch polarisierter Strahlung sein kann.
Insbesondere um Rück-Reflexionen von Strahlung in die Strahlungsquelle zu vermeiden (insbesondere im Fall eines Lasers als Strahlungsquelle), wird vorzugsweise ein optischer Isolator (z.B. ein Faraday Rotator) in dem Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und dem Etalon angeordnet, und zwar vorzugsweise vor einem etwaig in dem Strahlengang angeordneten Strahlteiler, der den Strahl bzw. die Strahlung teilt, z. B. um einen nicht auf den Etalon einfallenden Teil der Strahlung erzeugen.
Wird nun die in dem schmalen dritten Wellenlängenbereich eingestrahlte und durch den Etalon hindurchtretende elektromagnetische Strahlung hinsichtlich des transmittierten, durch den Etalon hindurchtretenden Anteils oder hinsichtlich ihrer Strahlungsintensität nach dem Hindurchtreten durch den Etalon gemessen, hängt die entsprechende
Messgröße von der relativen Lage des ersten und des dritten Wellenlängenbereichs ab. Die Lage, und insbesondere auch die Breite, des ersten Wellenlängenbereichs ändert/ändern sich mit der optischen Dicke des Etalons, d.h. insbesondere mit dem Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Reflektoren des Etalons multipliziert mit dem Brechungsindex des Materials zwischen den Reflektoren (im Fall von Luft ist der Brechungsindex nahezu 1 ; bei einem Festkörper-Etalon mit einem
Glassubstrat ist der Brechungsindex des Glases maßgebend).
Der optische Weg der Strahlung innerhalb des Etalons hängt wiederum vom
Einfallswinkel der auf den Etalon einfallenden elektromagnetischen Strahlung ab. Auf diese Weise lässt sich daher die relative Ausrichtung des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils messen. Aufgrund der Verschiebung der Lage des ersten Wellenlängenbereichs mit der Änderung der relativen Ausrichtung der Bauteile liegt der dritte
Wellenlängenbereich (d.h. der Wellenlängenbereich der einfallenden elektromagnetischen Strahlung) bei unterschiedlichen Werten des Transmissionsgrades des Etalons. Daher kann wie bereits erwähnt der durch den Etalon hindurchtretende Anteil der Strahlung oder deren Strahlungsintensität gemessen werden und somit ein Maß für die relative
Ausrichtung des ersten und zweiten Bauteils erhalten werden.
Insbesondere kann die Messanordnung kalibriert werden, um die Messgröße als Funktion der relativen Ausrichtung des ersten und zweiten Bauteils zu bestimmen.
Ein Etalon benötigt selbst sehr wenig Bauraum. Auch die weiteren für die Messung benötigten optischen Komponenten, wie zum Beispiel Laser, Fotodiode und optional Reflektoren, benötigen im Vergleich zu konventionellen Messeinrichtungen für die Messung von relativ zueinander beweglichen Teilen von Koordinatenmessgeräten wenig Bauraum. Es können daher im Vergleich zu den konventionellen Messeinrichtungen miniaturisierte Elementen für die Messung eingesetzt werden.
Insbesondere wird vorgeschlagen: Ein Verfahren zum Messen einer Relativposition von relativ zueinander beweglichen Bauteilen einer Vorrichtung, insbesondere eines
Koordinatenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine, wobei ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil der Vorrichtung derart relativ zueinander beweglich sind, dass sich mit der Bewegung eine relative Ausrichtung und/oder einer relativen Lage des ersten und zweiten Bauteils ändert, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
• Bestrahlen eines Etalons, d.h. eines Interferometers mit Reflektoren zum
Reflektieren elektromagnetischer Strahlung, dessen Reflektoren einen optischen Resonator bilden, mit einer elektromagnetischen Strahlung, wobei
• ein Einfallswinkel, mit dem die elektromagnetische Strahlung auf den Etalon einfällt, (insbesondere eindeutig) von der relativen Ausrichtung des ersten und zweiten Bauteils abhängt und daher die elektromagnetische Strahlung bei einer bestimmten relativen Ausrichtung der Bauteile (d.h. wenn die Bauteile diese relative Ausrichtung haben) mit einem zugeordneten Einfallswinkel auf den Etalon einfällt, und/oder
• eine Strahlungsintensität, mit der die elektromagnetische Strahlung auf den Etalon einfällt, oder Strahlungsintensitäten, mit denen unterschiedlich polarisierte Teile der elektromagnetischen Strahlung auf den Etalon oder auf eine Mehrzahl der Etalons einfallen, von der relativen Lage des ersten und zweiten Bauteils abhängen und daher die unterschiedlich polarisierten Teile der elektromagnetischen Strahlung bei einer bestimmten relativen Lage der Bauteile mit zugeordneten Strahlungsintensitäten auf den Etalon oder die Etalons einfallen,
• Messen zumindest einer Strahlungsintensität von aus dem zumindest einen Etalon austretender Strahlung und/oder Messen eines Anteils der auf den Etalon einfallenden oder der erzeugten elektromagnetischen Strahlung, der aus dem Etalon austritt, und Ausgeben eines entsprechenden Messergebnisses,
• Ermitteln der relativen Ausrichtung und/oder der relativen Lage aus dem
Messergebnis,
wobei ein Etalon verwendet wird, dessen Transmissionsgrad als Funktion der
Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entsprechend den Bedingungen für die optische Resonanz der Reflektoren Maxima bei verschiedenen Wellenlängen-Werten aufweist, und wobei der Transmissionsgrad des verwendeten Etalon in einem ersten Wellenlängenbereich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima, der sich über das arithmetische Mittel der Wellenlängen bei den aufeinanderfolgenden Maxima hinweg erstreckt, entweder stetig ansteigt oder stetig abfällt.
Die Formulierung "es wird ein Etalon verwendet, dessen Transmissionsgrad..." Schließt auch die Verwendung mehrerer solcher Etalons ein. Darauf wird im Folgenden nicht immer explizit hingewiesen.
Insbesondere ist oder enthält die elektromagnetische Strahlung, die die unterschiedlich polarisierten Teile aufweist, zirkulär polarisierte elektromagnetische Strahlung.
Ferner wird vorgeschlagen: Eine Anordnung zum Messen einer Relativposition von relativ zueinander beweglichen Bauteilen einer Vorrichtung, insbesondere eines
Koordinatenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine, wobei die Anordnung ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil aufweist, die derart relativ zueinander beweglich sind, dass sich mit der Bewegung eine relative Ausrichtung und/oder relative Lage des ersten und zweiten Bauteils ändert, und wobei die Anordnung aufweist:
• eine Strahlungsquelle zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung,
• einen Etalon, d.h. ein Interferometer mit Reflektoren zum Reflektieren
elektromagnetischer Strahlung, dessen Reflektoren einen optischen Resonator bilden, wobei die Strahlungsquelle und der Etalon derart angeordnet (und optional mit dem ersten und zweiten Bauteil verbunden) sind, dass - ein Einfallswinkel elektromagnetischer Strahlung, die von der Strahlungsquelle erzeugt wird und die mit dem Einfallswinkel auf den Etalon einfällt,
(insbesondere eindeutig) von der relativen Ausrichtung des ersten und zweiten Bauteils abhängt und daher die elektromagnetische Strahlung bei einer bestimmten relativen Ausrichtung der Bauteile mit einem zugeordneten Einfallswinkel auf den Etalon einfällt, und/oder
- eine Strahlungsintensität, mit der die elektromagnetische Strahlung auf den Etalon einfällt, oder Strahlungsintensitäten, mit denen unterschiedlich polarisierte Teile der elektromagnetischen Strahlung auf den Etalon oder auf eine Mehrzahl der Etalons einfallen, von der relativen Lage des ersten und zweiten Bauteils abhängen und daher die unterschiedlich polarisierten Teile der elektromagnetischen Strahlung bei einer bestimmten relativen Lage der Bauteile mit zugeordneten Strahlungsintensitäten auf den Etalon oder die Etalons einfallen,
• eine erste Messeinrichtung zur Messung zumindest einer Strahlungsintensität von aus dem Etalon oder aus den Etalons austretender Strahlung und/oder Messen eines Anteils der auf den Etalon oder auf die Etalons einfallenden oder der erzeugten elektromagnetischen Strahlung, der aus dem Etalon oder aus den Etalons austritt,
• eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der relativen Ausrichtung und/oder der relativen Lage des ersten und zweiten Bauteils aus einem Messergebnis der Messeinrichtung,
wobei der Etalon einen Transmissionsgrad hat, der als Funktion der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entsprechend den Bedingungen für die optische
Resonanz der Reflektoren Maxima bei verschiedenen Wellenlängen-Werten aufweist, wobei der Transmissionsgrad des verwendeten Etalon in einem ersten
Wellenlängenbereich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima, der sich über das arithmetische Mittel der Wellenlängen bei den aufeinanderfolgenden Maxima hinweg erstreckt, entweder stetig ansteigt oder stetig abfällt.
Insbesondere kann die Anordnung einen Zirkularpolarisator aufweisen, der zumindest einen Anteil der erzeugten elektromagnetischen Strahlung zirkulär polarisiert oder der Teil der Strahlungsquelle ist, so dass von der Strahlungsquelle zirkulär polarisierte
elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Insbesondere kann der Etalon fest mit einem der Bauteile verbunden sein und kann die Richtung der auf den Etalon einfallenden elektromagnetischen Strahlung eindeutig durch die Ausrichtung des anderen Bauteils festgelegt sein (z.B. ist die Strahlungsquelle oder eine Umlenkeinrichtung zur Umlenkung der elektromagnetischen Strahlung mit dem anderen Bauteil fest verbunden oder gekoppelt), sodass bei einer Änderung der relativen Ausrichtung der beiden Bauteile der Einfallswinkel der auf den Etalon einfallenden Strahlung geändert wird.
Auch im Fall der Messung der relativen Lage (Abstandsmessung) kann der Etalon fest mit einem der Bauteile verbunden sein. Das andere, relativ zu dem ersten Bauteil linear bewegliche Bauteil kann mit der Strahlungsquelle verbunden sein.
In beiden Fällen, der Messung der Ausrichtung und der Messung der Lage, wird aber bevorzugt, dass zumindest eines der Bauteile mit einer Umlenkeinrichtung verbunden ist, die die auf die Umlenkeinrichtung einfallende elektromagnetische Strahlung umlenkt.
Z.B. im Fall der Abstandsmessung kann die auf die an dem Bauteil befestigte
Umlenkeinrichtung in Richtung des zu messenden Abstandes auf die Umlenkeinrichtung einfallen und von dieser in Gegenrichtung zurückreflektiert werden, sodass die
elektromagnetische Strahlung den Abstand zweimal durchläuft oder (wenn mehrere Umlenkeinrichtungen an den entgegengesetzten Enden der Abstandsstrecke angeordnet sind) den Abstand mehrmals durchläuft. Optional kann bei jeder Umlenkung ein kleiner seitlicher Versatz der Strahlung erzielt werden, sodass die Strahlung nach der Umlenkung nicht exakt denselben Weg durchläuft und messtechnisch besser von der einfallenden Strahlung getrennt werden kann. Die Rückreflexion hat den Vorteil, dass eine bessere Auflösung bei der Messung des Abstandes erzielt werden kann. Entsprechendes gilt bei der Messung der Ausrichtung. Ein spiegelnd reflektierender Reflektor oder ein
Retroreflektor führen zu einer Verdopplung des Winkels, sodass die Ausrichtung besser aufgelöst messbar ist.
Vorzugsweise wird die auf den Etalon einfallende elektromagnetische Strahlung vor dem Auftreffen auf den Etalon aufgeweitet, sodass die durch die Aufweitung entstandenen verschiedenen Ausbreitungswege der elektromagnetischen Strahlung unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Etalon parallel zueinander verlaufen. Dadurch wird die Messung stabil gegen Störeinflüsse, die auf der Divergenz der Strahlung beruhen. Die Divergenz ist ungefähr umgekehrt proportional zum Durchmesser des Strahlbündels und damit dem Aufweitungsverhältnis. Au ßerdem wird die Messung auf diese Weise unanfälliger gegen Verschmutzung optischer Bauteile der Messeanordnung. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Strahlung gut kollimiert, d.h. nahezu exakt parallel auf den Etalon einfällt.
Aufgrund der parallel zueinander verlaufenden Ausbreitungswege sind die
Ausbreitungswege auch innerhalb des Etalons gleich lang (jedenfalls wenn es sich um einen Etalon mit Reflektoren handelt, die sich bei konstantem Abstand voneinander quer zu ihrer Verbindungslinie erstrecken). Daher tritt die auf den Etalon einfallende elektromagnetische Strahlung insbesondere über die verschiedenen parallelen
Ausbreitungswege innerhalb des Etalons (entsprechend demselben Transmissionsgrad) mit demselben Anteil durch den Etalon hindurch, d.h. es findet keine Verschlechterung der Auflösung bei der Messung der relativen Ausrichtung statt. In der oben verwendeten Terminologie bedeutet dies, dass der erste Wellenlängenbereich für die verschiedenen Ausbreitungswege der Strahlung innerhalb des Etalons gleich positioniert ist, d.h. nicht zu anderen Wellenlängen verschoben ist.
Eine entsprechende Ausgestaltung der Anordnung weist eine Strahlungs- Aufweitungsvorrichtung auf, die im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Etalon angeordnet ist und ausgestaltet ist, auf den Etalon einfallende elektromagnetische Strahlung vor dem Auftreffen auf den Etalon aufzuweiten, sodass die durch die
Aufweitung entstandenen verschiedenen Ausbreitungswege der elektromagnetischen Strahlung unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Etalon parallel zueinander verlaufen.
Zur Aufweitung können an sich aus dem Bereich der Optik bekannte Anordnungen verwendet werden, z.B. die Kombination einer Zerstreuungslinse und einer Sammellinse oder eine Kombination von Sammellinsen mit einer im Strahlengang dazwischen liegenden Lochblende.
Alternativ oder zusätzlich wird ein Kollimator in den Strahlengang zwischen der
Strahlungsquelle und dem Etalon eingebracht, um z.B. Streuung aufgrund von
Reflexionen wieder auszugleichen und/oder reflektierte Strahlung mit großen
Ablenkungswinkeln auszublenden. Ein Kollimator kann insbesondere auch dann eingesetzt werden, wenn kein Laser als Strahlungsquelle verwendet wird oder ein Laser, der Strahlung mit geringer Kohärenzlänge erzeugt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Streulichtfalle eingesetzt werden, die reflektierte Strahlung mit großen Ablenkungswinkeln absorbiert. Insbesondere können derartige Streulichtfallen bei einer Ausgestaltung der Anordnung verwendet werden, in der optische Komponenten wie Linsen, optischer Isolator und/oder Blenden geneigt zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung ausgerichtet sind.
Ferner wird es bevorzugt, nicht nur die Intensität der durch den Etalon hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung zu messen, sondern auch die Intensität eines Teils der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung, die nicht auf den Etalon einfällt. Insbesondere durch Bildung des Verhältnisses der Strahlungsintensität der durch den Etalon hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung zu der
Strahlungsintensität der nicht auf den Etalon einfallenden Strahlung kann der Einfluss von Intensitätsschwankungen der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung eliminiert werden. Insbesondere wird die auf den Etalon einfallende elektromagnetische Strahlung daher von einer Strahlungsquelle erzeugt, wobei die Strahlungsintensität eines Teils der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung, der nicht auf den Etalon auftrifft, als Referenzintensität gemessen wird. Eine entsprechende Ausgestaltung der Anordnung weist eine Referenzintensitäts-Messeinrichtung auf, die ausgestaltet ist, die Strahlungsintensität eines Teils der von der Strahlungsquelle erzeugten
elektromagnetischen Strahlung, der nicht auf den Etalon auftrifft, als Referenzintensität zu messen. Mit der Referenzmessung kann auch ein Driften der Intensität als Funktion des Ortes im Strahlengang bestimmt und kompensiert werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der Messung der durch den Etalon hindurchtretenden Strahlung kann ein von dem Etalon reflektierter Teil der auf ihn einfallenden
elektromagnetischen Strahlung bezüglich der Strahlungsintensität gemessen werden. Die Intensität der auf den Etalon einfallenden Strahlung ist gleich der Summe der Intensitäten der von dem Etalon reflektierten einfallenden Strahlung, der durch den Etalon
hindurchtretenden Strahlung und der von dem Etalon absorbierten Strahlung. Die
Messung der Strahlungsintensität der reflektierten Strahlung ist daher der Messung der Strahlungsintensität der durch den Etalon hindurchtretenden Strahlung äquivalent. Die Messung der reflektierten Strahlung ist daher eine Alternative für alle Ausführungsformen in dieser Beschreibung, in denen lediglich die durch den Etalon hindurchtretende gemessen wird. Da die reflektierte Strahlung auch Strahlung enthält, die in den Etalon eingetreten ist und zum Beispiel an dem rückseitigen Reflektor des Etalons reflektiert wird, wird unter dem Oberbegriff „aus dem Etalon austretende Strahlung" auch die reflektierte Strahlung verstanden. In allen Fällen kann auch sowohl die reflektierte Strahlung als auch die hindurchtretende Strahlung gemessen werden. Da angenommen werden kann, dass der Absorptionsgrad für die Absorption von
Strahlung innerhalb des Etalons auch bei äußeren Verschmutzungen oder Alterung des Systems konstant bleibt, kann durch Messung der von dem Etalon reflektierten Intensität der einfallenden Strahlung und durch Messung der Intensität der durch den Etalon hindurchtretenden Strahlung die Intensität der einfallenden Strahlung bestimmt werden und können auf diese Weise Schwankungen der Intensität der einfallenden Strahlung festgestellt und optional korrigiert werden. Wenn zusätzlich noch die Intensität eines Teils der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung gemessen wird, die nicht auf den Etalon einfällt, kann ein unmittelbarer Vergleich mit der berechneten Intensität der auf den Etalon einfallenden Strahlung stattfinden und daraus ermittelt werden, ob auf dem Weg der auf den Etalon einfallenden Strahlung und beim Eintreten dieser Strahlung in den Etalon Veränderungen stattfinden, z.B. durch verschmutzte Oberflächen des Etalons. Insbesondere fällt das Licht kollimiert nahezu senkrecht auf den Etalon ein.
Daher können insbesondere auch Effekte korrigiert und/oder erfasst werden, die nicht aufgrund von Alterung oder Verschmutzung zu einer erhöhten und/oder veränderten Reflexion der auf den Etalon auftreffenden Strahlung führen, sondern aufgrund einer Veränderung der Neigung des Etalons im Strahlengang der auftreffenden Strahlung. Soweit eine Neigungsänderung aufgrund der Änderung der relativen Ausrichtung der beiden Teile auftritt ist dies die eigentliche Messgröße. Neigungsänderungen können jedoch auch zum Beispiel aufgrund einer De-Justierung der Anordnung auftreten.
Insbesondere bei Koordinatenmessgeräten mit entlang einer geradlinigen Linearachse beweglichen Teilen treten unerwünschte Abweichungen von der idealen Linearbewegung auf. Insbesondere kann das linearbewegliche Teil um die Linearachse sowie um die senkrecht zu der Linearachse stehenden Koordinatenachsen rotieren, wobei die
Drehwinkel meist sehr klein sind und im Bereich von höchstens wenigen Grad liegen. Die Rotationsbewegungen, d.h. Drehbewegungen um die zwei senkrecht zu der Linearachse verlaufenden Koordinatenachsen, können z.B. mit einer Ausgestaltung des Verfahrens bestimmt werden bzw. mit einer entsprechenden Messanordnung, das/die wie zuvor beschrieben und noch im Weiteren beschrieben wird, ein Etalon nutzt und optional z. B. eine relative Ausrichtung der beiden relativ zueinander beweglichen Teile um die jeweilige Koordinatenachse und/oder einen Abstand der Teile misst. Alternativ oder zusätzlich können diese auch als Verkippungen zu bezeichnenden Rotationen um die beiden senkrecht zur Linearachse verlaufenden Koordinatenachsen durch ein Feld von strahlungsempfindlichen Detektoren gemessen werden, z.B. in der Art eines CCD-Chips, wie er in der Kameratechnik eingesetzt wird. Abhängig davon, auf welches oder welche strahlungsempfindlichen Detektorelemente des Feldes die Strahlung auftrifft, lässt sich der Kippwinkel bestimmen. D.h. der Ort, an dem die Strahlung auf das Detektorfeld auftrifft, entspricht (insbesondere eindeutig) dem Kippwinkel. Ziel der Messung kann auch lediglich die Änderung des Kippwinkels sein.
Optional kann eine Umlenkeinrichtung (zum Beispiel ein Reflektor) vorgesehen sein, die zum Beispiel wie erwähnt zu einer Verlängerung des Ausbreitungsweges der Strahlung führt. Die Verkippung kann dann anhand des Neigungswinkels der Umlenkeinrichtung bestimmt werden, zum Beispiel mit dem Feld von strahlungsempfindlichen Detektoren oder einer anderen Winkelmesseinrichtung, wenn die Umlenkeinrichtung entsprechend der Verkippung der beiden Bauteile geneigt ist. Insbesondere kann so die Verkippung bezüglich der zwei zueinander senkrecht stehenden Koordinatenachsen gemessen werden, die quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung und z. B. senkrecht zu genannten der Linearachse verlaufen.
Das Verfahren zur Messung der Relativposition der Bauteile unter Verwendung des Etalons lässt sich auch mit der Messung des Kippwinkels (oder dessen Änderung) aufgrund von Bewegungsfehlern mittels des Feldes von strahlungsempfindlichen
Detektorelementen kombinieren. Insbesondere können sich der Drehwinkel der relativen Ausrichtung und der Kippwinkel konstruktiv oder destruktiv überlagern, sodass noch lediglich ein überlagerter Gesamtwinkel messbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch möglich, dass der Drehwinkel der relativen Ausrichtung und der Kippwinkel auf unterschiedliche Drehachsen bezogen sind und sich daher gar nicht oder nur teilweise überlagern. In jedem Fall hängt die Richtung, aus der die Strahlung auf den Etalon einfällt (und damit der Einfallswinkel gegen die Oberflächennormale des Etalons), sowohl von dem Drehwinkel der relativen Ausrichtung als auch von dem Kippwinkel ab. Insbesondere kann dann die örtliche Intensitätsverteilung der aus dem Etalon austretenden Strahlung, die auf das Feld von Detektorelementen auftrifft, gemessen werden. Dies ermöglicht es nicht nur, aus dem Ort des Detektorelements oder der Detektorelemente, auf das/die die Strahlung auftrifft, sondern auch durch Auswertung der Größe des Messsignals des jeweiligen Detektorelements und damit aus der Intensität der auftreffenden Strahlung den Einfallswinkel zu bestimmen.
Bei einer Rotation der beiden Bauteile relativ zueinander um die genannte Linearachse, ändert sich im Unterschied zu der Situation bei Verkippungen nicht die Ausbreitungsrichtung der Messstrahlung, da die Ausbreitungsrichtung mit der Linearachse zusammenfällt. Vielmehr wird aufgrund der Rotation der Bauteile die Messstrahlung um ihre Ausbreitungsrichtung (d.h. um den geradlinigen Strahlungsweg der Messstrahlung entlang der Linearachse) gedreht. Zur Messung dieser Drehung, d.h. insbesondere des Drehwinkels, wird vorgeschlagen, den erfindungsgemäßen Etalon zu verwenden. Dabei kann es sich bei dieser Drehbeweglichkeit um den einzigen Freiheitsgrad der Bewegung der beiden Bauteile handeln, der gemessen werden soll, oder es kann bei der Messung zumindest ein weiterer Freiheitsgrad der Bewegung der beiden Bauteile gemessen werden, zum Beispiel der Freiheitsgrad der Linearbewegung in der Ausbreitungsrichtung, das heißt eine Abstandsmessung. Die Messung der Drehung um die Linearachse oder die Ausbreitungsrichtung der Strahlung wird im Folgenden auch als Rollmessung oder als Rollwinkelmessung bezeichnet.
Insbesondere durchläuft die elektromagnetische Strahlung als unpolarisierte oder polarisierte Messstrahlung eine Messstrecke entlang einer geradlinigen Linearachse, trifft die elektromagnetische Strahlung unpolarisiert oder in einem ersten Polarisationszustand an einem Ende der Messstrecke oder eines Abschnitts der Messstrecke auf eine
Polarisationseinrichtung, wird die elektromagnetische Strahlung von der
Polarisationseinrichtung abhängig von einem Drehwinkel der zwei relativ um die
Linearachse drehbeweglichen Bauteile beeinflusst, sodass die Messstrahlung oder ein Teil der Messstrahlung einen zweiten Polarisationszustand erhält, der dem Drehwinkel entspricht und wird der Drehwinkel und/oder eine Veränderung des Drehwinkels unter Berücksichtigung des veränderten Polarisationszustandes bestimmt.
Um den Rollwinkel messen zu können, liegt am Ende der Messstrecke (und
dementsprechend am Ort des Etalons) Messstrahlung vor, die einen dem Rollwinkel entsprechenden Polarisationszustand hat. Dabei ist der Polarisationszustand optional, zum Beispiel wenn zirkulär polarisierte Messstrahlung gleichzeitig auch zur
Abstandsmessung verwendet wird, nicht ausschließlich vom Rollwinkel abhängig. In einem anderen Fall kann der Polarisationszustand aber ausschließlich vom Rollwinkel abhängen.
Es kann unpolarisierte Messstrahlung verwendet werden, die sich entlang der
Linearachse und damit entlang der Messstrecke ausbreitet. Insbesondere am Ende der Messstrecke oder optional im Verlauf der Messstrecke befindet sich eine
Polarisationseinrichtung, die die bisher unpolarisierte Messstrahlung entsprechend dem Rollwinkel polarisiert, so dass der Polarisationszustand die Information über den
Rollwinkel enthält. Die Polarisationseinrichtung ist mit einem der beiden relativ zueinander beweglichen Bauteile gekoppelt oder verbunden. Mit dem anderen Bauteil ist die
Strahlungsquelle und/oder eine Strahlungsaufbereitungseinrichtung verbunden, von der die unpolarisierte Messstrahlung ausgeht. Zum Beispiel kann die Polarisationseinrichtung lediglich Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung passieren lassen.
Insbesondere wird die bisher unpolarisierte Messstrahlung dadurch linear polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung dem Drehwinkel der Polarisationseinrichtung um die Linearachse und damit dem Rollwinkel entspricht. In diesem Fall ist die
Polarisationseinrichtung ein Polarisationsfilter.
Das Prinzip der Rollwinkelmessung mit einer Polarisationseinrichtung, die mit einem der beiden relativ zueinander beweglichen Bauteile gekoppelt oder verbunden ist, funktioniert jedoch auch, wenn bereits polarisierte Messstrahlung auf die Polarisationseinrichtung einfällt. Alternativ kann daher in der zuvor erwähnten Anordnung polarisierte
Messstrahlung verwendet werden. Dabei kann es sich um linear polarisierte und/oder zirkulär polarisierte Messstrahlung handeln, die von der Polarisationseinrichtung entsprechend dem Rollwinkel beeinflusst wird, sodass sich der Polarisationszustand entsprechend dem Rollwinkel ändert. Bezüglich der Art der Beeinflussung kommen mehrere Alternativen in Betracht: Z. B. kann entsprechend dem Rollwinkel die
Polarisationsrichtung gedreht werden und/oder die Phase zirkulär polarisierter Strahlung gedreht werden. Alternativ oder zusätzlich kann mit einer dem Rollwinkel entsprechenden Filterrichtung lediglich Strahlung einer bestimmten Polarisationsrichtung durchgelassen werden. In diesem Fall ist die Polarisationseinrichtung ein Polarisationsfilter.
Insbesondere wenn zusätzlich zu dem Rollwinkel auch der Abstand der Bauteile in Richtung der Linearachse unter Verwendung von zirkulär polarisierter Strahlung gemessen werden soll, wird es im Fall eines Polarisationsfilters bevorzugt, dass im Strahlengang der Messstrahlung vor und/oder an dem Polarisationsfilter eine Strahlteilung durchgeführt wird und nicht alle der durch die Strahlteilung erzeugten Teile der
Messstrahlung (zum Beispiel lediglich ein Teil) von dem Polarisationsfilter gefiltert werden.
Insbesondere kann die von der Polarisationseinrichtung veränderte Strahlung auf einen Etalon mit den o.g. Eigenschaften einfallen, mit dem abhängig von dem
Polarisationszustand der auf ihn auftreffenden Strahlung Einfluss auf die Strahlung genommen wird, sodass eine entsprechende Messeinrichtung, der die aus dem Etalon austretende Strahlung zugeführt wird, ein entsprechendes Messsignal erzeugt. In jedem Fall kann der Polarisationszustand der von der Polarisationseinrichtung beeinflussten Messstrahlung (oder des Teils der Messstrahlung) gemessen werden, zum Beispiel unter Verwendung eines doppelbrechenden Etalons. In allen zuvor genannten Fällen entspricht der Polarisationszustand dem Rollwinkel. Durch Messung und Auswertung des
Polarisationszustandes wird daher der Rollwinkel bestimmt.
Die Polarisationseinrichtung kann zum Beispiel eine Umlenkeinrichtung zum Umlenken der Messstrahlung auf zumindest einen Strahlengang anderer Richtung sein oder aufweisen (z.B. ein Spiegel oder ein Retroreflektor). Insbesondere tritt die Messstrahlung durch die Umlenkeinrichtung hindurch und/oder wird von ihr reflektiert. Insbesondere können auch eine Umlenkeinrichtung (die zum Beispiel den Strahlteiler darstellt) und eine zusätzliche Polarisationseinrichtung verwendet werden. Z.B. kann ein Reflektor die Strahlung auf unterschiedliche Ausbreitungswege umlenken (z. B. einerseits reflektieren und andererseits transmittieren oder auf zwei parallel zueinander verlaufende
Strahlungswege reflektieren. Der Reflektor kann insbesondere auch so ausgestaltet sein, dass die Polarisation des zumindest einen reflektierten Anteils gleichzeitig mit der Reflexion bewirkt wird. In jedem Fall beeinflusst zumindest ein Polarisator einen Anteil der insgesamt umgelenkten Strahlung abhängig vom Rollwinkel. Zumindest kann dieser von dem Polarisator beeinflusste Anteil dann z.B. wie bereits beschrieben zur Erzeugung zumindest eines Messsignals führen, aus dem der Rollwinkel bestimmt werden kann. Der nicht von dem Polarisator der Umlenkanordnung beeinflusste reflektierte Strahlungsanteil hat den Vorteil, dass er für eine Referenzmessung zur Verfügung steht, auf deren Basis der Rollwinkel präziser bestimmt werden kann, und/oder für die erwähnte
Abstandsmessung zur Verfügung steht. Auch auf diese Weise lässt sich die reflektierte Gesamtstrahlung derart auswerten, dass der Rollwinkel und der Abstand separat bestimmbar sind. Z.B. gemäß dem brewsterschen Gesetz kann die Umlenkeinrichtung bei entsprechend großem Einfallswinkel der Strahlung eine reflektierte, polarisierte Strahlung und eine nicht reflektierte und nicht polarisierte gebeugte Strahlung erzeugen, wobei die zunächst nicht reflektierte Strahlung optional in ihrem weiteren Verlauf auch noch reflektiert werden kann. Unter Bezug auf den oben verwendeten Begriff der gesamten umgelenkten Strahlung fallen darunter insbesondere die gebeugte und die reflektierte Strahlung. Es ist daher nicht erforderlich, dass sämtliche Strahlungsanteile, die von der Umlenkeinrichtung aus der auftreffenden Strahlung erzeugt werden, reflektiert werden.
Für die Polarisation abhängig vom Rollwinkel kann auch der Faraday-Effekt genutzt werden, wonach linear polarisierte Strahlung in einem Medium des Polarisators hinsichtlich der Orientierung der Polarisationsebene gedreht wird, wenn der magnetische Fluss eines Magnetfeldes zumindest eine Komponente parallel zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung besitzt.
Bei der Umlenkeinrichtung, die für die Rollmessung verwendet wird, kann es sich insbesondere um eine Umlenkeinrichtung handeln, die auch für andere Zwecke eingesetzt wird, z.B. wie bereits beschrieben ein Reflektor zur Wegverlängerung der Messstrahlung und/oder zur Vergrößerung eines Querversatzes des Ortes, an dem die Messstrahlung auf den Etalon auftrifft, jeweils zur Auflösungsverbesserung.
Insbesondere kann bei Verwendung von zirkulär polarisierter Messstrahlung gleichzeitig unter Verwendung derselben Messstrahlung sowohl eine Messung des Rollwinkels als auch eine Abstandsmessung stattfinden. Dabei kann die auf den Etalon auftreffende Messstrahlung, die sowohl die Information über den Rollwinkel als auch die Information über den Abstand der beiden Bauteile enthält, wie zuvor beschrieben und wie noch im Folgenden näher beschrieben wird, zur Erzeugung von zumindest einem Messsignal verwendet werden und sowohl der Rollwinkel als auch der Abstand bestimmt werden. Um die beiden Einflussgrößen Rollwinkel und Abstand aus dem Messsignal oder den
Messsignalen getrennt bestimmen zu können, kann in unterschiedlicher Weise
vorgegangen werden. Z.B. kann Messstrahlung mit zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen verwendet werden. Während ein Rollieren (d.h. die Drehbewegung um die Ausbreitungsrichtung oder Linearachse) bei beiden oder allen Wellenlängen zu derselben Beeinflussung des Polarisationszustandes oder zumindest zu der Aufprägung derselben Information durch die Polarisationseinrichtung entsprechend dem Rollwinkel führt, ist die durch eine Veränderung des Abstandes der Bauteile bewirkte Drehung des
Polarisationszustandes abhängig von der Wellenlänge der zirkulär polarisierten Strahlung.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Polarisationseinrichtung verwendet werden, die auftreffende (insbesondere linear oder elliptisch) polarisierte Strahlung abhängig vom Rollwinkel in ihrem Polarisationszustand zu verändern. Die Polarisationseinrichtung verstärkt oder schwächt insbesondere den Strahlungsanteil der Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung im Verhältnis zu dem Anteil mit der dazu senkrecht stehenden Polarisationsrichtung. Z. B. wird somit linear polarisierte Strahlung abhängig vom Rollwinkel stärker oder weniger stark (oder bei bestimmter Ausrichtung auch gar nicht) geschwächt oder der Polarisationszustand von auf die Umlenkeinrichtung auftreffender elliptisch polarisierter Strahlung verändert. Im Ergebnis enthält insbesondere die Intensität der zirkulär polarisierten Strahlung oder der Polarisationszustand der elliptisch polarisierten Strahlung die Information über den Rollwinkel.
Insbesondere um Schwankungen der Wellenlänge bzw. Frequenz der auf den Etalon einfallenden elektromagnetischen Strahlung feststellen und optional kompensieren zu können, bildet ein erster Teil der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung diejenige elektromagnetische Strahlung, die mit einem von der relativen Ausrichtung des ersten und zweiten Bauteils abhängigen Einfallswinkel auf den Etalon einfällt. Ein zweiter Teil der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung fällt auf einen zweiten Etalon unter einem Einfallswinkel ein, der nicht von der relativen Ausrichtung des ersten und zweiten Bauteils abhängt. Es wird eine
Strahlungsintensität der durch den zweiten Etalon hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung gemessen. Somit steht ein Vergleichswert zur Verfügung, der nicht von der relativen Ausrichtung des ersten und zweiten Bauteils abhängt, jedoch von der
Wellenlänge der auf den ersten Etalon und den zweiten Etalon auftreffenden Strahlung abhängt. Eine entsprechende Ausgestaltung der Anordnung weist daher eine
Strahlungsintensitäts-Messeinrichtung auf, die ausgestaltet ist, die Strahlungsintensität der durch den zweiten Etalon hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung zu messen. Der zweite Etalon ist vorzugsweise ein Etalon mit den gleichen optischen Eigenschaften wie der erste Etalon. Allgemeiner formuliert hat der zweite Etalon vorzugsweise ebenfalls einen zwischen zwei benachbarten Maxima des
Transmissionsgrades liegenden ersten Wellenbereich mit den oben beschriebenen Eigenschaften, d.h. der Transmissionsgrad nimmt in dem ersten Wellenlängenbereich stetig zu oder stetig ab und der Verlauf des Transmissionsgrades zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Maxima ist asymmetrisch.
Um einen Messbereich von messbaren relativen Ausrichtungen des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils einzustellen, gibt es verschiedene mögliche Maßnahmen, die einzeln oder in Kombination miteinander ausgeführt werden können. Au ßer einer Einstellung der Temperatur des Etalons, die nicht die bevorzugte Maßnahme ist, kann die Ausrichtung des Etalons relativ zu dem ersten Bauteil und/oder dem zweiten Bauteil eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Wellenlänge bzw. Frequenz der auf den Etalon einfallenden elektromagnetischen Strahlung eingestellt oder gewählt werden. Insbesondere kann ein Laser gewählt werden, der Strahlung der gewünschten
Wellenlänge erzeugt. Selbstverständlich ist es alternativ oder zusätzlich möglich, einen anderen Etalon mit einer anderen optischen Resonanz zu verwenden, um den
Messbereich für die relative Ausrichtung einzustellen.
Insbesondere wird daher vorgeschlagen, einen kontinuierlichen Bereich für die Ermittlung von möglichen Werten der relativen Ausrichtung des ersten und des zweiten Bauteils durch Einstellung der Wellenlänge oder Frequenz der auf den Etalon einfallenden elektromagnetischen Strahlung und/oder durch Einstellen der Ausrichtung des Etalon relativ zu dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil einzustellen.
Insbesondere kann bei einem ersten Wellenlängenbereich des Etalons, in dem der Transmissionsgrad linear ansteigt oder linear abfällt, eine Einstellung in der Weise erfolgen, dass die Wellenlänge der auf den Etalon einfallenden elektromagnetischen Strahlung (insbesondere Laserstrahlung) in der Mitte des ersten Wellenlängenbereichs liegt, wenn die relative Ausrichtung des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils in der Mittelposition ist, die in der Mitte zwischen den maximalen relativen Ausrichtungen in entgegengesetzte Bewegungsrichtungen liegt.
Wie oben erwähnt kann die Anordnung zum Messen der Relativposition der Bauteile eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der relativen Ausrichtung des ersten und zweiten Bauteils aus einem Messergebnis der Messeinrichtung oder Messeinrichtungen aufweisen. In der folgenden Figurenbeschreibung werden jedoch Ausführungsbeispiele beschrieben, in denen die Ermittlungseinrichtung nicht dargestellt ist. Die dargestellten Anordnungen weisen lediglich die Messeinrichtung oder Messeinrichtungen zur Messung der Strahlungsintensität auf. Z.B. im Fall eines Bauteils eines Koordinatenmessgeräts kann die Ermittlungseinrichtung durch die Steuerungseinrichtung des
Koordinatenmessgeräts realisiert werden oder durch eine andere
Auswertungseinrichtung, die auch bei konventionellen Koordinatenmessgeräten die Messwerte auswertet, welche Informationen über die Koordinaten eines vermessenen Werkstücks enthalten. Insbesondere können die Messsignale einer als Fotodiode oder Feld von Fotodioden ausgestalteten Intensitätsmesseinrichtung optional in der Umgebung der Messeinrichtung für eine Übertragung aufbereitet werden oder unmittelbar, ohne vorherige Aufbereitung, über zumindest eine geeignete, z. B. elektrische oder optische Leitung zu der Auswertungseinrichtung übertragen werden. Schematisch könnte die Ermittlungseinrichtung daher z.B. in den im Folgenden beschriebenen Fig. 8 bis 22 durch ein Rechteck dargestellt werden, das über zumindest eine elektrische Leitung mit der Messeinrichtung verbunden ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 den Transmissionsgrad eines konventionellen Etalons als Funktion der
Wellenlänge der durch den Etalon hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung,
Fig. 2 den Transmissionsgrad eines erfindungsgemäßen Etalons als Funktion der
Wellenlänge,
Fig. 3 einen Verlauf des Transmissionsgrades als Funktion der Wellenlänge für einen erfindungsgemäßen Etalon, wobei die Wellenlänge von einfallender Laserstrahlung markiert ist,
Fig. 4 ein Diagramm wie in Fig. 3, wobei jedoch der Verlauf des
Transmissionsgrades als Funktion der Wellenlänge gegenüber dem Verlauf in Fig. 3 verschoben ist, da die durch den Etalon hindurchtretende Strahlung einen Weg mit anderer optischer Länge durch den Etalon nimmt,
Fig. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Etalon,
Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Etalon,
Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäßen Etalon,
Fig. 8 eine Anordnung mit einer Strahlungsquelle, einem Etalon und einer
Intensitäts-Messeinrichtung für die Messung der Intensität der durch Etalon hindurchgetretenen elektromagnetischen Strahlung,
Fig. 9 die Anordnung aus Fig. 8, wobei jedoch der Etalon im Strahlengang von der Strahlungsquelle zu der Messeinrichtung geneigt ist,
Fig. 10 eine Anordnung ähnlich der in Fig. 8 und Fig. 9, wobei jedoch zusätzlich ein Strahlteiler vorgesehen ist, der einen Teil der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung aus dem Strahlengang Richtung Etalon auskoppelt und zu einer zweiten Intensitäts-Messeinrichtung leitet,
Fig. 1 1 eine Anordnung ähnlich der in Fig. 10, wobei jedoch ein zusätzlicher
Strahlteiler vorgesehen ist, um einen Teil der nicht auf den ersten Etalon einfallenden Strahlung auf einen zweiten Etalon zu leiten und zumindest die durch diesen zweiten Etalon hindurchtretende elektromagnetische Strahlung bezüglich ihrer Intensität zu messen,
Fig. 12 eine Anordnung mit einer Strahlungsquelle und mehreren Etalons, die abhängig von der relativen Ausrichtung jeweils eines Paars von Bauteilen geneigt im Strahlengang angeordnet sind, Fig. 13 eine Anordnung ähnlich der in Fig. 8 bis 10, wobei im Verlauf der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Strahlungsquelle und dem Etalon eine Strahlaufweitung stattfindet,
Fig. 14 eine Anordnung ähnlich der in Fig. 13, wobei jedoch die Strahlaufweitung mit anderen optischen Komponenten erzielt wird,
Fig. 15 eine Einrichtung eines Koordinatenmessgeräts, insbesondere ein Tastkopf, wobei Bauteile der Einrichtung relativ zueinander beweglich sind und die Relativposition durch eine erfindungsgemäße Anordnung messbar ist,
Fig. 16 die Einrichtung gemäß Fig. 15, wobei jedoch die relativ zueinander
beweglichen Bauteile der Einrichtung in einer anderen Relativposition zueinander angeordnet sind,
Fig. 17 einen Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät, wobei der Tastkopf drei lineare Freiheitsgrade der Bewegung hat, die paarweise senkrecht zueinander angeordnet sind, und wobei die Bewegungsposition aller drei Freiheitsgrade mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung gemessen wird,
Fig. 18 schematisch eine Draufsicht auf eine Membranfeder mit zwei senkrecht zueinander verlaufenden Freiheitsgraden der Bewegung und einer entsprechenden erfindungsgemäßen Messanordnung,
Fig. 19 schematisch eine Seitenansicht auf die in Fig. 18 dargestellte Anordnung in einer ersten Bewegungsstellung,
Fig. 20 eine Seitenansicht wie in Fig. 19, jedoch in einer anderen
Bewegungsstellung,
Fig. 21 schematisch eine Seitenansicht einer Einrichtung mit zwei relativ
zueinander beweglichen Bauteilen, wobei Laserstrahlung mittels eines Reflektors umgelenkt wird und auf einen Etalon einfällt,
Fig. 22 eine dreidimensionale, aufgeschnittene Darstellung eines Tastkopfes für ein Koordinatenmessgerät, wobei oben in der Figur schematisch eine Anordnung mit zwei Etalons dargestellt ist, die in den Tastkopf integrierbar ist,
Fig. 23 schematisch eine Anordnung mit einfallender Strahlung, die von einer
Umlenkeinrichtung, deren Neigungswinkel zu messen ist, auf ein Feld von strahlungsempfindlichen Detektorelementen umgelenkt wird,
Fig. 24 eine Anordnung mit einem doppelbrechenden Etalon und mehreren
Intensitäts-Messeinrichtungen zur Messung der reflektierten und der durchgehenden Strahlung, die wieder aus dem Etalon ausgetreten ist, Fig. 25 schematisch einen Reflektor, der auftreffende Strahlung aufteilt und auf zwei verschiedene Strahlengänge umlenkt,
Fig. 26 schematisch eine Umlenkeinrichtung wie in Fig. 25, die jedoch zusätzlich einen separater Polarisator zur Beeinflussung des Polarisationszustandes eines der beiden umgelenkten Strahlungsanteile aufweist, Fig. 27 schematisch eine Messanordnung zur Messung des Abstandes zwischen zwei entlang einer Linearachse zueinander beweglichen Bauteilen, Fig. 28 eine Teildarstellung ähnlich der in Fig. 27 dargestellten Messanordnung, jedoch mit einer zusätzlichen Baugruppe zur Messung von in
Reflexionsrichtung aus einem Etalon austretender Strahlung, Fig. 29 ein Koordinatenmessgerät (KMG) in Portalbauweise mit drei
Messanordnungen jeweils zur Messung eines Abstandes entlang einer von drei Linearachsen,
Fig. 30 das KMG gemäß Fig. 29, wobei jedoch zwei der Messanordnungen ein gemeinsames Messmodul aufweisen,
Fig. 31 ein KMG ähnlich wie in Fig. 29 und Fig. 30, wobei jedoch alle drei
Messanordnungen ein gemeinsames Messmodul aufweisen, Fig. 32 eine Variante des KMG aus Fig. 31 ,
Fig. 33 schematisch eine Messeanordnung zur Messung des Abstandes zweier relativ zueinander beweglicher Bauteile, wobei zirkulär polarisierte
Strahlung als Messstrahlung verwendet wird und wobei lediglich der Strahlungsanteil mit einer Polarisationsrichtung auf eine Etalon-Anordnung eingestrahlt wird, und
Fig. 34 eine Anordnung ähnlich der in Fig. 33, wobei jedoch die Strahlungsanteile mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung zunächst voneinander getrennt werden und dann separat auf jeweils einen oder eine Etalon-Anordnung eingestrahlt werden.
Ein konventioneller Etalon, z.B. ein Fabry-Perot-Interferometer, weist den in Fig. 1 dargestellten Verlauf des Transmissionsgrades T als Funktion der Wellenlänge λ auf. Es ist zu erkennen, dass mehrere Maxima m1 , m2, m3 bei konstanten
Wellenlängenabständen vorhanden sind, wobei der Verlauf des Transmissionsgrades T bezüglich der Mitte jedes Paars von aufeinanderfolgenden Maxima m1 , m2; m2, m3 symmetrisch ist. Ausgehend von z.B. dem Maximum m1 fällt der Transmissionsgrad T daher mit zunehmender Wellenlänge λ auf ein lokales Minimum ab, um nahe an dem benachbarten Maximum m2 wieder in der gleichen Weise zuzunehmen, wobei der Verlauf symmetrisch und annähernd U-förmig ist.
Dagegen stellt Fig. 2 den Verlauf des Transmissionsgrades T für einen
erfindungsgemäßen Etalon dar, jedoch beschränkt auf den Bereich um zwei benachbarte Maxima m4, m5. Ausgehend von dem Maximum m4 fällt der Transmissionsgrad T mit zunehmender Wellenlänge λ zwar ebenfalls steil ab, aber nicht so steil, wie er nach Erreichen eines Minimums t4 wieder zunimmt, um das benachbarte Maximum m5 zu erreichen. In seinem Verlauf von dem Maximum m4 zu dem Minimum t4 durchläuft der Transmissionsgrad T auch einen Wellenlängenbereich Δλ1 , in dem er linear abnimmt. Insbesondere dieser so genannte erste Wellenlängenbereich, der den arithmetischen Mittelwert der Wellenlängen der lokalen Maxima m4, m5 enthält, ist besonders gut für eine Messung der relativen Ausrichtung von zwei relativ zueinander beweglichen
Bauteilen geeignet. Der erste Wellenlängenbereich Δλ1 kann jedoch auch größer als in Fig. 2 dargestellt gewählt werden, sodass der stetig abnehmende Verlauf des
Transmissionsgrades T nicht überall linear ist. Z.B. kann der erste Wellenlängenbereich so gewählt werden, dass er an seiner rechten Grenze, d.h. mit seinem maximalen Wellenlängenwert, an dem lokalen Minimum t4 endet.
Der in Fig. 3 dargestellte Verlauf des Transmissionsgrades T als Funktion der
Wellenlänge λ des auf den erfindungsgemäßen Etalon einfallenden Lichts (oder allgemeiner: der elektromagnetischen Strahlung) unterscheidet sich von dem Verlauf in Fig. 2 dadurch, dass der Transmissionsgrad T mit zunehmenden Wellenlängen im
Bereich zwischen den lokalen Maxima m6, m7 ansteigt. Die folgende Beschreibung gilt jedoch analog auch für einen Fall, in dem der Transmissionsgrad T mit zunehmenden Wellenlängen im Bereich zwischen den lokalen Maxima m6, m7 abfällt.
Der erste Wellenlängenbereich ist wieder mit dem Bezugszeichen Δλ1 bezeichnet.
Außerdem ist ein noch größerer Wellenlängenbereich FSR dargestellt, der gleich dem Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden lokalen Minima t6, t7 ist und auch gleich dem Abstand der aufeinanderfolgenden lokalen Maxima m6, m7 ist und somit gleich dem so genannten freien Spektralbereich des Etalons ist. Der freie Spektralbereich hängt von der optischen Dicke des Etalons ab, d.h. von dem Produkt aus Brechungsindex des Bereichs zwischen entgegengesetzten Reflektoren des Etalons und der geometrischen Dicke, d.h. des Abstandes der Reflektoren des Etalons. Wenn sich die Reflektoren des Etalons nicht paarweise einander gegenüberstehen und daher die Strahlung nicht allein zwischen den einander gegenüberstehenden Reflektoren hin- und herreflektiert wird, sondern z.B. mehr als zwei Reflektoren zur mehrfachen Reflexion der Strahlung vorhanden sind, entspricht die geometrische Dicke dem Weg, den die elektromagnetische Strahlung für einen Zyklus der Reflexion durchläuft, bevor sie in einem weiteren Zyklus erneut von denselben Reflektoren reflektiert wird. Entsprechend dem freien
Spektralbereich wirkt der Etalon als optischer Resonator, d.h. es findet derart eine konstruktive und destruktive Interferenz der mehrfach reflektierten Strahlung statt, dass sich der dargestellte Verlauf des Transmissionsgrades als Funktion der Wellenlänge ergibt.
In Fig. 3 ist auch die Wellenlängenposition XI als vertikale Linie dargestellt, an der bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung monochromatisches oder nahezu
monochromatisches Licht aus einem Laser auf den Etalon eingestrahlt wird. Die Linie schneidet den Verlauf des Transmissionsgrades an einer Stelle T1 . Dementsprechend wirkt ein Transmissionsgrad T1 auf die Strahlung, die bei dieser Wellenlänge XI
eingestrahlt wird.
Wird die optische Dicke des Etalons verändert, insbesondere dadurch, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil, deren relative Ausrichtung gemessen werden soll, eine andere Relativstellung zueinander einnimmt und dadurch die relative Ausrichtung verändert wird, ergibt sich z.B. die in Fig. 4 dargestellte Situation. Aufgrund der
Veränderung der optischen Dicke des Etalons hat sich der Verlauf des
Transmissionsgrades T als Funktion der Wellenlänge λ ζυ kleineren Wellenlängen hin verschoben. Die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung hat jedoch dieselbe
Wellenlänge XI wie in Fig. 3. Sie schneidet aufgrund der Verschiebung des
Transmissionsgrades T dessen Verlauf bei einem anderen Wert T2 des
Transmissionsgrades, der in dem Ausführungsbeispiel größer ist als der Wert T1 .
Aufgrund der Verschiebung des Verlaufs des Transmissionsgrades T hat sich anders ausgedrückt auch der erste Wellenlängenbereich Δλ1 verschoben. Da der
Transmissionsgrad T in diesem ersten Wellenlängenbereich linear ansteigt, kann die Verschiebung des Verlaufs des Transmissionsgrades als linear abhängig von der gemessenen Intensität des durch den Etalon hindurchtretenden Lichts betrachtet werden. Dies gilt auch für die optische Dicke und somit zumindest bei kleinen Änderungen der relativen Ausrichtung der beiden Bauteile annähernd auch für den Drehwinkel. Bei der Messung der relativen Lage zweier Bauteile, wie oben beschrieben mittels zirkulär polarisierter Strahlung und unter Verwendung eines Etalon mit doppelbrechendem Material, haben die Strahlungsanteile der zirkulär polarisierten Strahlung mit
verschiedener Polarisationsrichtung unterschiedliche optische Dicken auf ihrem
Ausbreitungsweg durch den Etalon. Die Fig. 3 und 4 stellen ein Beispiel für zwei unterschiedliche optische Dicken dar. Der erste Strahlungsanteil mit der ersten
Polarisationsrichtung könnte daher geschwächt entsprechend dem in Fig. 3 dargestellten Transmissionsgrad T1 durch den Etalon hindurch treten, während der zweite
Strahlungsanteil mit der zweiten Polarisationsrichtung geschwächt entsprechend dem in Fig. 4 dargestellten Transmissionsgrad T2 durch den Etalon hindurch treten könnte. Es entsteht daher ein Verhältnis der Intensitäten der unterschiedlich polarisierten
Strahlungsanteile in der durch den Etalon hindurchtretenden Strahlung, und analog (die Summe der Intensitäten der wieder austretenden reflektierten und wieder austretenden transmittierten Strahlung zuzüglich der in den Etalon absorbierten Strahlung ist für jede Polarisationsrichtung gleich der in den Etalon eingetretenen Strahlung) ebenfalls in der aus dem Etalon wieder austretenden, reflektierten Strahlung.
Insbesondere kann eine Mehrzahl der Etalons (z. B. jeweils als Teil der noch anhand von Fig. 24 zu beschreibenden Baugruppe) vorgesehen sein, wobei auf jedes der Etalons ein Anteil (die Anteile werden zum Beispiel durch eine Strahlteilung nach der Messstrecke erzeugt) derselben Messstrahlung mit derselben in der Messstrahlung enthaltenen Messinformation eingestrahlt wird. Die Etalons haben unterschiedliche Abstände zwischen den Reflektoren an ihren entgegengesetzten Enden und damit auch
unterschiedliche optische Dicken. Auf diese Weise kann die Eindeutigkeit des
Messergebnisses der Gesamt-Messanordnung erhöht werden. Bei der Erzeugung der genannten Anteile der Messstrahlung ist darauf zu achten, dass sich die
Polarisationszustände der Anteile nicht unterscheiden oder in bekannter Weise verändert werden, so dass die Erzeugung der Anteile das Messergebnis nicht verfälscht.
Der in Fig. 5 dargestellte Etalon 1 weist ein transparentes Substrat G auf, das transparent für die durch den Etalon 1 hindurchtretende elektromagnetische Strahlung ist. Z.B.
handelt es sich bei dem Material des Substrats G um Glas. Insbesondere kann es sich alternativ um ein doppelbrechendes Material wie Lithiumniobat handeln. An den gegenüberliegenden Enden des Substrats G befindet sich als Reflektor jeweils ein Schichtsystem mit einer Mehrzahl von Schichten aus einem anderen Material als das Material des Substrats G. An dem links in Fig. 5 dargestellten Ende sind drei Schichten H, L, M parallel zueinander und nebeneinander angeordnet, wobei die mittlere Schicht L mit ihren einander gegenüberliegenden Grenzflächen an die jeweils benachbarte Schicht H, M angrenzt. Die Grenzflächen der drei Schichten verlaufen parallel zueinander. Bei der Schicht H handelt es sich um eine nicht elektrisch leitfähige Schicht mit hohem
Brechungsindex, z.B. aus Titandioxid. Bei der Schicht L handelt es sich z.B. um eine nicht elektrisch leitfähige Schicht mit niedrigem Brechungsindex, z.B. aus Siliziumdioxid.
Entsprechendes gilt für den zweischichtigen Aufbau am entgegengesetzten Ende. Dort ist ebenfalls die äu ßere, von dem Substrat G abgewandte Schicht eine Schicht H aus demselben Material wie die Schicht H an dem entgegengesetzten Ende. Die Schicht H hat eine gemeinsame Grenzfläche mit der Schicht L, deren Schichtoberflächen sich parallel zu den Schichtoberflächen der Schicht H erstrecken. Ferner sind die
Schichtoberflächen der Schichtsysteme an den entgegengesetzten Enden parallel zueinander, sodass Strahlung, die sich etwa senkrecht zu den Schichtoberflächen innerhalb des Substrats G ausbreitet, mehrfach zwischen den entgegensetzten Enden hin- und herreflektiert wird. Der Grund dafür liegt darin, dass die Schichtkombinationen H, L als Reflektoren für die Strahlung ausgestaltet sind, soweit die Wellenlänge der
Strahlung und die Schichtdicken der Schichtkombinationen H, L entsprechend
aufeinander abgestimmt sind.
Erfindungsgemäß ist eine zusätzliche elektrisch leitfähige Schicht M Bestandteil des Schichtsystems am links in Fig. 5 dargestellten Ende des Substrats G. Bei der Schicht handelt es sich z.B. um eine Metallschicht, wobei die Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht M so gewählt ist, dass sich ein deutlich asymmetrischer Verlauf des
Transmissionsgrades des Etalons 1 zwischen benachbarten Maxima ergibt, z.B. der in Fig. 2, Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellte Verlauf.
Die auf den Etalon einfallende elektromagnetische Strahlung wird z.B. in der Darstellung der Fig. 5 von links kommend senkrecht auf das linke Schichtsystem H, L, M eingestrahlt und wird mehrfach zwischen den Reflektoren reflektiert. Ein Teil der in den Etalon eingetretenen Strahlung tritt durch die Reflektoren wieder aus, da das Schichtsystem nicht vollständig reflektiert, sondern ein geringer Anteil der elektromagnetischen Strahlung transmittiert wird. Da der Etalon ein Resonator ist, ist in dem Resonator entsprechend seiner Güte (d.h. insbesondere eine geringe Absorption in dem Substrat G) die Strahlungsflussdichte hoch und tritt Strahlung mit einer gut messbaren Strahlungsflussdichte aus dem Etalon aus, zum Beispiel durch den Reflektor rechts in Fig. 5.
Eine Abwandlung des in Fig. 5 dargestellten Etalons ist in Fig. 6 dargestellt. Dieser Etalon 1 a weist als Bestandteile der Schichtsysteme an den entgegengesetzten Enden jeweils eine Schicht M1 , M2 mit elektrisch leitfähigem Material auf. Z.B. bestehen die Schichten M1 , M2 aus demselben Material, z.B. einem Metall oder einer Metall-Legierung. Jedoch sind in diesem Fall die Schichtdicken der Schichten M1 , M2 unterschiedlich groß, um das gewünschte asymmetrische Verhalten des Transmissionsgrades zu erzielen.
Weitere Varianten sind möglich. Z.B. weist der in Fig. 7 dargestellte Etalon 1 b an seinem links in der Figur dargestellten Schichtsystem denselben Aufbau wie in Fig. 5 auf. Jedoch ist der Aufbau des Schichtsystems an dem rechten, entgegengesetzten Ende ein anderer als in Fig. 5 und Fig. 6. Dieses Schichtsystem weist fünf parallel zueinander verlaufende und jeweils paarweise aneinander angrenzende Schichten aus nicht elektrisch leitfähigem Material auf, z.B. in der Schichtfolge HLHLH, wobei wie in Fig. 5 und Fig. 6 die
Bezeichnungen H bzw. L auf eine Schicht mit hohem Brechungsindex bzw. mit niedrigem Brechungsindex hinweisen.
Weitere Variationen sind möglich. Z.B. kann das rechts in Fig. 7 dargestellte
Schichtsystem ebenfalls zumindest eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material aufweisen.
Fig. 8 zeigt schematisch die einfachste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Strahlungsquelle 3 (z.B. einem Laser), einem Etalon 1 und einer Intensitäts-Messeinrichtung 5, die derart angeordnet ist, dass sie von der
Strahlungsquelle 3 erzeugte Strahlung, die auf den Etalon 1 einfällt und entsprechend dem Transmissionsgrad durch diesen hindurchtritt, misst. Der Etalon 1 befindet sich in einer ersten Drehposition. In Fig. 9 ist die Anordnung in einem Zustand dargestellt, in dem sich der Etalon 1 in einer anderen Drehposition befindet, wobei die Drehposition eindeutig von der relativen Ausrichtung der relativ zueinander beweglichen Bauteile abhängt, die in Fig. 8 und Fig. 9 nicht dargestellt sind. Da sich die optische Dicke mit der Drehposition des Etalons 1 , d.h. mit dem Neigungswinkel der auf den Etalon 1 einfallenden Strahlung ändert, ändert sich in der anhand von Fig. 3 und Fig. 4 beschriebenen Weise auch die Intensität der auf die Messeinrichtung 5 einfallenden Strahlung. Bei der Messeinrichtung 5 und auch in anderen Fällen handelt es sich z.B. um eine Fotodiode oder eine Anordnung mit mehreren Fotodioden, die für die durch den Etalon hindurchtretende oder aus ihm austretende, reflektierte Strahlung empfindlich ist/sind.
Bei der in Fig. 10 beschriebenen Variante der Anordnung aus Fig. 8 und Fig. 9 ist in dem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle 3 und dem Etalon 1 ein Strahlteiler 7, z.B. ein semitransparenter Spiegel, vorgesehen, der aus dem Strahlengang einen Teil der Strahlung auskoppelt, welcher zu einer zweiten Intensitäts-Messeinrichtung 9 geleitet wird, z.B. ebenfalls zu einer Fotodiode. Die Messstrecke beginnt in diesem Fall an dem Strahlteiler 7 und endet an dem Etalon 1 . Die Messstrecke kann jedoch auch kürzer sein, z. B. wenn im Strahlengang nach dem Strahlteiler 7 noch eine Umlenkeinrichtung folgt, die die Strahlung in die Messstrecke einkoppelt. Entsprechendes gilt für die Auskopplung der Strahlung aus der Messstrecke über eine Umlenkeinrichtung am Ende der
Messstrecke.
Durch Bildung z.B. des Quotienten der Intensitätsmesswerte der Messeinrichtungen 5, 9 kann ein Maß für den Anteil der durch den Etalon 1 hindurchtretenden Strahlung gewonnen werden. Insbesondere ist dieses Maß unabhängig von zeitlichen
Schwankungen der Intensität der von der Strahlungsquelle 3 erzeugten
elektromagnetischen Strahlung und kann daher zur Feststellung solcher Schwankungen und optional zur Korrektur genutzt werden. Alternativ kann die Messstrecke zwischen der Strahlungsquelle 3 und dem Strahlteiler 7 liegen. Dadurch steht für Veränderungen der Intensität der durch den Etalon 1 hindurchtretenden Strahlung eine Referenz zur
Verfügung.
Eine Baugruppe mit dem Strahlteiler 7 und der Intensitäts-Messeinrichtung 9, die zum Beispiel in Fig. 10 dargestellt sind, kann auch bei anderen Messanordnungen verwendet werden, die insbesondere ebenfalls zumindest eine Strahlungsquelle, zumindest einen Etalon und zumindest eine weitere Intensitäts-Messeinrichtung zur Messung der Intensität der aus dem Etalon austretenden Strahlung aufweisen. Gegenüber der noch anhand von Fig. 23 zu beschreibenden Baugruppe, die alternativ zur Intensitätsmessung verwendet werden kann, hat die Baugruppe mit dem Strahlteiler 7 und der Intensitäts- Messeinrichtung 9 den Vorteil, dass der Strahlengang ab dem Ende der Messstrecke immer der gleiche ist. Daher sind insbesondere schnelle Messungen mit hoher
Genauigkeit möglich. Fig. 1 1 stellt eine Variante der Anordnung aus Fig. 10 dar. Der aus dem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle 3 und dem Etalon ausgekoppelte Teil der Strahlung wird auf einen zweiten Strahlteiler 1 1 gelenkt, bei dem es sich wiederum um einen
semitransparenten Spiegel handeln kann. Ein erster Teil der auf den zweiten Strahlteiler 1 1 auftreffenden Strahlung wird zu einem zweiten Etalon 2 gelenkt, der im Gegensatz zu dem ersten Etalon 1 seine Ausrichtung nicht abhängig von der relativen Ausrichtung des ersten und zweiten Bauteils (nicht in Fig. 1 1 dargestellt) ändert, d.h. davon unabhängig ist. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Etalon 1 zum Beispiel für die Strahlung doppelbrechend wirken und daher einer Abstandsmessung dienen. Ein zweiter Teil der auf den zweiten Strahlteiler auftreffenden Strahlung wird einer zweiten Intensitäts- Messeinrichtung 13 zugeführt, die dieselbe Funktion hat, wie die in Fig. 10 dargestellte zweite Messeinrichtung 9.
Die auf den zweiten Etalon 2 einfallende Strahlung tritt entsprechend dem Transmissionsgrad des zweiten Etalons 2 teilweise durch diesen hindurch und ihre Intensität wird von einer dritten Intensitäts-Messeinrichtung 15, z.B. wiederum einer Fotodiode, gemessen. Wie oben bereits vor der Figurenbeschreibung beschrieben, kann auf diese Weise unabhängig von Schwankungen der Wellenlänge und/oder der Intensität der von der Strahlungsquelle 3 emittierten elektromagnetischen Strahlung die Relativposition der beiden Bauteile gemessen werden. Ändert sich aufgrund der Änderung der Wellenlänge der wirksame Transmissionsgrad des ersten Etalons 1 , dann ändert sich vorzugsweise in der gleichen Weise (weil es sich z.B. um ein baugleiches zweites Etalon handelt) auch der wirksame Transmissionsgrad des zweiten Etalons 2 und dies wird daher durch die dritte Intensitäts-Messeinrichtung 15 festgestellt. Insbesondere ist das Verhältnis der von den Messeinrichtungen 13, 15 gemessenen Intensitäten konstant, wenn sich die Intensität der einfallenden Strahlung ändert. Dies ermöglicht eine Korrektur oder zumindest eine Überprüfung, ob eine Intensitätsänderung stattgefunden hat.
Im Übrigen kann die Auswertung insbesondere in der gleichen Weise stattfinden wie anhand von Fig. 10 beschrieben.
Als optionales Merkmal enthält die Anordnung in Fig. 1 1 eine vierte Intensitäts- Messeinrichtung 8, die die Intensität der von dem zweiten Etalon 2 reflektierten, auf diesen einfallenden elektromagnetischen Strahlung misst. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die von dem zweiten Etalon 2 absorbierte Strahlungsintensität zu bestimmen, die bei den momentan gegebenen Messbedingungen von dem zweiten Etalon 2 absorbiert wird. Außerdem kann ähnlich wie bereits anhand von Fig. 10 und Fig. 1 1 beschrieben eine Berücksichtigung von Schwankungen der von der Strahlungsquelle 3 erzeugten Strahlungsintensität stattfinden. Eine konstante, die auch bei entsprechender Messung des an dem ersten Etalon 1 reflektierten Strahlungsanteils gültig wäre, kann durch Bildung der Summe der Strahlungsintensitäten der Messeinrichtungen 8, 15 und durch Division der Summe durch die von der Messeinrichtung 13 gemessene Intensität erhalten werden. Wird die Strahlungsintensität der von der Strahlungsquelle 3 erzeugten Strahlung größer, dann wird der Quotient kleiner und kann auch der Messwert der ersten Messeinrichtung 5 entsprechend korrigiert werden. Ändert sich die Wellenlänge der Strahlung, ändert sich auch der von den Etalons 1 und 2 absorbierte Anteil und führt z.B. bei einer Erhöhung des absorbierten Anteils zu einer Verringerung des Quotienten. Wiederum kann dann auch der Messwert der ersten Messeinrichtung 5 entsprechend korrigiert werden.
Eine Baugruppe mit dem Etalon 2, der Intensitäts-Messeinrichtung 8 zur
Intensitätsmessung der reflektierten Strahlung und der Intensitäts-Messeinrichtung 15 zur Messung der durchgehenden Strahlung, die zum Bespiel in Fig. 1 1 dargestellt sind, kann auch bei anderen Messanordnungen verwendet werden, die insbesondere ebenfalls zumindest eine Strahlungsquelle und optional zumindest einen weiteren Etalon aufweisen. Insbesondere kann eine solche Baugruppe anstelle des Etalons 1 und der Intensitäts-Messeinrichtung 5 in Fig. 1 1 vorgesehen sein. Durch die Messung der Intensitäten der aus dem Etalon austretenden Strahlung, sowohl in Reflexionsrichtung als auch in Transmissionsrichtung kann die Messsicherheit erhöht werden insbesondere, wie oben erwähnt, auch die Intensität der von dem Etalon absorbierten Strahlung bestimmt werden.
Alternativ kann die Baugruppe lediglich eine der Intensitäts-Messeinrichtungen 8, 15 aufweisen, d.h. es wird lediglich entweder die Intensität der von dem Etalon reflektierten Strahlung oder die Intensität der durch den Etalon hindurchtretenden Strahlung gemessen. Insbesondere bei Messung der Intensität der reflektierten Strahlung wird es bevorzugt, dass die Messstrahlung unter einem kleinen Winkel von zum Beispiel maximal 1 ° bis 3° geneigt gegen die Oberflächennormale auf den Etalon einfällt. Da bei der Hin- und Herreflexion der Strahlung innerhalb des Etalon zwischen den Reflektoren in diesem Fall jeweils pro Reflexion ein Parallelversatz der Strahlung stattfindet, kann so die wieder aus dem Etalon austretende reflektierte Strahlung gegen die direkt an der Oberfläche des Etalon reflektierte Strahlung versetzt werden. Die Neigung in Neutralposition ist aber vorzugsweise so groß, dass im Fall der Messung der relativen Ausrichtung von Bauteilen auch bei dem maximal möglichen Drehwinkel der Bauteile noch einen Neigung besteht.
Fig. 12 zeigt schematisch eine Anordnung, mit der gleichzeitig die relativen Ausrichtungen von drei Paaren von relativ zueinander beweglichen Bauteilen gemessen werden können. Dabei kann es sich um sechs verschiedene Bauteile handeln oder zumindest ein Bauteil in zwei verschiedenen Paaren kann dasselbe Bauteil sein. Insbesondere ist in den drei Paaren von Bauteilen ein Bauteil das gleiche Bauteil. Ein entsprechendes
Ausführungsbeispiel wird noch näher erläutert.
Für jede der drei Messungen wird Strahlung auf jeweils ein Etalon eingestrahlt. Es wird Strahlung aus derselben Strahlungsquelle 3 dafür verwendet. In dem Ausführungsbeispiel wird die von der Strahlungsquelle 3 erzeugte Strahlung zunächst einem ersten Strahlteiler 17 zugeführt, der einen Teil der Strahlung auskoppelt und einem ersten Etalon 12 zuführt. Jedem der drei Etalons 1 , 12, 14 ist eine Intensitäts-Messeinrichtung 4, 5, 6 zugeordnet, die die durch den jeweiligen Etalon hindurchgetretene Strahlung bezüglich ihrer Intensität misst.
Der nicht ausgekoppelte Teil der Strahlung, der auf den ersten Strahlteiler 17 einfällt, wird zu einem zweiten Strahlteiler 7 gelenkt oder trifft auf diesen auf, wobei der zweite
Strahlteiler 7 einen Teil der Strahlung auskoppelt und einer Referenzintensitäts- Messeinrichtung 9 zuführt, die insbesondere die Funktion der Messeinrichtung 9 aus Fig. 10 hat. Ein anderer Teil der auf den zweiten Strahlteiler 7 auftreffenden Strahlung wird einem dritten Strahlteiler 19 zugeführt oder trifft darauf auf, der einen Teil der Strahlung auskoppelt und einem zweiten Etalon 14 zuführt. Ein weiterer Teil der auf den dritten Strahlteiler 19 auftreffenden Strahlung wird einem dritten Etalon 1 zugeführt oder trifft darauf auf.
Die Intensität-Messung der aus zumindest einem der Etalons austretenden Strahlung kann insbesondere wie zuvor beschrieben anders ausgestaltet sein. Zum Beispiel kann sowohl die Intensität der austretenden Strahlung in Reflexionsrichtung als auch die Intensität der austretenden Strahlung in Transmissionsrichtung gemessen werden.
Insbesondere kann die in Fig. 12 dargestellte Anordnung in entsprechender Weise wie in Fig. 1 1 dargestellt und oben beschrieben modifiziert werden. Auch kann variiert werden, welcher der hintereinander geschalteten Strahlteiler 17, 7, 19 die Strahlung für die Referenzmessung durch die Messeinrichtung 9 auskoppelt. Bei weiteren Varianten ist eine andere Anzahl von Etalons vorgesehen, z.B. lediglich zwei oder mehr als drei Etalons. Jeder der Etalons wird aber vorzugsweise mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, die nicht durch einen der anderen Etalons hindurchgetreten ist oder von diesem reflektiert worden ist. Insbesondere kann jeder der Etalons entweder für die Messung der relativen Ausrichtung zweier Bauteile, die Messung des Abstandes der Bauteile oder sowohl für die Messung des Abstandes als auch der relativen Ausrichtung der Bauteile verwendet werden.
Generell wird bevorzugt, wenn wenigstens einer der Etalons der Messeanordnung oder der einzige Etalon der Messeanordnung zur Abstandsmessung verwendet wird, dass die zumindest eine Strahlungsquelle (z. B. ein Laser als Quelle linear polarisierter Strahlung) mit einem λ/4-Element zur Erzeugung zirkulär polarisierter Strahlung kombiniert wird. Dabei kann optional zwischen der Strahlungsquelle und dem λ/4-Element ein optischer Isolator und/oder einer Lochblende im Strahlengang (das heißt in Ausbreitungsrichtung der Messstrahlung) angeordnet sein.
Bei der in Fig. 13 dargestellten Anordnung handelt es sich wiederum um eine
schematische Darstellung, die wie anhand von Fig. 10 bis Fig. 12 beschrieben modifiziert werden kann. Z.B. kann zumindest ein entsprechender Strahlteiler zusätzlich vorgesehen sein, vorzugsweise im Strahlengang hinter der Lochblende 21 , auf die die von der Strahlungsquelle 3 erzeugte elektromagnetische Strahlung auftrifft und teilweise durch diese hindurchtritt. Die hindurchgetretene Strahlung erreicht einen optischen Isolator 23, um Rückreflexe zu dem Laser zu vermeiden. Bei einer Variante der in Fig. 13
dargestellten Anordnung ist lediglich entweder die Lochblende 21 oder der optische Isolator 23 vorhanden. In vielen Fällen reicht dies aus. Die durch den optischen Isolator hindurchgetretene Strahlung erreicht eine Zerstreuungslinse 25 und anschließend eine Sammellinse 27, die derart ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass eine Strahlaufweitung stattfindet und die im Strahlengang hinter der Sammellinse 27 vorhandene Strahlung auf parallelen Strahlen auf den Etalon 1 auftrifft. Die durch diesen Etalon 1 hindurchtretende Strahlung wird von einer Messeinrichtung 5 bezüglich der Intensität gemessen. Wiederum ist die Intensität der hindurchtretenden Strahlung von der Drehstellung des Etalons 1 abhängig.
Fig. 14 zeigt eine Modifikation der in Fig. 13 dargestellten Anordnung. Wie auch in den vorangegangenen Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Ebenfalls findet eine Strahlaufweitung statt, jedoch nicht mit einer Zerstreuungslinse 25 und der in Fig. 13 folgenden Sammellinse 27, sondern mit einer ersten Sammellinse 24, im Strahlengang gefolgt von einer Lochblende 28 und einer zweiten Sammellinse 26. Die Elemente 24, 26, 28 sind wiederum derart aufeinander abgestimmt, dass die im Strahlengang hinter der zweiten Sammellinse 26 vorhandene Strahlung auf parallelen Strahlen auf den Etalon 1 einfällt. Bei der in Fig. 14 gezeigten Variante ist lediglich der optische Isolator 23, nicht aber die Lochblende 21 , vorhanden. Es können bezüglich der Elemente 21 , 23 dieselben Modifikationen wie anhand von Fig. 13 erläutert vorgenommen werden.
Die in Fig. 13 und 14 dargestellten Messanordnungen können alternativ oder zusätzlich zum Zweck der Messung der relativen Ausrichtung zweier Bauteile zum Zweck der Abstandsmessung der Bauteile verwendet werden. In diesem Fall ist insbesondere im Strahlengang nach dem optischen Isolator 23 ein λ/4-Element zur Erzeugung zirkulär polarisierter Strahlung vorgesehen.
Die Messstrecke, über die hinweg sich die zirkulär polarisierte Strahlung in der
Abstandsrichtung der Bauteile ausbreitet, beginnt im Strahlengang frühestens mit dem λ/4-Element. Optional kann in der jeweiligen Messanordnung zumindest eine
Umlenkeinrichtung vorhanden sein, die ein Ende der Messstrecke darstellt. Zum Beispiel ist die Umlenkeinrichtung mit einem der beiden Bauteile verbunden und lenkt die
Messstrahlung am Beginn der Messstrecke in die Messstrecke hinein oder am Ende der Messstrecke aus der Messstrecke heraus. Der Etalon liegt im Strahlengang nach der Messstrecke.
Fig. 15 und Fig. 16 zeigen schematisch eine Einrichtung mit einem ersten Bauteil 31 und einem zweiten Bauteil 32, die relativ zueinander beweglich sind. Bei der Einrichtung handelt es sich insbesondere um eine Einrichtung eines Koordinatenmessgeräts, z.B. einen Tastkopf. In diesem Fall kann das erste Bauteil 31 z.B. mit einem Arm oder einer Pinole eines Koordinatenmessgeräts fest verbunden werden oder sein und kann das zweite Bauteil 32 einen Taster oder Sensor des Koordinatenmessgeräts tragen. Der Sensor ist z.B. ein optischer Sensor zum optischen Abtasten eines Werkstücks und dadurch zum Erzeugen von Messwerten von Koordinaten des Werkstücks. Der Sensor kann aber auch ein mechanischer Sensor sein, der mittels eines mechanischen Tasters die Oberfläche eines Werkstücks taktil antastet, um Informationen über die Koordinaten des Werkstücks zu gewinnen. Bei einer Variante kann die in Fig. 15 und Fig. 16 dargestellte Einrichtung selbst die Sensorik aufweisen.
In jedem Fall ist es das Ziel, die Relativbewegung der Bauteile 31 , 32 zu messen, und zwar in der linearen Richtung, die horizontal in Fig. 15 und Fig. 16 verläuft. Die Bauteile 31 , 32 sind im dem konkreten Ausführungsbeispiel über elastisch verformbare Teile 32, 33 und formstabile Teile 34a, 34b in der Art eines Federparallelogramms miteinander verbunden. Wie Fig. 16 im Vergleich zu Fig. 15 zeigt, können die Teile 34a, 34b aufgrund der elastisch verformbaren Teile 32a, 32b sowie 33a, 33b ihre Ausrichtung relativ zu dem ersten Bauteil 31 und dem zweiten Bauteil 32 ändern. Dies geschieht insbesondere dann, wenn eine entsprechende Auslenkungskraft an dem zweiten Bauteil 32 angreift und dieses wie in Fig. 16 dargestellt nach links aus der in Fig. 15 dargestellten Neutralposition auslenkt. Die elastisch verformbaren Teile 32, 33 sind jeweils paarweise an dem ersten Bauteil 31 und an dem zweiten Bauteil 32 befestigt und bilden Verbindungen zwischen den Bauteilen 31 und 34 bzw. den Bauteilen 34 und dem zweiten Bauteil 32. In dem konkret dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Paar elastisch verformbarer Teile 32a, 32b zur Verbindung des ersten Bauteils 31 mit jeweils einem der Bauteile 34a, 34b vorgesehen und ein Paar elastisch verformbarer Bauteile 33a, 33b für die Verbindung zwischen den Bauteilen 34a bzw. 34b und dem zweiten Bauteil 32 vorgesehen.
In der vorgeschlagenen Messanordnung ist ein Etalon 1 mit einem der Bauteile 34a, 34b, nämlich hier mit dem Bauteil 34a, fest verbunden. Ferner ist eine Strahlungsquelle 3, z.B. ein Laser, fest mit dem ersten Bauteil 31 verbunden. Außerdem ist ein Strahlungsreflektor 29 vorgesehen, der von der Strahlungsquelle 3 erzeugte elektromagnetische Strahlung in Richtung des Etalons 1 reflektiert, sodass diese durch den Etalon 1 hindurchtritt und auf eine Strahlungs-Messeinrichtung 5 fällt. Dadurch wird wie bereits beschrieben die Intensität der gemäß dem Transmissionsgrad des Etalons 1 hindurchtretenden Strahlung gemessen. Es können die in den vorangegangenen Figuren beschriebenen
Modifikationen an dem messtechnischen Aufbau vorgesehen sein, z.B. die
Referenzintensitätsmessung und/oder die Strahlaufweitung.
Durch Messung des Neigungswinkels des Teils 34a relativ zu dem ersten Bauteil 31 kann auch die Relativposition der Bauteile 31 , 32 eindeutig bestimmt werden, da es sich um das beschriebene Federparallelogramm handelt. In der oben, vor der
Figurenbeschreibung verwendeten Terminologie sind das erste Bauteil 31 und das Teil 34a das erste und zweite Bauteil, welche ihre Ausrichtung relativ zueinander ändern können, d.h. relativ zueinander beweglich sind.
Fig. 17 zeigt eine Ausführungsform des bereits anhand von Fig. 12 beschriebenen Prinzips, wonach mehrere Etalons 1 , 12, 14 mit elektromagnetischer Strahlung aus derselben Strahlungsquelle 3 bestrahlt werden können und verschiedene Freiheitsgrade der Bewegung messen können. Es handelt sich z.B. um eine Einrichtung, die als Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät verwendbar ist, ähnlich wie bereits zu Fig. 15 und Fig. 16 beschrieben wurde.
Das feststehende erste Bauteil 31 , das dem Bauteil 31 aus Fig. 15 und 16 entspricht, wird z.B. an den Arm oder die Pinole eines Koordinatenmessgeräts fest angekoppelt. Relativ zu diesem ersten Bauteil 31 beweglich, über zumindest ein elastisch verformbares Element 37a, ist ein zweites Bauteil 35 vorgesehen, das sich in der in Fig. 17 vertikal verlaufenden Richtung (z-Richtung) bewegen kann. Mit ihm fest verbunden ist ein erster Etalon 12. Bewegt sich das zweite Bauteil 35 in der z-Richtung, ändert sich auch die Ausrichtung des von ihm getragenen ersten Etalons 12.
Insbesondere durch eine Öffnung in der Anordnung wird elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsquelle 3 (z.B. einem Laser) in den Innenraum der dargestellten Einrichtung eingestrahlt und trifft auf einen ersten Strahlteiler 17, der an dem ersten Bauteil 31 befestigt ist. Ein Teil der auf den Strahlteiler 17 einfallenden Strahlung wird durch diesen hindurch zu dem ersten Etalon 12 transmittiert. Ein weiterer Teil der auftreffenden Strahlung wird von dem ersten Strahlteiler 17 umgelenkt und tritt durch eine Öffnung in dem zweiten Bauteil 35 oder durch einen für die Strahlung transparenten Teil hindurch (in z-Richtung) und tritt ferner durch einen unterhalb des zweiten Bauteils 35 angeordnetes drittes Bauteil 36 hindurch. Dieses dritte Bauteil 36 ist über zumindest ein weiteres elastisch verformbares Teil 37b mit dem zweiten Bauteil 35 beweglich verbunden. Ferner ist das dritte Bauteil 36 aus Stabilitätsgründen über ein weiteres elastisch verformbares Teil 37c beweglich mit dem ersten Bauteil 31 verbunden. Das dritte Bauteil 36 ist aufgrund dieser verschiedenen elastischen Bauteile 37a, 37b, 37c relativ zu dem ersten Bauteil 31 in der z-Richtung beweglich. Bei Bewegung des unteren Bereichs 43 der gesamten Einrichtung, bei dem es sich um eine Schnittstelle zum
Koppeln weiterer Bauteile (z.B. eines taktilen Tasters zum Abtasten von Werkstücken) handeln kann, in z-Richtung bewegt sich auch das zweite Bauteil 35 in der z-Richtung. Das zweite Bauteil 36 trägt eine zweite Intensitäts-Messeinrichtung 6 für das zweite Etalon 14, auf dessen Funktion noch näher eingegangen wird.
Ein viertes Bauteil 38 ist relativ zu dem dritten Bauteil 36 in einer linearen Richtung (x- Richtung) beweglich, wobei die x-Richtung in der Darstellung der Fig. 17 horizontal verläuft. Allgemeiner formuliert verlaufen die x-Richtung und die z-Richtung sowie eine weitere noch zu erläuternde y-Richtung jeweils paarweise senkrecht zueinander. Die Beweglichkeit des dritten Bauteils 36 und des vierten Bauteils 38 sind so ausgestaltet, wie bereits anhand von Fig. 15 und Fig. 16 für die dort vorkommenden Bauteile 31 , 32 erläutert wurde. Daher sind zur Ausbildung eines Federparallelogramms ebenfalls in der Ausgestaltung der Fig. 17 Bauteile 34a, 34b vorhanden, die jeweils über Paare von elastisch verformbaren Bauteilen 32a, 32b sowie 33a, 33b die bewegliche Kopplung zwischen dem dritten Bauteil 36 und dem vierten Bauteil 38 herstellen. An dem Teil 34a ist der zweite Etalon 14 befestigt. Die von dem ersten Strahlteiler 17 umgelenkte
Strahlung tritt wie erwähnt durch das zweite Bauteil 35 und auch durch das dritte Bauteil 36 hindurch und trifft auf einen zweiten Strahlteiler 19, der ein Teil der auftreffenden Strahlung zu dem zweiten Etalon 14 umlenkt. Die Intensität der durch den zweiten Etalon 14 hindurchgetretenen Strahlung wird von der zweiten Messeinrichtung 6 gemessen.
In der gleichen Art wie die Kopplung zwischen dem dritten Bauteil 36 und dem vierten Bauteil 38 ist das vierte Bauteil 38 mit einem fünften Bauteil 42 beweglich gekoppelt. Jedoch ist das entsprechende Federparallelogramm um 90° um die z-Achse der
Anordnung gedreht, sodass die Beweglichkeit in der y-Richtung besteht, die senkrecht zu der Bildebene der Fig. 17 verläuft. Dementsprechend ist das vierte Bauteil 38 über ein erstes Paar von elastisch verformbaren Teilen 39a, 39b mit einem nicht
formveränderlichen Teil 41 b gekoppelt (ein weiteres nicht formveränderliches Teil 41 a ist in Fig. 17 nicht erkennbar, da es hinter dem Teil 41 b angeordnet ist). Ferner sind die nicht formveränderlichen Teile 41 a, 41 b über ein weiteres Paar von elastisch verformbaren Teilen 40a, 40b mit dem fünften Bauteil 41 verbunden, das den unteren Bereich 43 der Einrichtung trägt. Aus Stabilitätsgründen kann dieser untere Teil 43 der Einrichtung über nicht näher bezeichnete elastisch verformbare Teile einerseits mit dem ersten Bauteil 31 und andererseits mit dem dritten Bauteil 36 verbunden sein.
Mit dem Teil 41 b ist der dritte Etalon 1 verbunden. Über nicht dargestellte
Befestigungsmittel ist die dritte Intensitäts-Messeinrichtung 5 z.B. mit dem ersten Bauteil 31 oder dem dritten Bauteil 36 verbunden. Die von dem zweiten Strahlteiler 19 nicht umgelenkte Strahlung tritt durch diesen hindurch und tritt ebenfalls durch das vierte Bauteil 38 hindurch und wird über einen nicht explizit dargestellten Strahlteiler oder Reflektor in Richtung des dritten Etalons 1 umgelenkt. Ansonsten erfolgt die Bestimmung der relativen Position der Bauteile 38, 42 in der gleichen Weise wie die Bestimmung der relativen Position der Bauteile 36, 38. Das Prinzip wurde anhand von Fig. 15 und Fig. 16 erläutert.
Fig. 18 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Membranfeder 49, die Verdrehungen um 2 zueinander senkrecht verlaufende Drehachsen erlaubt. Die Membranfeder 49 ist im Wesentlichen aus konzentrisch zueinander angeordneten Bereichen 43, 45, 47 aufgebaut. Durch die Drehbeweglichkeit um die zwei Drehachsen sind der zentrale Bereich 43 und der periphere Bereich 47 relativ zueinander beweglich. Der zentrale Bereich 43 ist über zwei elastisch verformbare Kopplungsbereiche 44a, 44b mit einem mittleren Bereich 45 drehbeweglich um die in vertikaler Richtung in Fig. 18 verlaufende Drehachse gekoppelt. Der mittlere Bereich 45 ist über zwei elastisch verformbare
Kopplungsbereiche 46a, 46b um die in horizontaler Richtung in Fig. 18 verlaufende Drehachse mit dem peripheren Bereich 47 beweglich gekoppelt. Die beiden Drehachsen verlaufen senkrecht zueinander in der Bildebene der Fig. 18 und kreuzen sich im Zentrum des zentralen Bereichs 43. Bei der Drehbewegung um die jeweilige Drehachse tordieren die jeweiligen entlang der Drehachse hintereinander angeordneten Kopplungsbereiche 44a, 44b bzw. 46a, 46b.
Zur Messung der Drehpositionen um die beiden Drehachsen ist eine Anordnung mit zwei Etalons 1 , 12 vorgesehen. Ähnlich wie bereits anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist jeweils eine Intensitäts-Messeinrichtung 4, 5 zur Messung der Intensität der durch den Etalon hindurchgetretenen Strahlung vorgesehen. Z.B. Strahlung aus derselben Strahlungsquelle (nicht in Fig. 18 dargestellt) wird im zentralen Bereich 43 erzeugt oder in diesen eingestrahlt und umgelenkt, sodass ein Teil der Strahlung wie durch Pfeile angedeutet durch den ersten Etalon 1 hindurchtritt, der fest mit dem mittleren Bereich 45 verbunden ist, und sodass ein anderer Teil der Strahlung durch den zweiten Etalon 12 hindurchtritt, der fest mit dem peripheren Bereich 47 verbunden ist.
Fig. 19 und Fig. 20 zeigen schematisch zwei Seitenansichten der Anordnung in Fig. 18 in verschiedenen Bewegungszuständen. Die Bewegungspositionen der Fig. 19 und Fig. 20 unterscheiden sich dadurch, dass der mittlere Bereich 45 relativ zu dem zentralen Bereich 43 um die in Fig. 18 vertikal verlaufende Drehachse gedreht wurde, wobei diese
Drehachse in Fig. 19 und Fig. 20 senkrecht zur Bildebene verläuft.
Die von der Strahlungsquelle 3 erzeugte Strahlung (alternativ Strahlung, die in den zentralen Bereich 43 umgelenkt wird) wird wie durch einen Doppelpfeil in Fig. 19 und Fig. 20 dargestellt auf den ersten Etalon 1 eingestrahlt. In dem in Fig. 19 dargestellten Zustand steht die Oberfläche des Etalons 1 etwa senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung, während in Fig. 20 die Strahlung unter einem Neigungswinkel entsprechend der Drehbewegung auf die Oberfläche des Etalons 1 auftrifft. Dementsprechend hat sich gegenüber dem Zustand in Fig. 19 die optische Dicke des Etalons 1 für die
hindurchtretende Strahlung geändert. Die entsprechende Intensitätsänderung ist ein Maß für die Veränderung der Drehposition.
Die in Fig. 21 dargestellte Seitenansicht hat Ähnlichkeiten mit der Darstellung in Fig. 19, da ebenfalls eine Membranfeder mit konzentrischen Bereichen 43, 45, 47 vorgesehen ist, wobei jedoch die Blickrichtung im Vergleich zu Fig. 19 in entgegengesetzte Richtung weist. Auch ist im zentralen Bereich der Einrichtung gemäß Fig. 21 keine Strahlungsquelle 3 vorgesehen, sondern ein Reflektor 48. Ferner ist mit dem peripheren Bereich 47 ein erstes Bauteil 31 verbunden, das ähnlich wie in der Ausführungsform der Fig. 15 und Fig. 16 sowie der Fig. 17 z.B. der Ankopplung an den Arm oder eine Pinole eines
Koordinatenmessgeräts dient. Die Einrichtung ist in Fig. 21 nicht vollständig dargestellt. Z.B. kann mit dem zentralen Teil 43 ähnlich wie in Fig. 17 dargestellt ein
Kopplungsbereich zum Koppeln der Einrichtung mit einem taktilen Taster zum Abtasten eines Werkstücks verbunden sein. Auch können weitere elastisch verformbare Elemente und nicht verformbare Bauteile vorgesehen sein, um die Anordnung zu stabilisieren.
Der mit dem ersten Bauteil 31 und damit mit dem peripheren Bereich 47 fest verbundene Laser (allgemeiner: Strahlungsquelle) erzeugt elektromagnetische Strahlung, die von dem Reflektor 48 in Richtung des Etalons 1 umgelenkt wird. Auf diese Weise kann ähnlich wie anhand von Fig. 19 und Fig. 20 erläutert wurde, eine Drehbewegung des zentralen Teils 43 um eine senkrecht zur Bildebene der Fig. 21 verlaufende Drehachse festgestellt werden. Optional ist zusätzlich au ßerdem ähnlich wie anhand von Fig. 18 erläutert wurde ein zweiter Etalon 12 vorgesehen. Allerdings ist dieser zweite Etalon fest mit dem zentralen Bereich 43 verbunden, wenn Strahlung aus derselben Strahlungsquelle 3 wie oben in Fig. 21 dargestellt auf den zweiten Etalon eingestrahlt wird. Anhand von Fig. 22 wird nochmals das Prinzip der Integration von Etalons in
Einrichtungen eines Koordinatenmessgeräts erläutert. Der mittlere und untere Teil der Fig. 22 zeigen ein an sich vorbekanntes Bauteil, das insbesondere bereits in der
DE 10 2004 01 1 728 A1 (dort in Fig. 2) dargestellt ist und beschrieben wurde. Im oberen Bereich der Fig. 22 sind jedoch schematisch die Anordnung von zwei Etalons 1 , 12 mit zugeordneten Intensitäts-Messeinrichtungen 5, 4 dargestellt sowie die
Strahlungsausbreitungsrichtungen, die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung nach Teilung durch einen Strahlteiler 17 durchläuft. Die Anordnung wird insbesondere im mittleren Bereich der Einrichtung 56 angeordnet, nämlich insbesondere so wie anhand von Fig. 18 bis Fig. 20 beschrieben wurde. Alternativ kann der zweite Etalon, wie ebenfalls bereits anhand von Fig. 21 beschrieben wurde, nicht mit dem peripheren Bereich, sondern mit dem zentralen Bereich der Membranfeder 52 verbunden werden. Die für die Bestrahlung der Etalons 1 , 12 benötigte elektromagnetische Strahlung wird vorzugsweise, ähnlich wie anhand von Fig. 21 bereits erläutert wurde, von oben, parallel zur axialen Richtung, in den Bereich der Membranfeder 52 eingestrahlt und wie oben in Fig. 22 schematisch dargestellt durch einen Strahlteiler 17 in die zwei Messstrahlen aufgeteilt.
In Fig. 22 ist die Einrichtung 56 zum Beispiel ein Tastkopf für ein Koordinatenmessgerät. Ein Kinematikmodul des Tastkopfes besitzt ein feststehendes Gehäuseteil 68, das mit dem Gehäuse des Tastkopfes verbunden ist oder auch Bestandteil des Tastkopfgehäuses sein kann. Das Gehäuseteil 68 besitzt eine zylindrische Bauform. In seinem Inneren sind ein erstes und ein zweites zylinderschalenförmiges Teil 50, 51 angeordnet. Das erste zylinderschalenförmige Teil 50 ist über zwei Blattfedern 44, 46 beweglich an dem
Gehäuseteil 68 befestigt. Das zweite zylinderschalenförmige Teil 51 ist über zwei weitere Blattfedern 58, 60 beweglich an dem ersten beweglichen Teil 50 befestigt. Dabei stehen sich die beiden beweglichen Teile 50, 51 diametral gegenüber. Insgesamt wird durch die Anordnung aus Gehäuseteil 68, den beweglichen Teilen 50, 51 sowie den Blattfedern 44, 46, 58, 60 ein sogenanntes Doppelfederparallelogramm gebildet. Dieses ermöglicht eine Auslenkung des Taststiftes in Z-Richtung gegenüber dem Gehäuseteil 68. Innerhalb des Doppelfederparallelogramms ist eine Membranfeder 52 angeordnet. Die Membranfeder 52 sitzt etwa mittig zwischen den Blattfedern 44, 58 auf der einen Seite des
Doppelfederparallelogramms und den Blattfedern 60, 46 auf der anderen Seite. Sie ist ferner zwischen den beiden beweglichen Teilen 50, 51 befestigt und trägt eine
Taststiftverlängerung 54. Die Taststiftverlängerung 54 ist ihrerseits mit dem Schaft 78 eines Taststifts verbunden. Durch die gezeigte Anordnung der Blattfedern 44, 46, 58, 60 und der Membranfeder 52 kann die Taststiftverlängerung 54 (und mit ihr der Taststift) in drei Raumrichtungen relativ zu dem feststehenden Gehäuseteil 68 ausgelenkt werden. In X- und Y-Richtung erfolgt die Auslenkung in einer Kardanebene 76, die durch die
Membranfeder 52 festgelegt wird. Die Auslenkung senkrecht dazu, d.h. in Z-Richtung, wird durch das Doppelfederparallelogramm ermöglicht. Um die Größe der Auslenkungen des Taststiftes relativ zum Tastkopf zu bestimmen, wird insbesondere die Anordnung der Etalons 1 , 12 verwendet.
Fig. 23 zeigt eine Baugruppe mit einer Umlenkeinrichtung 100, die z.B. ein Spiegel oder ein Reflektor ist. In der Figur von links einfallende Strahlung trifft auf die
Umlenkeinrichtung 100 und wird abhängig von der veränderlichen Winkelstellung der Umlenkeinrichtung umgelenkt. In der dargestellten Winkelstellung ist die
Umlenkeinrichtung 100 z.B. um den Winkel oc aus der Neutralposition ausgelenkt. Die Richtung der umgelenkten Strahlung entspricht der Auslenkung.
Die umgelenkte Strahlung trifft bei jeder zulässigen Winkelstellung der Umlenkeinrichtung 100 auf ein (ein-oder zweidimensionales) Feld 104 von strahlungssensitiven
Detektorelementen 104a-104d, wobei optional im Strahlengang zwischen der
Umlenkeinrichtung 100 und dem Feld 104 zumindest ein optisches Element 102 vorgesehen ist, sodass insbesondere die Ortsauflösung der Detektion der umgelenkten Strahlung durch das Feld 104 vergrößert ist.
Die in Fig. 23 dargestellte Baugruppe kann statt der oben im Zusammenhang mit Fig. 10 erwähnten Baugruppe verwendet werden, da sie im Gegensatz zu einer einzelnen Intensitäts-Messeinrichtung 5 in Fig. 10 ein Feld von Detektorelementen besitzt, wobei jedes der Detektorelemente ebenfalls die Intensität der auftreffenden Strahlung misst, d.h. ein entsprechendes Intensitätssignal erzeugt.
Die in Fig. 24 schematisch dargestellte Anordnung weist einen Etalon 1 12 auf. Von links in der Figur auf den Etalon 1 12 einfallende Strahlung ist durch einen durchgehenden Pfeil dargestellt. Je nach Ausgestaltung und Funktionsweise der Messanordnung kann die Einfallsrichtung der einfallenden Strahlung gegen die Oberflächennormale des Etalons 1 12 geneigt sein (wie dargestellt) oder nicht. In jedem Fall wird von der Baugruppe sowohl die Intensität der aus dem Etalon 1 12 austretenden Strahlung in Reflexionsrichtung (dargestellt durch gestrichelte Pfeile) als auch in Transmissionsrichtung (dargestellt durch durchgehende Pfeile) gemessen. Außerdem wird durch einen polarisierenden Strahlteiler 107 im Strahlengang der reflektierten Strahlung und durch einen polarisierenden
Strahlteiler 1 14 im Strahlengang der transmittierten Strahlung jeweils eine Aufteilung der aus dem Etalon 1 12 austretenden Strahlung in Anteile mit unterschiedlichen,
insbesondere senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen vorgenommen. Die Intensitäten der resultierenden Strahlungsanteile werden bezüglich der reflektierten Strahlung von einer ersten Intensitäts-Messeinrichtung 108 und von einer zweiten Intensitäts-Messeinrichtung 109 und bezüglich der transmittierten Strahlung von einer dritten Intensitäts-Messeinrichtung 1 15 und einer vierten Intensitäts-Messeinrichtung 1 16 gemessen. Ein polarisierender Strahlteiler kann auch als Strahlteiler mit Polarisationsfilter bezeichnet werden.
Die Baugruppe eignet sich daher insbesondere zur Abstandsmessung, wenn der Etalon 1 12 doppelbrechend wirkt und die Polarisationsrichtungen der Strahlteiler 107 und 1 14 auf die Richtung der aus dem Etalon 1 12 austretenden Strahlung abgestimmt sind, sodass die aufgrund der doppelbrechenden Wirkung des Etalons von dem Etalon unterschiedlich beeinflussten Strahlungsanteile der austretenden Strahlung mit den senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen möglichst zu 100 % in die Strahlungsanteile aufgeteilt werden, deren Intensitäten dann von den Intensitäts- Messeinrichtungen 108, 109 sowie 1 15, 1 16 gemessen werden.
Bei der Baugruppe handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform einer Baugruppe zum Messen der Intensitäten der unterschiedlich polarisierten Strahlungsanteile von zirkulär polarisierter Strahlung, welche aus dem Etalon austritt. Da sowohl die reflektierte als auch die transmittierte Strahlung gemessen werden, ist die Eindeutigkeit der Messung erhöht. Alternativ könnte lediglich die reflektierte Strahlung gemessen werden oder die transmittierte Strahlung gemessen werden. Ferner ist es denkbar, für die reflektierte Strahlung lediglich die Intensität der Strahlung mit einer Polarisationsrichtung und für die transmittierte Strahlung lediglich die Strahlungsintensität der Strahlung mit der anderen Polarisationsrichtung zu messen.
Die nun anhand von Fig. 25 und Fig. 26 beschriebenen Umlenkeinrichtungen sind geeignet, die oben, vor der Figurenbeschreibung beschriebene Rollmessung zu ermöglichen. Der in den Darstellungen oben von links nach rechts weisende Pfeil repräsentiert die auf die Umlenkeinrichtung 124 einfallende Strahlung, welche z.B. durch einen Strahlteiler 126 der Umlenkeinrichtung 124 oder auf andere Weise (z.B. durch Aufteilung in einen gebeugten und einen reflektierten, polarisierten Strahl) in zwei umgelenkte Strahlengänge aufgeteilt wird. Dabei ist vorzugsweise die Strahlung in einem der umgelenkten
Strahlengänge polarisiert oder anders polarisiert als die einfallende Strahlung, während die Strahlung in dem anderen umgelenkten Strahlengang entweder nicht polarisiert ist oder anders als in dem anderen umgelenkten Strahlengang polarisiert ist oder genauso wie die auf die Umlenkeinrichtung 124 einfallende Strahlung polarisiert ist. In jedem Fall unterscheiden sich die Polarisationszustände der Strahlungen auf den beiden
umgelenkten Strahlengängen. Dabei ist der Polarisationszustand des Strahlungsanteils auf dem ersten umgelenkten Strahlengang von der Drehstellung der Umlenkeinrichtung abhängig. Würde die Umlenkeinrichtung 124 daher eine um eine in der Figurenebene horizontal verlaufende Drehachse andere Drehstellung einnehmen, wäre auch der Polarisationszustand des Strahlungsanteils auf den ersten Strahlengang anders.
Bei der Ausführungsform in Fig. 25 findet die Polarisation (abhängig von der Drehstellung der Umlenkeinrichtung 124) innerhalb der Umlenkeinrichtung 124 bzw. durch die
Reflexion oder Beugung statt, die die Umlenkeinrichtung bewirkt. Dagegen ist bei der Ausführungsform in Fig. 26 ein zusätzlicher Polarisator 128 vorgesehen, der in
Kombination mit der Umlenkeinrichtung 124 die Polarisation abhängig von der
Drehstellung der Umlenkeinrichtung 124 erzeugt, z.B. da er z. B. Strahlung mit bestimmten Polarisationszuständen ohne Schwächung oder nahezu ohne Schwächung passieren lässt, während er Strahlung mit anderen Polarisationszuständen nicht oder stark geschwächt passieren lässt. In allen Varianten kann es sich bei der
Umlenkeinrichtung 124 z.B. um einen Retroreflektor handeln.
Die in Fig. 27 dargestellte Anordnung weist eine Strahlungsquelle 130 auf, z.B. zumindest einen Laser, der linear polarisierte Strahlung erzeugt. Im Strahlengang der von der Strahlungsquelle 130 erzeugten Strahlung folgt zunächst nach rechts in Fig. 27 ein optischer Isolator 132 und dann ein λ/4-Element 134 zur Erzeugung von zirkulär polarisierter Strahlung. Außerdem kann die optische Strahlaufbereitung vorgesehen sein, die zum Beispiel bereits anhand anderer Figuren beschrieben wurde, zum Beispiel in Fig. 13 und 14. Diese Strahlung trifft auf einen Strahlteiler 137, der die auftreffende Strahlung in zwei Strahlengänge aufteilt, wobei der Polarisationszustand in beiden Strahlengängen am Ort des Strahlteilers 137 gleich sind und wobei der Strahlteiler 137 unabhängig von der Intensität der auf ihn auftreffenden Strahlung vorzugsweise immer Strahlungsanteile mit demselben Verhältnis ihrer Intensitäten erzeugt. Der eine Strahlengang führt in Fig. 27 nach oben auf eine Baugruppe, die dazu dient, Referenzmesswerte zu erzeugen. Oben wurde bereits mehrfach, z.B. anhand von Fig. 10, die Messung eines Referenzwertes der Strahlungsintensität beschrieben. Die Referenzbaugruppe in Fig. 27 oberhalb des Strahlteilers 137 unterscheidet sich davon dadurch, dass die Baugruppe einen Etalon 138 mit insbesondere denselben Eigenschaften wie ein zweiter Etalon 146 aufweist, welcher die Strahlung empfängt, die sich über die Messstrecke ausgebreitet hat. Dies wird noch näher beschrieben.
Die Referenzbaugruppe weist außer dem ersten Etalon 138 (der das nächstgelegene Element der Referenzbaugruppe zu dem Strahlteiler 137 ist) einen polarisierenden Strahlteiler 140 und zwei Intensitäts-Messeinrichtungen 142, 144 auf. Der Strahlteiler 140 und die beiden Intensitäts-Messeinrichtungen 142, 144 funktionieren z.B. in der gleichen Weise wie der Strahlteiler 1 14 und die Intensitäts-Messeinrichtungen 1 15, 1 16 aus Fig. 24. Es werden daher die Intensitäten der beiden unterschiedlich polarisierten Anteile der aus dem ersten Etalon 138 austretenden Strahlung gemessen. Somit stehen Referenz- Intensitätswerte für die beiden Strahlungsanteile unterschiedlicher Polarisation zur Verfügung. Die Referenzbaugruppe kann insbesondere so justiert werden, dass in einer Neutralstellung der beiden relativ zueinander linear beweglichen Bauteile von den Intensitäts-Messeinrichtungen der Referenzbaugruppe dasselbe Intensitätsverhältnis gemessen wird wie von entsprechenden Intensitäts-Messeinrichtungen der
Messbaugruppe mit dem zweiten Etalon 146. Wenn die Bauteile daher in die
Neutralstellung relativ zueinander gebracht werden oder in eine Stellung, in der dasselbe Verhältnis der Intensitäten der beiden unterschiedlich polarisierten Strahlungsanteile der Strahlung erzielt wird, kann analog wie oben zu Fig. 10 und Fig. 1 1 beschrieben ein Abgleich mit Hilfe der Referenzmesswerte stattfinden. Insbesondere kann mit der Referenzbaugruppe eine Intensitätsschwankung und/oder ein Driften der Intensität der von der Strahlungsquelle erzeugten oder der am Strahlteiler 137 auftreffenden Strahlung korrigiert werden.
Der von dem Strahlteiler 137 nach rechts in Fig. 27 verlaufende Strahlengang stellt die Messstrecke dar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel endet die Messstrecke an einem Reflektor 136, bei dem es sich z.B. um einen Spiegel oder um einen Retroreflektor handeln kann. Der Reflektor 136 reflektiert die Messstrahlung zurück auf den Strahlteiler 137, sodass die Messstrecke aufgrund der Reflexion doppelt so groß ist und daher die Auflösung der Abstandsmessung verbessert ist.
Alternativ kann sich dort, wo der Reflektor 136 dargestellt ist, die Messbaugruppe mit dem zweiten Etalon und den zusätzlichen Intensitäts-Messeinrichtungen befinden. Wiederum alternativ kann sich am Ort des in Fig. 27 dargestellten Reflektors 136 eine
Umlenkeinrichtung befinden, z.B. die Umlenkeinrichtung 100 aus Fig. 23, wobei jedoch zusätzlich zu der anhand von Fig. 23 beschriebenen Baugruppe im Strahlengang der umgelenkten Strahlung der zweite Etalon angeordnet ist, gefolgt von einem Strahlteiler. Jeweils ein Feld von strahlungsempfindlichen Messsensoren (wie in Fig. 23 dargestellt) kann daher für beide Strahlengänge vorgesehen sein, die der erwähnte polarisierende Strahlteiler im Strahlengang nach dem zweiten Etalon erzeugt. Alternativ kann statt einem Detektorfeld, das die Messung einer Verkippung der Umlenkeinrichtung ermöglicht, nur eine Intensitäts-Messeinrichtung vorhanden sein, die lediglich einen einzigen Intensitäts- Messwert liefern kann, der der am Ort der Messeinrichtung auftreffenden Strahlung entspricht. In diesem Fall findet keine ortsaufgelöste Messung statt. Alternativ oder zusätzlich kann statt der Umlenkeinrichtung 100 aus Fig. 23 z.B. die Umlenkeinrichtung aus Fig. 25 oder die Anordnung aus Fig. 26 vorgesehen sein.
Die Umlenkeinrichtung aus Fig. 25 und die Anordnung aus Fig. 26 ermöglichen die bereits beschriebene Rollmessung, d.h. die Bestimmung der Drehung der relativ zueinander beweglichen Bauteile um die Richtung der Messstrecke, und zwar durch dieselbe
Messanordnung, die auch den Abstand der Bauteile über die Länge der Messstrecke misst.
Allgemein formuliert definiert daher der Strahlteiler 137 aus Fig. 27 den Beginn der Messstrecke und entweder ein Reflektor 136, eine Umlenkeinrichtung oder die
Messbaugruppe das andere Ende der Messstrecke. Die genannten Elemente, die die entgegengesetzten Enden der Messstrecke definieren, sind so mit den relativ zueinander beweglichen Bauteilen verbunden oder gekoppelt, dass deren Relativbewegung messbar ist, da die Relativbewegung die Länge der Messstrecke ändert und wiederum die Länge der Messstrecke gemessen wird.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 27 fällt die von dem Reflektor 136 auf den Strahlteiler 137 zurückreflektierte Strahlung auf den Strahlteiler 137 ein und wird zumindest teilweise zu der Messbaugruppe umgelenkt. Die Messbaugruppe weist im Strahlengang von dem Strahlteiler 136 nächstliegend zunächst den zweiten Etalon 146 auf und dann einen polarisierenden Strahlteiler 148, der wie auch der Strahlteiler 140 der Referenzbaugruppe die aus dem Etalon austretende transmittierte Strahlung in die beiden Anteile mit unterschiedlichen, insbesondere senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen aufteilt. Die Intensität des einen aufgeteilten Strahlungsanteils wird von einer dritten Intensitäts-Messeinrichtung 150 und die Intensität des anderen Strahlungsanteils von einer vierten Intensitäts-Messeinrichtung 152 gemessen.
Bei der Variante, die in Fig. 28 dargestellt ist, befindet sich zwischen dem ersten
Strahlteiler 137 und dem zweiten Etalon 146 noch ein weiterer Strahlteiler 145. Die von dem ersten Strahlteiler 137 in Richtung des zweiten Etalons 146 umgelenkte
Messstrahlung passiert den weiteren Strahlteiler 145 zunächst möglichst ungeschwächt und trifft auf den zweiten Etalon 146 auf. Der wieder aus dem Etalon austretende
Strahlungsanteil in Reflexionsrichtung jedoch wird von dem weiteren Strahlteiler 145 umgelenkt und trifft auf einen weiteren Teil der Messbaugruppe mit einem polarisierenden Strahlteiler 158, der analog wie der Strahlteiler 148 funktioniert und die auf ihn
auftreffende Strahlung in die zwei Anteile mit den unterschiedlichen
Polarisationsrichtungen aufteilt. Deren Intensitäten werden von einer fünften Intensitäts- Messeinrichtung 154 und einer sechsten Intensitäts-Messeinrichtung 156 gemessen. Statt des weiteren Strahlteilers 145 wird vorzugsweise ein lediglich einseitig reflektierender Reflektor verwendet, sodass die von dem ersten Strahlteiler 137 ausgehende
Messstrahlung nahezu ungehindert auf den zweiten Etalon 146 einfällt und die von dem Etalon 146 reflektierte Strahlung aber nahezu vollständig in Richtung des polarisierenden Strahlteilers 158 reflektiert wird.
Selbstverständlich kann bei anderen Ausführungsformen auf die Referenzbaugruppe verzichtet werden, wenn eine Referenzmessung nicht benötigt wird oder nicht gewünscht wird.
Ferner kann, ähnlich wie bereits anhand von Fig. 12 beschrieben wurde, die von der Strahlungsquelle aus gesehen auf den ersten Strahlteiler 137 auftreffende Strahlung in zumindest zwei Strahlengänge aufgeteilt werden, von denen zumindest einer nochmals in zumindest zwei Strahlengänge aufgeteilt wird. Dies ermöglicht es, optional wieder eine Referenzmessung durchzuführen und auf jeden Fall Strahlengänge für verschiedene Messstrecken zu erzeugen. Um es zu ermöglichen, dass die Messstrecken in
unterschiedlicher Richtung verlaufen, können weitere Umlenkeinrichtungen und Reflektoren verwendet werden. Anhand von Ausgestaltungen eines
Koordinatenmessgerätes werden noch Ausführungsformen mit mehreren Messstrecken beschrieben.
Bei sämtlichen Intensitäts-Messeinrichtungen, insbesondere aber bei den Intensitäts- Messeinrichtungen der Messbaugruppe, kann es sich um Messeinrichtungen mit einem Feld von strahlungsempfindlichen Detektoren oder um einzelne Detektoren handeln, die lediglich den Intensitätswert der Strahlung an einem Messort messen können.
Wenn mehrere Messstrecken realisiert sind, kann z.B. jeweils die Messbaugruppe aus Fig. 27 oder aus Fig. 28 für die Messstrecke vorgesehen werden. Jede Messstrecke kann entweder ihrem Ende einen Reflektor oder eine Umlenkeinrichtung aufweisen oder die Messbaugruppe.
Eine Variante der Messbaugruppe aus Fig. 28, die ebenfalls bei irgendeiner der
Messstrecken oder bei einer Messanordnung mit einer einzigen Messstrecke eingesetzt werden kann, weist im Gegensatz zu Fig. 28 nicht den Strahlteiler 145 oder den einseitig reflektierenden Reflektor auf, wobei dennoch auch die in Reflexionsrichtung aus dem Etalon 146 austretende Strahlung gemessen wird. Z. B. Kann die in Fig. 24 dargestellte Messbaugruppe verwendet werden, bei der z.B. die Messstrahlung unabhängig von der zu messenden Relativposition der Bauteile geneigt zur Oberflächenormalen des Etalons der Messbaugruppe auf diesen einfällt.
Ähnliche Messanordnungen, die anhand von Fig. 27 und Fig. 28 beschrieben wurden, können ohne polarisierenden Strahlteiler für die Messung der Intensität der aus dem Etalon austretenden Strahlung auskommen, wenn nicht der Polarisationszustand von zirkulär polarisierter Strahlung gemessen werden soll, wie es bei der Abstandsmessung der Fall ist. Z.B. wenn lediglich die relative Ausrichtung der beiden Bauteile gemessen werden soll und daher der Einfallswinkel der auf den Etalon auftreffenden Strahlung abhängig von der relativen Ausrichtung ist, reicht eine einzige Intensitäts-Messvorrichtung jeweils für die in Transmissionsrichtung oder in Reflexionsrichtung aus dem Etalon austretende Strahlung aus.
Wenn die Messstrahlung mehrere Wellenlängen aufweist, insbesondere um den
Eindeutigkeitsbereich (s.o.) zu vergrößern, wird es bevorzugt, dass die zumindest eine Messbaugruppe und optional auch die Referenzbaugruppe Messeinrichtungen für die nach Wellenlängen getrennte Messung der Intensitäten aufweist. Insbesondere wird zumindest ein wellenlängensensitiver Strahlteiler (vorzugsweise Interferenzfilter, da Absorptionsfilter in der Regel nicht die gewünschte Trennschärfe haben) verwendet. Vorzugsweise werden die Intensitäten der verschiedenen Wellenlängen gleichzeitig erfasst. Wenn lediglich zwei Wellenlängen vorkommen, könnte die Strahlung der ersten Wellenlänge lediglich für den in Transmissionsrichtung aus dem Etalon austretenden Teil der Strahlung gemessen werden und die Strahlung der zweiten Wellenlänge lediglich für den in Reflexionsrichtung aus dem Etalon austretenden Teil der Strahlung gemessen werden. Bevorzugt wird aber die Messung aller Wellenlängen sowohl für die
Transmissionsrichtung als auch für die Reflexionsrichtung. Bei der Rollwinkelmessung mit Strahlung zumindest zweier Wellenlängen reicht es aus, wenn lediglich die Strahlung einer der Wellenlängen oder allgemein formuliert nicht aller Wellenlängen von der Polarisationseinrichtung entsprechend dem Rollwinkel beeinflusst wird. Alternativ können die Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlängen alternierend, das heißt zeitlich im Wechsel, erzeugt und gemessen werden. Wenn sich aber die Messgröße während dessen ändert, ist die gleichzeitige Erfassung genauer.
Die Messanordnung zur Messung der Relativposition zweier relativ zueinander beweglicher Teile kann insbesondere in Koordinatenmessgeräten, Robotern und
Werkzeugmaschinen zur Fertigung von Gegenständen eingesetzt werden. Diese Geräte und Maschinen weisen üblicherweise mehrere Paare von relativ zueinander beweglichen Bauteilen auf. Es können daher insbesondere wie anhand von Ausführungsbeispielen bereits beschrieben wurde, mehrere Paare von Bauteilen mit einer gemeinsamen
Messanordnung gemessen werden, wobei jedoch insbesondere mehrere Messstrecken zur Abstandsbestimmung und/oder Drehwinkelbestimmung vorhanden sind, die z.B. eine gemeinsame Strahlungsquelle nutzen. Zumindest eine Drehwinkelmessung und eine Abstandsmessung können auch wie oben beschrieben einen gemeinsamen Etalon nutzen. Zu der Drehwinkelmessung gehört auch die beschriebene Rollwinkelmessung.
Vorhandene Messsysteme der Geräte und Maschinen, die z.B. Inkrementalmaßstäbe nutzen, können mit einer solchen Messanordnung ergänzt oder durch eine solche Messanordnung ersetzt werden. Ferner kann z.B. die Bewegung eines Bauteils (z. B. eines Messkopfes) des Geräts oder der Maschine, welches jeweils durch mehrere Paare von relativ zueinander beweglichen Bauteilen mehrere Freiheitsgrade der Bewegung bezüglich einer Basis des Geräts oder der Maschine hat, mit einer derartigen
Messanordnung oder einer Mehrzahl derartiger Messanordnungen gemessen werden. Z.B. weist ein Koordinatenmessgerät in Portalbauweise - oder eine Werkzeugmaschine mit den gleichen Freiheitsgraden der Bewegung - z.B. drei Linearachsen auf, die insbesondere als Koordinatenachsen eines kartesischen Koordinatensystems definiert werden können. Die drei Linearachsen stehen daher paarweise senkrecht zueinander. Davon sind jedoch Modifikationen möglich. Z.B. kann eine Linearachse unter einem anderen Winkel als 90° geneigt gegen eine andere Linearachse verlaufen. Ferner kann zusätzlich zu mindestens einer Linearachse, entlang der ein erstes Bauteil relativ zu einem zweiten Bauteil beweglich ist, eine Drehachse vorhanden sein, um die z.B. das zweite Bauteil relativ zu einem dritten Bauteil drehbar ist. In den genannten Fällen sind die Freiheitsgrade der Bewegung z.B. des genannten ersten Bauteils kaskadiert, d.h. eine Bewegung um die Drehachse oder entlang der Linearachse am Anfang der Kaskade führt dazu, dass sämtliche bis zum Ende der Kaskade miteinander gekoppelten Drehachsen und/oder Linearachsen ebenfalls mitbewegt werden. Auf ein entsprechendes Beispiel mit drei kaskadierten Linearachsen wird noch anhand von Fig. 29 bis Fig. 32 näher eingegangen.
Es wird nun vorgeschlagen, die Bewegung von zumindest zwei Achsen (Linearachsen und/oder Drehachsen), insbesondere kaskadierte Achsen, unter Verwendung desselben Messmoduls zu messen. Das Messmodul stellt eine bautechnische Einheit dar, die zumindest eine Messbaugruppe zur Messung der relativen Ausrichtung und/oder des Abstandes zweier relativ zueinander beweglicher Bauteile des Geräts oder der Maschine aufweist. Das Messmodul kann jedoch auch mehr als eine Messbaugruppe aufweisen, die z.B. jeweils einen Abstand und optional auch zumindest einen Drehwinkel messen.
Vorzugsweise wird die Messstrahlung, welche den mehreren Messbaugruppen zur Messung des Abstandes und/oder des Drehwinkels zugeführt wird, von derselben Strahlungsquelle (z.B. einem Laser oder einer Kombination von Lasern, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen, welche aber ein gemeinsames
Strahlungsbündel für die Messstrahlung bilden) erzeugt. Alternativ oder zusätzlich dient zumindest eine der Messbaugruppen dazu, den Rollwinkel oder dessen Änderung zu messen. Zumindest eine Messbaugruppe kann auch dazu dienen, den Versatz von Achsen, insbesondere von Linearachsen relativ zueinander, zu messen.
Insbesondere kann das Messmodul auch die zumindest eine Strahlungsquelle enthalten. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Es ist auch möglich, z.B. über
Umlenkeinrichtungen und/oder Blenden und/oder optische Fasern, Messstrahlung von einer Strahlungsquelle außerhalb des Messmoduls zuzuführen und/oder an einem Ende der Messstrecke in die Messstrecke einzukoppeln oder zu erzeugen. Wenn die zumindest eine Strahlungsquelle in das Messmodul integriert ist, weist das Messmodul z.B.
zumindest eine weitere optische Komponente zur Aufbereitung der Messstrahlung auf. Beispiele dafür, wie optischer Isolator und λ/4-Element sowie
Strahlaufweitungsanordnung und Strahlteiler, insbesondere für eine Referenzmessung und/oder für mehrere Messstrecken, wurden bereits beschrieben.
Es wird bevorzugt, dass zumindest eine Messbaugruppe des Messmoduls redundante Informationen über die Messgröße (z.B. Abstand oder Drehwinkel) ermittelt, wie es z.B. bei der Messung der Intensität der in Transmissionsrichtung aus dem Etalon austretenden Strahlung und zusätzlich der Intensitätsmessung der in Reflexionsrichtung aus dem Etalon austretenden Strahlung der Fall ist. Redundante Informationen führen zu einer robusteren und störsicheren Auswertung.
Insbesondere zur Zuführung der Messstrahlung zu der Messstrecke und/oder zur Übertragung der Messstrahlung von der Messstrecke zu der zumindest einen
Messbaugruppe kann zumindest eine optische Faser verwendet werden, die von der Strahlung durchstrahlt wird und die insbesondere Laserstrahlung auf gekrümmten Wegen überträgt oder übertragen kann. Eine Übertragung mittels optischer Faser oder optischen Fasern ist insbesondere bei einer Drehwinkelmessung des Drehwinkels entsprechend der relativen Ausrichtung zweier Bauteile um eine Drehachse von Vorteil. Mit der zumindest einen optischen Faser lässt sich die Messstrahlung zwischen Strahlungsquelle oder Messbaugruppe einerseits und der Messstrecke andererseits besonders dann
zweckmäßig übertragen, wenn die Strahlungsquelle und/oder die Messbaugruppe in dem Messmodul verhältnismäßig weit von der Drehvorrichtung entfernt angeordnet ist und z.B. die Drehvorrichtung eine kompakte Drehvorrichtung mit kleinen Abmessungen ist. Wie erwähnt kann zusätzlich eine Umlenkeinrichtung am Beginn und/oder am Ende der Messstrecke eingesetzt werden. Die Verwendung zumindest einer optischen Faser und/oder zumindest einer Umlenkeinrichtung ist aber auch abhängig von der Konstruktion des Geräts oder der Maschine bei der Abstandsmessung von Bauteilen von Vorteil.
Wenn zumindest eine optische Faser zur Zuführung der Messstrahlung zu der
Messstrecke verwendet wird, wird es bevorzugt, dass die optischen Elemente zur Aufbereitung der Messstrahlung im Strahlengang nach dem Ende der optischen Faser angeordnet sind. Auf diese Weise können Fehler und Störungen der Messung, die ansonsten von der optischen Faser verursacht werden könnten, am sichersten und einfachsten vermieden werden. Als optische Elemente können zum Beispiel ein
Polarisator (insbesondere zur Erzeugung linear polarisierter Strahlung) und/oder ein λ/4- Element im Strahlengang nach dem Ende der optischen Faser angeordnet sein.
Insbesondere kann der Polarisator für einen definierten Ausgangszustand der Strahlung sorgen, die von dem λ/4-Element in zirkulär polarisierte Strahlung umgewandelt wird.
Die Verwendung des erwähnten Messmoduls, das eine Mehrzahl von Messbaugruppen für die Messung jeweils einer Achse enthält, hat den Vorteil, dass zumindest bei kaskadierten Bewegungsachsen Verkippungen und Verschiebungen der
Bewegungsachsen relativ zueinander erkannt werden können, die bei getrennten, voneinander beabstandeten Orten der Messung unerkannt bleiben können.
Die Messtrecken sowohl bei Drehachsen als auch bei Linearachsen können insbesondere (ggf. mit Ausnahme einer Umlenkung am Ende der Messstrecke) vollständig außerhalb von Festkörpermaterialien verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass unbekannte und veränderliche Eigenschaften von Festkörpermaterialien die Messung nicht stören oder verfälschen können. Allerdings kann auch ein Gas, z. B. Luft, durch das sich die
Messstrecke hindurcherstreckt, die Messung verfälschen, wenn an den Gasteilchen Beugung und/oder Absorption von Strahlung stattfindet. In Bezug auf Luft wird es daher bevorzugt, dass Messstrahlung mit Wellenlängen verwendet wird, die nicht von
Wasserdampf in der Luft beeinflusst sind. Dies ist z. B. im sogenannten Wasserfenster der Luft bei Wellenlängen im Bereich von 1300 bzw. 1500 nm der Fall. Es können z. B. aber auch Wellenlängen im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten
Strahlungsbereich genutzt werden.
Wie bereits erwähnt, kann die Messstrahlung insbesondere zwei oder mehr Wellenlängen aufweisen, die z. B. jeweils von einem zugeordneten Laser oder von einem gemeinsamen Laser als unterschiedlichen Moden erzeugt werden. Wenn zumindest zwei Wellenlängen der Messstrahlung vorkommen, können die optischen Eigenschaften des Mediums entlang der Messstrecke aus der Messung bestimmt und korrigiert werden oder durch die Messung eliminiert werden. Z. B. kann auf diese Weise eine Korrektur des
Brechungsindex einer Luft-Messtrecke durchgeführt werden. Dabei kann die
Messstrahlung z. B. gleichzeitig die zumindest zwei Wellenlängen aufweisen oder die zumindest zwei Wellenlängen können abwechselnd, z. B. zyklisch nacheinander die Messstrahlung bilden. Diese alternierende Vorgehensweise hat den Vorteil, dass eine messtechnische Trennung der Strahlungsanteile mit unterschiedlichen Wellenlängen nicht erforderlich ist.
Z. B. unter Verwendung der genannten elektro-optischen Materialien oder der genannten Materialien zur Ausnutzung des Faraday- Effekts, wobei die genannten Materialien Teil eines Etalon sind, können die optischen Eigenschaften des Etalons zeitlich verändert werden, insbesondere periodisch, sodass eine Auswertung der Messung mit an sich bekannten frequenzorientierten Verfahren (z. B. Messung im Frequenzraum statt im Zeitraum) möglich ist. Die Variation der optischen Eigenschaften kann insbesondere in der Art eines Wobbeins erfolgen.
Die tragenden Teile des Messmoduls, die bei thermischer Ausdehnung oder Kontraktion zu einer Veränderung der Position und/oder Ausrichtung der optischen Teile des
Messmoduls (einschließlich der Teile für die Strahlungsdetektion) führen können, werden vorzugsweise aus Materialien mit niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, z. B. aus sogenannten neuen, d. h. künstlich hergestellten Materialien. Auf diese Weise wird die Messung unempfindlich für Temperaturschwankungen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsquelle, die optische Aufbereitung der Messstrahlung und/oder die zumindest eine Messbaugruppe durch aktives Heizen und/oder Kühlen thermisch stabilisiert werden. Eine Aufheizung und ein Betrieb dieser Teile bei wenigen Kelvin über Umgebungstemperatur (z. B. bis zu 10 Kelvin) ist von Vorteil, da in diesem Fall auf Grund des Temperaturgefälles eine definierte Abfuhr von Wärme an die Umgebung stattfindet und insbesondere im Fall einer Regelung der Temperatur sehr stabile Verhältnisse geschaffen werden können.
Vorzugsweise ist ein Strahlungsweg der Messstrahlung, insbesondere entlang der gesamten Messstrecke, innerhalb eines Hohlraums und/oder Gehäuses angeordnet, um unerwünschte äu ßere Einflüsse wie Strahlungseinfall von außen in die Messstrecke zu vermeiden. Dies ermöglicht es ferner, die typischer Weise in dem Hohlraum und/oder Gehäuse vorhandene Luft zu homogenisieren. Dazu wird die Luft z. B. verwirbelt und/oder strömt permanent durch das Volumen innerhalb des Hohlraumes bzw. des Gehäuses hindurch. Dadurch werden definierte und zeitlich konstante Verhältnisse geschaffen. Z. B. wird ein Ventilator eingesetzt und/oder wird über Luftdüsen unter Druck stehende Luft in den Hohlraum und/oder das Gehäuseinnere eingeleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur, der Druck und/oder die Feuchte des Gases (z. B. Luft), durch das die Messstrecke verläuft gemessen werden und können die Messergebnisse der Strahlungsmessung entsprechend korrigiert werden. Dadurch kann die Auflösung der Messung verbessert werden und z. B. eine Auflösung von weniger als ein Mikrometer pro Meter Messstrecke erzielt werden. Zur Messung der genannten Einflussgrößen kann z. B. jeweils ein Messsensor oder jeweils eine Mehrzahl von Messsensoren verwendet werden. Z. B. befinden sich entlang der Messstrecken mehrere Temperatursensoren und/oder Feuchtesensoren. Auch in dem genannten Messmodul kann zumindest ein solcher Sensor verwendet werden. Entsprechendes gilt für die Strahlungsquelle.
Im Folgenden wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 29 bis Fig. 32 lediglich als Beispiel für ein Gerät mit kaskadierten Bewegungsachsen ein Koordinatenmessgerät in
Portalbauweise beschrieben, das mit zumindest einer erfindungsgemäßen
Messanordnung ausgestattet ist. Bei dem Koordinatenmessgerät in Portalbauweise handelt es sich um ein Gerät mit drei kaskadierten Linearachsen.
Das in Fig. 29 dargestellte Koordinatenmessgerät (im Folgenden kurz: KMG) 210 weist eine Basis 212 auf, relativ zu der ein Portal 214 in y-Richtung eines kartesischen
Koordinatensystems linear beweglich ist. Das Portal 214 weist zwei sich nach oben erstreckende Säulen auf, die in einem Abstand zueinander aufragen und oben über einen Querträger miteinander verbunden sind. Relativ zu den Querträgern und damit relativ zu dem Portal 214 ist ein Schlitten 216 in x-Richtung des kartesischen Koordinatensystems linear beweglich. Ferner ist eine Pinole 218 relativ zu dem Schlitten 216 in z- Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich. Am unteren Ende der Pinole 218 ist z. B. ein Messkopf 220 mit einem daran angeordneten Taststift 222 angeordnet. Das KMG 210 ist dazu geeignet auf Grund der beschriebenen Freiheitsgrade der Bewegung den Taststift 222 (innerhalb eines Volumens über dem Messtisch 212) in beliebige Positionen zu bringen und z. B. das quaderförmig dargestellte Werkstück 232 mechanisch abzutasten. Bei Berührung der Oberfläche des Werkstücks 232 mit dem Taststift 222 werden Messsignale des KMG 210 erzeugt, die es erlauben, den Ort der Berührung z. B. in dem genannten Koordinatensystem zu bestimmen. Dazu ist es erforderlich, dass die Relativpositionen der genannten Bauteile, also Messtisch 212, Portal 214, Schlitten 216 sowie Pinole 218 gemessen werden. Üblicherweise haben Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise entsprechende Inkrementalmaßstäbe, auf die jedoch mit den im
Folgenden beschriebenen Messanordnungen verzichtet werden kann.
Zuvor wurden bereits Messmodule beschrieben, die zumindest einen erfindungsgemäßen Etalon zur Abstandsmessung aufweisen. In den in Fig. 29 bis Fig. 32 dargestellten Ausführungsbeispielen von Messanordnungen weist das jeweilige Messmodul au ßerdem die Strahlungsquelle auf, insbesondere eine oder mehrere Laser, der/die linear polarisierte Strahlung erzeugt/erzeugen. Ferner, da es sich jeweils um eine
Abstandmessung handelt, ist dem Laser jeweils eine Einrichtung zur Erzeugung zirkulär polarisierter Messstrahlung zugeordnet. Diese Messstrahlung breitet sich entlang der Messstrecke aus, wobei pro Messstrecke zumindest eine Umlenkeinrichtung zum Einsatz kommt, die die Strahlung umlenkt, so dass die Strahlung wieder zurück zu dem
Messmodul gelangt und dort von zumindest einer Messbaugruppe des Messmoduls gemessen wird. Da auf diese Weise die Messstrahlung den zu messenden Abstand zweimal durchläuft, ist die Messstrecke insgesamt doppelt so lang wie der zu messende Abstand.
Generell gilt, dass in dieser Beschreibung unter einer Abstandsmessung nicht nur die Bestimmung des absoluten Abstandwertes verstanden wird, sondern alternativ oder zusätzlich die Messung einer Änderung des Abstandes. Wenn z. B. die momentane Relativposition zwischen den zwei relativ zueinander beweglichen Bauteilen bekannt ist, reicht es aus, wenn die Abstandsänderung (oder im Fall einer Drehachse die
Drehwinkeländerung) gemessen wird.
Das in Fig. 29 dargestellte KMG weist drei Messanordnungen auf, die jeweils einen Abstand parallel zu einer der Koordinatenachsen des kartesischen Koordinatensystems messen. Ein erstes Messmodul 238 ist mit dem Schlitten 216 verbunden, im
Ausführungsbeispiel in den Schlitten 216 integriert. Die von dem ersten Messmodul 238 erzeugte Messstrahlung breitet sich in x- Richtung in Richtung einer Umlenkeinrichtung 239 (z. B. ein Retroreflektor) aus und wird von ihr in Richtung des ersten Messmoduls 238, d. h in entgegengesetzte Richtung zurück reflektiert. Dementsprechend kann der Abstand in x-Richtung bestimmt werden.
An der Basis 212 (im Ausführungsbeispiel rechts vorne seitlich an der Basis) ist ein zweites Messmodul 240 befestigt. Die von ihm erzeugte Messstrahlung durchläuft die in y-Richtung verlaufende Messstrecke bis zu einer Umlenkeinrichtung 241 (z. B. wieder ein Retroreflektor), der an einem Fuß 224 des Portals 214 befestigt ist. Die von der
Umlenkeinrichtung 241 in entgegengesetzter Richtung zurück reflektierte Messstrahlung wird von zumindest einer Messbaugruppe des zweiten Messmoduls 240 gemessen.
An dem Schlitten 216 ist ein drittes Messmodul 242 befestigt (im Ausführungsbeispiel rechts seitlich), das Messstrahlung erzeugt, die sich in z-Richtung bis zu einer
Umlenkeinrichtung 243 ausbreitet, welche unten an der Pinole 218 befestigt ist. Die von ihr in entgegengesetzte Richtung zurückreflektierte Messstrahlung wird von dem dritten Messmodul 242 gemessen und so der Abstand in z-Richtung bestimmt.
Varianten der Gesamt-Messanordnung werden noch anhand von Fig. 30 bis Fig. 32 beschrieben. Es sind jedoch zahlreiche weitere Varianten möglich. Z. B. ist in keiner der Fig. 29 bis Fig. 32 ein mögliches Gehäuse dargestellt in dessen Innenraum sich die Messstrecke befindet. Ferner kann sich die Messstrecke jeweils ganz oder teilweise durch eines der Bauteile hindurch erstrecken (z. B. in einem Hohlraum des Bauteils), dessen Relativbewegung gemessen werden soll. Z. B. kann sich ein solcher Hohlraum innerhalb der Pinole 218 in z-Richtung erstrecken und ist die Umlenkeinrichtung 243 in diesem Fall ebenfalls innerhalb der Pinole 218 angeordnet. Dementsprechend wird es bevorzugt, dass das dritte Messmodul 242 innerhalb des Schlittens 216 angeordnet ist und z. B. über zumindest eine weitere Umlenkeinrichtung und durch eine Öffnung am Rand der Pinole 218 die Messstrahlung in die in z-Richtung verlaufende Messstrecke eingekoppelt wird und wieder ausgekoppelt wird.
Das in Fig. 30 dargestellt KMG 210 ist mit einer im Gegensatz zu Fig. 29 modifizierten Gesamt-Messanordnung ausgestattet. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede beschrieben. Das erste Messmodul 238 übernimmt die Funktion auch des dritten
Messmoduls 242 aus Fig. 29. Daher erzeugt das erste Messmodul 238 sowohl die Messstrahlung, die die in x-Richtung verlaufende Messstrecke durchläuft, als auch die Messstrahlung, die die in z-Richtung verlaufende Messstrecke durchläuft. Der Vorteil dieser Gesamt-Messanordnung besteht darin, dass mögliche Fehler aufgrund einer Veränderung der Relativposition des ersten Messmoduls 238 und des dritten Messmoduls 242 aus Fig. 29 (z. B. auf Grund einer thermischen Ausdehnung des Schlittens 216) minimiert sind.
Die in Fig. 31 dargestellte Gesamt-Messanordnung weist ein gemeinsames Messmodul 246 für die Bestimmung der Abstände in jeder der drei Richtungen x, y und z des Koordinatensystems auf. In dem Ausführungsbeispiel ist das gemeinsame Messmodul 246 am Portal 214 befestigt und zwar z. B. an der Innenseite der rechten Säule und unterhalb des Querträgers, entlang dem der Schlitten 216 in x-Richtung beweglich ist. In dem Ausführungsbeispiel bildet das Messmodul 246 für die Abstandsmessung in x- Richtung den Beginn der Messstrecke. Das entgegengesetzte Ende dieser Messstrecke wird durch eine an dem Schlitten 216 befestigte Umlenkeinrichtung 249 gebildet.
Ansonsten ist die Funktion bezüglich dieser Messstrecke die gleiche wie in den Beispielen aus Fig. 29 und Fig. 30.
Das Messmodul 246 erzeugt jedoch auch die Messstrahlung für die Messungen der Abstände in y-Richtung und in z- Richtung. Sie bildet aber nicht den Anfang der jeweiligen Messstrecken. Vielmehr wird die Messstrahlung über eine Umlenkeinrichtung 250, die mit dem Schlitten 216 verbunden ist, in die Messstrecke zur Messung des Abstandes in z- Richtung eingekoppelt, durchläuft die Messstrecke bis zu dem z. B. bereits aus Fig. 29 und Fig. 30 bekannten Reflektor (Umlenkeinrichtung 243), wird zurückreflektiert und ebenfalls über die Umlenkeinrichtung 250 in Richtung des Messmoduls 246
zurückreflektiert und dort gemessen. Bezüglich der Messung des Abstandes in y-Richtung ist die Ausführung entsprechend. Die von dem Messmodul 246 erzeugte Messstrahlung wird über eine unten am Portal 214 befestigte Umlenkeinrichtung 248 in die in y-Richtung verlaufende Messstrecke eingekoppelt und am anderen Ende der Messstrecke von einer Umlenkeinrichtung 247, die mit der Basis 212 verbunden ist, zurückreflektiert. Am Anfang der Messstrecke wird die zurückreflektierte Strahlung über die Umlenkeinrichtung 248 wieder in Richtung des Messmoduls 246 umgelenkt und dort gemessen.
Messfehler auf Grund von Veränderungen der Relativpositionen verschiedener
Messmodule können bei der Gesamt-Messanordnung gemäß Fig. 31 minimiert oder ausgeschlossen werden.
Bei der in Fig. 32 dargestellten Variante wird die Messung des Abstandes in x-Richtung und die Messung des Abstandes in z-Richtung wie anhand von Fig. 31 beschrieben ausgeführt. Bei der Messung des Abstandes in y-Richtung kann jedoch auf eine zusätzliche Umlenkeinrichtung verzichtet werden. Die Messstrecke beginnt bereits an dem Messmodul 246. Die sich in y-Richtung ausbreitende Messstrahlung wird von einem auf der Höhe des Messmoduls 246 platzierten Reflektor 254 in Richtung des Messmoduls 246 zurückreflektiert. Der Reflektor 254 ist mittels einer Säule 252 mit Fuß 253 auf der Basis 212 abgestützt. Bei der Messanordnung in Fig. 31 ist au ßerdem noch eine unten an dem Portal 214 befestigte Umlenkeinrichtung 251 vorhanden, auf die das Messmodul 246 einen
Referenzstrahl einstrahlt, der von der Umlenkeinrichtung 251 direkt zu dem Messmodul 246 zurückreflektiert wird. Dadurch kann der Effekt, den die Einkopplung der
Messstrahlung für die Abstandsmessung in y-Richtung bewirkt, im Wege einer
Referenzmessung des Messmoduls 246 gemessen werden. Dehnt sich z.B. das Portal 214 thermisch aus und vergrößert sich daher der Abstand des Messmoduls 246 zu den Umlenkeinrichtungen 248, 251 , wird dies durch die Abstands-Referenzmessung festgestellt. Der Effekt kann daher bei der Abstandsmessung in y-Richtung kompensiert werden.
Entsprechendes gilt für die Abstandsmessung in z-Richtung. In diesem Fall kann jedoch die ohnehin benötigte Abstandsmessung in x-Richtung als zusätzliche Referenzmessung genutzt werden.
Bei beiden Referenzmessungen ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Messstrecke der Referenzmessung und die Strecke für die Einkopplung der Messstrahlung in die Messstrecke gleich lang sind. Es ist jedoch von Vorteil, wenn diese Strecken ungefähr gleich lang sind. Wenn der Unterschied der beiden Längen oder ihr Verhältnis bekannt ist, kann trotzdem unter Verwendung der Messergebnisse der Referenzmessung eine Korrektur bzw. Kompensation stattfinden.
Der in Fig. 32 dargestellte Messaufbau ist insbesondere bei einer anderen Art von Koordinatenmessgeräten von Vorteil, bei der z.B. parallel zu dem Querträger des Portals etwa auf gleicher Höhe oder leicht darüber oder in geringem Abstand darüber oder darunter ein feststehender Querträger verläuft, der relativ zu der Basis feststeht. In diesem Fall kann auf die Säule 252 verzichtet werden und kann die Umlenkeinrichtung 254 unmittelbar an dem feststehenden Querträger angeordnet werden.
Der in Fig. 31 und 32 gewählte Ort für das Messmodul hat den Vorteil, dass eine stabile Befestigung des Messmoduls möglich ist und die Strahlungswege für die Zuführung der Messstrahlung in die Messstrecken in keinem Fall über zwei Achsen verlaufen, wie es bei einer Anordnung des Messmodul unten an dem Portal der Fall wäre. Wie auch im Fall der Fig. 30 werden für die Ein-/ Auskopplung in die bzw. aus der Messstrecke und die
Umlenkung am Ende der Messstrecke lediglich passive Umlenkeinrichtungen benötigt. Insbesondere kann zumindest eine der in Fig. 29 bis 32 dargestellten Messstrecken auch für eine Rollwinkelmessung genutzt werden, wie bereits beschrieben. Dazu befindet sich z. B. am jeweiligen Ende der Messstrecke eine für die Rollwinkelmessung geeignete Umlenkeinrichtung. Auf diese Weise kann im Vergleich zu einem Inkrementalmaßstab zusätzliche Messinformation gewonnen werden.
Die in Fig. 33 dargestellte Messanordnung weist zumindest eine Strahlungsquelle 130 auf, die optional mit Strahlungsaufbereitungseinrichtungen 132, 134 kombiniert ist, wie z. B. bereits anhand von Fig. 27 und 28 beschrieben wurde. Anstelle der in Fig. 33 (gleiches gilt für Fig. 34) dargestellten Anordnung mit den Einrichtungen 130, 132, 134 kann jedoch auch eine andere Strahlungsquelle mit optionaler Strahlungsaufbereitung vorgesehen sein.
Die erzeugte und optional aufbereitete Messstrahlung wird über einen am Beginn der Messstrecke 161 angeordneten Reflektor 160 in die Messstrecke 161 eingekoppelt und trifft am Ende der Messstrecke auf einen zweiten Reflektor 162, der die Messstrahlung aus der Messstrecke 161 auskoppelt. Alternativ kann sich am Ende der Messtrecke, ähnlich wie bereits anhand von Fig. 27 und Fig. 28 dargestellt wurde, ein Reflektor befinden, der die Messstrahlung in entgegengesetzter Richtung oder nahezu
entgegengesetzter Richtung zurückreflektiert, sodass sie die Messstrecke erneut durchläuft.
Die aus der Messstrecke 161 ausgekoppelte Messstrahlung trifft auf einen
Polarisationsfilter 163, der lediglich Strahlung einer bestimmten Polarisationsrichtung passieren lässt. Alternativ kann eine Umlenkeinrichtung verwendet werden, die lediglich Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung in eine umgelenkte Richtung umlenkt.
Wenn zirkulär polarisierte Messstrahlung die Messstrecke 161 durchläuft und auf den Polarisationsfilter 163 trifft, wird daher lediglich einer der Strahlungsanteile hindurch gelassen oder umgelenkt. Dieser Strahlungsanteil trifft auf eine Etalon-Anordnung 164. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Anordnung, die verschiedene optische Dicken hat, wobei in diesem Fall durch einen nicht dargestellten Strahlteiler der
Strahlungsanteil mit der bestimmten Polarisationsrichtung in mehrere Strahlen aufgeteilt wird, die auf die einzelnen Etalons auftreffen. Schematisch ist in Fig. 33 dargestellt, dass die Intensität der aus den Etalons austretenden Strahlungen durch eine Intensitätsmesseinrichtung 150 gemessen wird. Z. B. kann jedem der Etalons eine Fotodiode oder ein Feld von Fotodioden zugeordnet sein.
Gegenüber der direkten Messung der Strahlungsintensität des am Ausgang des
Polarisationsfilters 163 zur Verfügung stehenden Strahlungsanteils hat die
Messanordnung den Vorteil, dass die Eindeutigkeit der Messung verbessert ist. Jeder der Etalons erzeugt ein eigenes, sich von den anderen Etalons unterscheidendes
Intensitätssignal. Dies gilt jedenfalls im Allgemeinen, da aufgrund der unterschiedlichen optischen Dicken der Etalons auch der freie Spektralbereich verschieden ist und daher der Verlauf des Transmissionsgrades und des Reflexionsgrades der Etalons in dem oben erwähnten sog. ersten Wellenlängenbereich verschieden ist.
Die Anordnung in Fig. 33 wird allerdings nicht bevorzugt, da sie lediglich einen der Strahlungsanteile auswertet. Der andere Strahlungsanteil, der insbesondere in der Richtung senkrecht zu der Polarisationsrichtung des ersten Strahlungsanteils polarisiert ist, wird aber bei der in Fig. 34 dargestellten modifizierten Anordnung zur Messung verwendet.
Gemäß Fig. 34 ist statt des in Fig. 33 dargestellten Polarisationsfilters 163 ein
polarisierender Strahlteiler 167 vorgesehen. Auf die Etalon-Anordnung 164 (die in diesem Fall alternativ auch lediglich einen einzigen Etalon aufweisen kann) wird der erste Strahlungsanteil mit der ersten Polarisationsrichtung eingestrahlt und die aus der Etalon- Anordnung 164 austretende Strahlung wird von der zugeordneten Intensitäts- Messeinrichtung 150 gemessen. Der zweite Strahlungsanteil mit der senkrecht stehenden Polarisationsrichtung wird von dem Strahlteiler 167 auf eine zweite Etalon- Messanordnung 165 (die ebenfalls lediglich einen einzigen Etalon oder mehrere Etalons mit unterschiedlichen optischen Dicken aufweisen kann) eingestrahlt. Die aus dem zumindest einen Etalon austretende Strahlung wird von einer zweiten Intensitäts- Messeinrichtung 170 gemessen, die der Intensitäts-Messeinrichtung 150 entspricht.
Die in Fig. 34 dargestellte Anordnung ist der Verwendung einer Messanordnung mit zumindest einem doppelbrechenden Etalon äquivalent, wenn sich die optischen Dicken der ersten und der zweiten Etalon-Messanordnung 164, 165 voneinander unterscheiden. Umgekehrt folgt daraus, dass ein doppelbrechender Etalon den Vorteil hat, keinen weiteren Etalon zu benötigen. In den anhand von Fig. 33 und Fig. 34 beschriebenen Fällen wird es jeweils bevorzugt, dass (wie z. B. bereits anhand von Fig. 24 erläutert wurde) nicht nur die durch den jeweiligen Etalon transmittierte Strahlung, sondern auch die von dem jeweiligen Etalon reflektierte Strahlung gemessen wird, d. h. es wird eine zusätzliche Intensitäts- Messeinrichtung für die reflektierte Strahlung verwendet.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Messen einer Relativposition von relativ zueinander beweglichen Bauteilen (31 , 34a; 31 , 35; 36, 34a; 38, 41 b; 212, 214, 216, 218) einer Vorrichtung (30; 210), insbesondere eines Koordinatenmessgerätes oder einer
Werkzeugmaschine, wobei ein erstes Bauteil (31 ; 36; 38; 212, 214, 216) und ein zweites Bauteil (34a; 35; 41 b; 214, 216, 218) der Vorrichtung derart relativ zueinander beweglich sind, dass sich mit der Bewegung eine relative Ausrichtung und/oder eine relative Lage des ersten (31 ; 36; 38; 212, 214, 216) und zweiten (34a; 35; 41 b; 214, 216, 218) Bauteils ändert, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
• Bestrahlen zumindest eines Etalons (1 ; 12; 14; 1 12; 146), d.h. eines
Interferometers mit Reflektoren (H, L) zum Reflektieren
elektromagnetischer Strahlung, dessen Reflektoren (H, L) einen optischen Resonator bilden, mit einer elektromagnetischen Strahlung, wobei
- ein Einfallswinkel, mit dem die elektromagnetische Strahlung auf den Etalon (1 ; 12; 14) einfällt, von der relativen Ausrichtung des ersten (31 ; 36; 38) und zweiten (34a; 35; 41 b) Bauteils abhängt und daher die elektromagnetische Strahlung bei einer bestimmten relativen
Ausrichtung der Bauteile (31 , 34a; 31 , 35; 36, 34a; 38, 41 b) mit einem zugeordneten Einfallswinkel auf den Etalon (1 ; 12; 14) einfällt, und/oder
- eine Strahlungsintensität, mit der die elektromagnetische Strahlung auf den Etalon (1 ; 12; 14) einfällt, oder Strahlungsintensitäten, mit denen unterschiedlich polarisierte Teile der elektromagnetischen Strahlung auf den Etalon (1 ; 12; 14) oder auf eine Mehrzahl der Etalons (164, 165) einfallen, von der relativen Lage des ersten (212, 214, 216) und zweiten (214, 216, 218) Bauteils abhängen und daher die unterschiedlich polarisierten Teile der elektromagnetischen Strahlung bei einer bestimmten relativen Lage der Bauteile (212, 214, 216, 218) mit zugeordneten Strahlungsintensitäten auf den Etalon (1 12; 146) oder die Etalons (164, 165) einfallen,
• Messen zumindest einer Strahlungsintensität von aus dem zumindest einen Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146; 164, 165) austretender Strahlung und/oder Messen eines Anteils der auf den Etalon einfallenden oder der erzeugten elektromagnetischen Strahlung, der aus dem Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146; 164, 165) austritt, und Ausgeben eines entsprechenden Messergebnisses, • Ermitteln der relativen Ausrichtung und/oder der relativen Lage aus dem Messergebnis,
wobei ein Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146; 164, 165) verwendet wird, dessen
Transmissionsgrad (T) als Funktion der Wellenlänge (λ) der elektromagnetischen Strahlung entsprechend den Bedingungen für die optische Resonanz der
Reflektoren (H, L) Maxima (m) bei verschiedenen Wellenlängen-Werten aufweist, und wobei der Transmissionsgrad (T) des verwendeten Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146; 164, 165) in einem ersten Wellenlängenbereich (Δλ1 ) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima (m), der sich über das arithmetische Mittel der Wellenlängen bei den aufeinanderfolgenden Maxima (m) hinweg erstreckt, entweder stetig ansteigt oder stetig abfällt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektromagnetische Strahlung, die auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) einfällt, ausschließlich
Wellenlängen aufweist, die innerhalb eines dritten Wellenlängenbereichs (λ^) liegen, der mindestens um einen Faktor zehn, insbesondere mindestens um einen Faktor 100 schmaler ist als der erste Wellenlängenbereich (Δλ1 ).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
elektromagnetische Strahlung, die die unterschiedlich polarisierten Teile aufweist, zirkulär polarisierte elektromagnetische Strahlung ist oder enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
elektromagnetische Strahlung als unpolarisierte oder polarisierte Messstrahlung eine Messstrecke entlang einer geradlinigen Linearachse durchläuft, unpolarisiert oder in einem ersten Polarisationszustand an einem Ende der Messstrecke oder eines Abschnitts der Messstrecke auf eine Polarisationseinrichtung trifft, von der Polarisationseinrichtung abhängig von einem Drehwinkel der zwei relativ um die Linearachse drehbeweglichen Bauteile beeinflusst wird, sodass die Messstrahlung oder ein Teil der Messstrahlung einen zweiten Polarisationszustand erhält, der dem Drehwinkel entspricht, und wird der Drehwinkel und/oder eine Veränderung des Drehwinkels unter Berücksichtigung des zweiten Polarisationszustandes bestimmt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) einfallende elektromagnetische Strahlung vor dem Auftreffen auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) aufgeweitet wird, sodass die durch die
Aufweitung entstandenen verschiedenen Ausbreitungswege der
elektromagnetischen Strahlung unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) parallel zueinander verlaufen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) einfallende elektromagnetische Strahlung von einer
Strahlungsquelle (3; 130) erzeugt wird und wobei die Strahlungsintensität eines Teils der von der Strahlungsquelle (3; 130) erzeugten elektromagnetischen Strahlung, der nicht auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) auftrifft, als
Referenzintensität gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auf den Etalon (1 ; 12; 14) einfallende elektromagnetische Strahlung von einer Strahlungsquelle (3) erzeugt wird und wobei ein erster Teil der von der Strahlungsquelle (3) erzeugten elektromagnetischen Strahlung die elektromagnetische Strahlung bildet, die mit einem von der relativen Ausrichtung des ersten (31 ; 36; 38) und zweiten (34a; 35; 41 b) Bauteils abhängigen Einfallswinkel auf den Etalon (1 ; 12; 14) einfällt, wobei ein zweiter Teil der von der Strahlungsquelle (3) erzeugten elektromagnetischen Strahlung auf einen zweiten Etalon (2) unter einem
Einfallswinkel einfällt, der nicht von der relativen Ausrichtung des ersten (31 ; 36; 38) und zweiten (34a; 35; 41 b) Bauteils abhängt, und wobei eine
Strahlungsintensität der durch den zweiten Etalon (2) hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung gemessen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein kontinuierlicher Bereich für die Ermittlung von möglichen Werten der Relativposition des ersten (31 ; 36; 38; 212, 214, 216) und des zweiten (34a; 35; 41 b; 214, 216, 218) Bauteils durch Einstellung der Wellenlänge oder Frequenz der auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) einfallenden elektromagnetischen Strahlung und/oder durch Einstellen der Ausrichtung des Etalons (1 ; 12; 14) relativ zu dem ersten Bauteil (31 ; 36; 38; 212, 214, 216) und dem zweiten (34a; 35; 41 b; 214, 216, 218) Bauteil eingestellt wird.
9. Anordnung zum Messen einer Relativposition von relativ zueinander beweglichen Bauteilen (31 , 34a; 31 , 35; 36, 34a; 38, 41 b; 212, 214, 216, 218) einer Vorrichtung, insbesondere eines Koordinatenmessgerätes oder einer Werkzeugmaschine, wobei die Anordnung ein erstes Bauteil (31 ; 36; 38; 212, 214, 216) und ein zweites Bauteil (34a; 35; 41 b; 214, 216, 218) aufweist, die derart relativ zueinander beweglich sind, dass sich mit der Bewegung eine relative Ausrichtung und/oder eine relative Lage des ersten (31 ; 36; 38; 212, 214, 216) und zweiten (34a; 35; 41 b; 214, 216, 218) Bauteils ändert, und wobei die Anordnung aufweist:
- eine Strahlungsquelle (3) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, einen Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146), d.h. ein Interferometer mit Reflektoren (H, L) zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung, dessen Reflektoren (H, L) einen optischen Resonator bilden, wobei die Strahlungsquelle und der Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) derart angeordnet sind, dass
- ein Einfallswinkel elektromagnetischer Strahlung, die von der Strahlungsquelle (3) erzeugt wird und die mit dem Einfallswinkel auf den Etalon (1 ; 12; 14) einfällt, von der relativen Ausrichtung des ersten (31 ; 36; 38) und zweiten (34a; 35; 41 b) Bauteils abhängt und daher die elektromagnetische Strahlung, wenn die Bauteile (31 , 34a; 31 , 35; 36, 34a; 38, 41 b) eine bestimmte relative Ausrichtung haben, mit einem zugeordneten Einfallswinkel auf den Etalon (1 ; 12; 14) einfällt, und/oder
- eine Strahlungsintensität, mit der die elektromagnetische Strahlung auf den Etalon einfällt, oder Strahlungsintensitäten, mit denen unterschiedlich polarisierte Teile der elektromagnetischen Strahlung auf den Etalon (1 12; 146) oder auf eine Mehrzahl der Etalons (164, 165) einfallen, von der relativen Lage des ersten (31 ; 36; 38) und zweiten (34a; 35; 41 b) Bauteils abhängen und daher die unterschiedlich polarisierten Teile der elektromagnetischen Strahlung bei einer bestimmten relativen Lage der Bauteile (31 , 34a; 31 , 35; 36, 34a; 38, 41 b) mit zugeordneten Strahlungsintensitäten auf den Etalon (1 12; 146) oder auf die Etalons (164, 165) einfallen,
eine erste Messeinrichtung (4; 5; 6) zur Messung zumindest einer Strahlungsintensität von aus dem Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) oder aus den Etalons (164, 165) austretender Strahlung und/oder Messen eines Anteils der auf den Etalon oder auf die Etalons (164, 165) einfallenden oder der erzeugten elektromagnetischen Strahlung, der aus dem Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) oder aus den Etalons (164, 165) austritt,
eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der relativen Ausrichtung und/oder der relativen Lage des ersten (31 ; 36; 38; 212, 214, 216) und zweiten (34a; 35; 41 b; 214, 216, 218) Bauteils aus einem Messergebnis der ersten Messeinrichtung (4; 5; 6),
wobei der Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146; 164, 165) einen Transmissionsgrad (T) hat, der als Funktion der Wellenlänge (λ) der elektromagnetischen Strahlung entsprechend den Bedingungen für die optische Resonanz der Reflektoren (H, L) Maxima (m) bei verschiedenen Wellenlängen-Werten aufweist, wobei der
Transmissionsgrad (T) des verwendeten Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) in einem ersten Wellenlängenbereich (Δλ1 ) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima (m), der sich über das arithmetische Mittel der Wellenlängen bei den
aufeinanderfolgenden Maxima (m) hinweg erstreckt, entweder stetig ansteigt oder stetig abfällt.
10. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Etalon (1 ; 12; 14) zusätzlich zu den Reflektoren (H, L) zumindest einen Strahlungsabsorber (M) aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, durch den elektromagnetische Strahlung, welche innerhalb des Etalons (1 ; 12; 14) von den Reflektoren (H, L) reflektiert wird, hindurchtritt und dabei teilweise absorbiert wird.
1 1 . Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Anordnung ausgestaltet ist, die elektromagnetische Strahlung, die auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) einfällt, ausschließlich auf Wellenlängen zu begrenzen, die innerhalb eines dritten
Wellenlängenbereichs (λ£) liegen, der mindestens um einen Faktor zehn, insbesondere um mindestens einen Faktor 100, schmaler ist als der erste
Wellenlängenbereich (Δλ1 ), und vorzugsweise einen Laser als Strahlungsquelle (3) aufweist.
12. Anordnung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung einen Zirkularpolarisator aufweist, der zumindest einen Anteil der erzeugten elektromagnetischen Strahlung zirkulär polarisiert oder der Teil der
Strahlungsquelle ist, so dass von der Strahlungsquelle zirkulär polarisierte elektromagnetische Strahlung erzeugt wird.
13. Anordnung nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung eine Messstrecke aufweist, die von elektromagnetischer Strahlung als
unpolarisierte oder polarisierte Messstrahlung entlang einer geradlinigen
Linearachse durchlaufen wird, wobei an einem Ende der Messstrecke oder eines Abschnitts der Messstrecke eine Polarisationseinrichtung angeordnet ist, auf die die elektromagnetischer Strahlung unpolarisiert oder in einem ersten
Polarisationszustand trifft, wobei die Polarisationseinrichtung abhängig von einem Drehwinkel der zwei relativ um die Linearachse drehbeweglichen Bauteile die Messstrahlung beeinflusst, sodass die Messstrahlung oder ein Teil der
Messstrahlung einen zweiten Polarisationszustand erhält, der dem Drehwinkel entspricht, und wobei eine Bestimmungseinrichtung den Drehwinkel und/oder eine Veränderung des Drehwinkels unter Berücksichtigung des zweiten
Polarisationszustandes bestimmt.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9-13, wobei die Anordnung eine
Strahlungs-Aufweitungsvorrichtung (25, 27; 24, 26, 28) aufweist, die im
Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle (3) und dem Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) angeordnet ist und ausgestaltet ist, auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) einfallende elektromagnetische Strahlung vor dem Auftreffen auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) aufzuweiten, sodass die durch die Aufweitung entstandenen verschiedenen Ausbreitungswege der elektromagnetischen Strahlung unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) parallel zueinander verlaufen.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 9-14, wobei die Anordnung eine
Referenzintensitäts-Messeinrichtung (9; 13; 142, 144) aufweist, die ausgestaltet ist, die Strahlungsintensität eines Teils der von der Strahlungsquelle (3; 130) erzeugten elektromagnetischen Strahlung, der nicht auf den Etalon (1 ; 12; 14; 1 12; 146) auftrifft, als Referenzintensität zu messen.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 9-15, wobei die Anordnung ausgestaltet ist, den Etalon (1 ; 12; 14), auf den die elektromagnetische Strahlung mit einem von der relativen Ausrichtung des ersten (31 ; 36; 38) und zweiten (34a; 35; 41 b) Bauteils abhängigen Einfallswinkel einfällt, mit einem ersten Teil der von der Strahlungsquelle (3) erzeugten elektromagnetischen Strahlung zu bestrahlen und einen zweiten Etalon (2) mit einem zweiten Teil der von der Strahlungsquelle (3) erzeugten elektromagnetischen Strahlung zu bestrahlen, wobei der zweite Teil der elektromagnetischen Strahlung auf den zweiten Etalon (2) unter einem
Einfallswinkel einfällt, der nicht von der relativen Ausrichtung des ersten (31 ; 36; 38) und zweiten (34a; 35; 41 b) Bauteils abhängt, und wobei die Anordnung eine Strahlungsintensitäts-Messeinrichtung (15) aufweist, die ausgestaltet ist, die Strahlungsintensität der durch den zweiten Etalon (2) hindurchtretenden elektromagnetischen Strahlung zu messen.
17. Sensor für ein Koordinatenmessgerät mit einer Anordnung nach einem der
Ansprüche 9-16, wobei die Ermittlungseinrichtung der Anordnung optional nicht Teil des Sensors ist, wobei der Sensor ausgestaltet ist, mit einem mechanisch abtastenden Taster zum Abtasten eines zu vermessenden Werkstücks gekoppelt zu werden, so dass das erste Bauteil (31 ; 36; 38; 212, 214, 216) und das zweite (34a; 35; 41 b; 214, 216, 218) Bauteil beim Abtasten des Werkstücks relativ zueinander bewegt werden.
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