DD217619A1 - Vorrichtung insbesondere zur wegmessung - Google Patents

Abstract

Mit der Vorrichtung, insbesondere zur Wegmessung, kann die Aufloesung interferentieller Wegmesssysteme mit optischen Methoden erhoeht werden. Es sind Aufloesungen l/8, l/12, l/16, ... realisierbar. Die Erhoehung der Aufloesung wird durch einen Mehrfachdurchgang des Laserstrahles durch den Messweg erreicht. Es sind symmetrische und asymmetrische Vorrichtungen moeglich. Weiterhin kann der Strahlengang in einer oder mehreren Ebenen verlaufen. Als kippinvariante Reflektoren werden vorzugsweise Tripelstreifen und Tripelprismen verwendet. Fig. 1

Description

-Titel der Erfindung .

Vorrichtung, insbesondere zur Wegmessung Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Erhöhung des Auflösungsveimcigens,insbesondere an interferentfellen Wegmeßelementen, mit einem läeßweg bis ca« 20 mm· Außerdem kann mit dieser Vorrichtung auch die Auflösung von Meßwandlern für Meßgrößen, die sich auf den Weg abbilden

lassen, erhöht werden· ,

,. \ * . -

i. .. '

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind eine Reihe von Vorrichtungen zur Wegmessung bekannt. Die elektrische Wegmessung erfolgt häufig mit induktiven Meßwandlern (siehe E.F. Grave "Elektrische Messung nichtelektrischer Größen"). Diese Meßwandler liefern ein analoges Ausgangssignal und besitzen Fehlergrenzen von ca. 0,5 %.

Damit sind sie nur für kleine Meßbereiche bei ?rä2isionsmessungen mit Fehlern ^ - 1 ,um verwendbar. ' '

Vorrichtungen, die Impuls- oder Inkrementalmaßstäbe einsetzen, erreichen ileßgenauigkeiten von - 1 ,um (siehe Lieferübersicht Fa« Heidenhain 1982). Das ist in vielen Fällen nicht ausreichend.

Zur Präzisionsmessung großer Längen (ca. 1m) werden Interferometer unterschiedlichster Bauart eingesetzt (siehe Laser Interferometer Metrilas M100E Prospekt von Sorq, Frankreich und Hewlett Packard Prospekt zu 5526 A Laser Measurement System). Hierbei handelt es sich unl sehr aufwendige Apparaturen mit großen geometrischen Abmessungen. Sie sind

für die Messung kleiner Längen somit angeeignet, Hach DD-PS 137 619 ist eine Vorrichtung, insbesondere zur digitalen Kraftmessung bekannt,-die dadurch gekennzeichnet ist, daß der aus einem Stück gefertigte-, Verformungskörper aus einem biegesteifen Grundkörper, der fest im Gestell gehaltert ist und an dem ein optischer Teiler und Interferometerspiegel sowie ein kippinvarianter Reflektor fest angebracht sind, und einer Biegeplatte, an der die zu messende Kraft P angreift, und an der ein kippinvarianter Reflektor fest angeordnet ist, besteht. Diese Variante besitzt nur eine optische Auflösung von '/4,

Eine Möglichkeit der Erhöhung der Auflösung dieser Interferometer stellen die elektronischen Interpolatoren dar. Mit mehr oder weniger großem elektronischen Aufwand können erhebliche Interpolationsfaktoren erzielt werden, wobei zu beachten ist, daß mit steigendem Faktor die analogen Fehlereinflüsse und die Anforderungen an die Lichtquellenstabilität rapide steigen·

Eine weitere Möglichkeit der Erhöhung der Auflösung, die für sich allein als auch in Verbindung mit elektronischen laterpolatoren angewandt werden kann und dabei die optimale Ausnutzung des Meßelements erlaubt, stellt die Methode der optischen Vervielfachung dar. Hierbei erreicht man die Auflösungssteigerung nicht über analoge Zwischengrössen, sondern weiterhin über eine direkte digitale Meßwertwandlung. Eine geeignete Anordnung von seriellen Optikbauteilen gestattet ein mehrfaches Reflektieren der Lichtbündel im Meßstrahlengang, Durchläuft dieses Bündel den Meßkanal, auf den die Längenänderung übertragen wird, x-mal, ergibt sich die optische Auflösung in einfacher Weise mit:

TV - Wellenlänge des Lichtes im •Medium

Im STJ-US 407 185 wird zwischen zwei gleichgroßen geringfügig versetzten Tripelprismen das von einem Teilerwürfel kommende Strahlenbündel eingespiegelt und entsprechend der Versetzung mehrfach hin und her reflektiert. Sin Tripelprisma ist gestellfest und das zweite Tripel-

prisma ist am Meßwagen angeordnet. Am Tripelprisma des Meßwagens befindet sich in der verlängerten Mittelachse ein Planspiegel, der das ins Zentrum treffende Strahlenbündel in sich zurück zum Teilerwiirfel reflektiert."Nimmt man die Versetzung zwischen Binfallatrahl und Achse des beweglichen Tripelprisma^ mit c und die Versetzung bei der Tripelprismenachsen mit ν an, so erhalt man It. Berechnungsvorschrift dieses Patentes die Auflösung mit

_{A β} Λ , JL. k_? 3, 2k 2<-f+1)

d· h· es können folgende Auflösungen erzielt werden:

. , λ λ. A.

. ^{a l} 6' 10» H "*^;

Besonders nachteilig sind die auf den Tripelprismen des Meßwagens befestigten Planspiegel. Bei Kippungen des Meßwagens bleibt zwar durch die Art der gegenseitigen Anordnung der Planspiegel der Streifenabstand im Interferenzbild erhalten, jedoch das reflek- -tierte Strahlenbündel wandert um den doppelten Kippwinkel aus und es entstehen Meßfehler, die noch mit der Anzahl der Reflexionen ansteigen·

₁DE-AS 2658629 ist eine Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit einem elastischen Meßglied bekannt, das einerseits an einem beweglichen Teil befestigt ist und andererseits gehäusefest abgestützt ist, wobei die Auslenkung des beweglichen Teils aus seiner Ausgangsstellung ein Maß für die zu bestimmende Kraft oder Masse ist, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil wenigstens zwei Spiegel trägt, von denen jeweils einer in einem Arm eines Interferometers derart angeordnet ist, daß bei Auslenkung des beweglichen Teils die beiden Arme des Interferometers in entgegengesetzten Richtungen in ihrer Länge verändert werden.

Bei höheren Auflösungsfaktoren ist der optische Bauelementeaufwand enorm, d.h. für z.B« eine Auflösung von -rx werden neun Umlenkspiegel und zwei Tripelprismen oder sechs Tripelspiegel insgesamt benötigt. Weiterhin ist die Anordnung so gestaltet, daß die Strahlenbündel nach der Mehrfachreflexion in sich zurückfallen (ebenfalls wie in SU-US 407 185)·

Weiterhin zeigt diese Vorrichtung gelbst bei der Verwendung von zwei Tripelprismen gemäß letztem Unteranspruch._. nur in einer Richtung Kippinvarianz.

Ziel der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die digitale Auflösung des Systems ohne Verwendung analoger Zwischenschritte zu erhöhen* Damit bleiben bei der erhöhten Auflösung die Vorteile der digitalen Meßtechnik erhalten· Im Vergleich zu bereits bekannten Lösungen zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, daß sie einen einfachen optischen Aufbau mit minimalem Einsatz von seriellen Optikbauelementen besitzt, Sie kann in einfacher Weise in bestehende·Interferometereinrichtungen eingebaut werden, ohne daß die Kippinvarianz des Systems verloren geht. Weiterhin wird mit der Vorrichtung eine antiparallele Versetzung zwischen ein- und austretendem Strahlenbündel erreicht, so daß eine Nutzung.der Michelson-Interferometer mit angesprengten Planspiegeln möglich ist,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung insbesondere zur Wegmessung zu schaffen, die einen einfachen optischen Aufbau mit einem minimalen Einsatz von Optikbauteilen verbindet, bei verschiedenen Zweistrahlinterferometervarianten im Anwendungsfall kippinvariant bleibt und eine hohe Auflösung gewährleistet.

Srfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem Rahmen ein optischer Strahlteiler mit Oberflächenspiegeln, auf dem zwei feste kippinvariante Reflektoren befestigt sind, und ein fester kippinvarianter Reflektor angebracht sind, daß ein beweglicher kippinvarianter Reflektor über eine Halterung an einem Heßbolzen, der in einer Geradführung läuft, die am Rahmen angebracht ist, so befestigt ist, daß der optische Strahlteiler und die darauf angebrachten kippinvarianten Reflektoren gleiche Stirnhöhe und die anderen kippinvarianten Reflektoren mindestens doppelt so große Stirnhöhen besitzen- und daß die Zentralstrahlen der größeren kippinvarianten Reflektoren jeweils auf die Berührungsfläche zwischen

optischem Strahlteiler und den kleineren kippinvarianten Reflektoren in der Mitte der jeweiligen Strahldurchtrittsflache des optischen Strahlteilers so gerichtet sind, daß die optischen Achsen der durch die größeren kippinvarianten Reflektoren hindurchgehenden Strahlenbündel auf den Strahleintrittsflächen der größeren kippinvarianten . Reflektoren jeweils ein Quadrat aufspannen.

Die kleineren kippinvarianten Reflektoren können gleiche, aber eine andere Stirnhöhe als der optische Strahlteiler besitzen und die größeren kippinvarianten Reflektoren haben eine Stirnhöhe mindestens so groß, wie die Addition der Stirnhöhen von optischen Strahlteiler und kleineren kippinvarianten Reflektoren ergibt, wobei die Zentralstrahlen der größeren kippinvarinaten Reflektoren in halber Höhe der Gesamtstirnhöhe vom optischen Teiler und dem kleineren kippinvarianten Reflektor senkrecht über dem Flächenschwerpunkt der Strahldurchtrittsflachen des optischen Teilers auf die kleineren kippinvarianten Reflektoren oder den optischen Teiler gerichtet sind.

Die festen kleineren kippinvarianten Reflektoren können am Rahmen angebracht sein. \

Weiterhin ist es möglich, daß alle kippinvarianten Reflektoren in einer Ebene mit dem optischen Strahlteiler liegen, wobei die kippinvarianten Reflektoren jedes Interferometerarmes gleiche Stirnhöhe haben«

An Stelle der kippinvarianten Reflektoren des Referenzstrahlenganges kann ein Oberflächenspiegel vorgesehen werden.

Beide Oberflächenspiegel können am Rahmen befestigt sein. ,

Die kippinvarianten Reflektoren sind als Tripelstreifen oder Tripelprismen ausgebildet.

Wird ein paralleles monochromatisches Lichtstrahlenbündel, voraugsweise ein aufgeweitetes Laserstrahlbündel, z.B. auf den optischen Strahlteiler eines Michelson-Interferometera bekannter Bauart geleitet, so erfolgt eine Aufteilung in zwei Teilstrahlbündel: das

strahlbündel und das Sef erenzstrahlbündel. Das Referenzstrahlbündel kann sowohl bei besonderen Ausführungen ähnlich dem Meßstrahlbündel umgelenkt werden als auch z.B. durch einen Oberflächenspiegel direkt zum Strahlteiler zurück geworfen werden. Das Meßstrahlbündel trifft außermittig auf den beweglichen kippinvarianten Reflektor. Hach dem Durchlauf des Bündels durch den kippinvariänten Reflektor trifft es antiparallel und um einen entsprechenden Abstand zu sich selbst verschoben aus dem beweglichen kippinvarianten Reflektor aus und trifft auf den festen kippinvarianten Reflektor. ·

Dieser kippinvariante Reflektor ist so angeordnet, daß sein Zentralstrahl bei senkrechtem Strahleinfall um einen Betrag gegen den Zentralst rahl des beweglichen kippinvarianten Reflektors versetzt ist. Im einfachsten Pail liegen die optische Achse/OA des aus dem Strahlteiler austretenden Meßstrahlbündels, die Zentralachse des beweglichen kippinvarianten Reflektors BS und die Zentralachse des festen kippinvarianten Reflektors PS in einer Ebene. Der feste kippinvariante Reflektor wirft das Bündel wiederum antiparallel und entsprechend versetzt auf den beweglichen kippinvarianten Reflektor zurück. Somit durchläuft das Strahlbündel nach Art einer sich einschnürenden und wieder öffnenden Spirale mehrfach die gesamte Anordnung und damit auch mehrfach die Meßstrecke«

- '-

Die maximale Kantenlänge 1 des beweglichen kippinvarianten Reflektors in der durch FS, BS und OA bestimmten Ebene muß iin folgenden Verhältnis zu der Versetzung ν stehen, wenn ein vernünftiger Strahlendurchlauf erzielt werden soll 1 a 2 η . ν, wobei η β 2, 3» 4·,, 5. ·.. ist. Die Kantenlänge I¹ in der durch FS, BS, OA bestimmten Ebene des festen kippinvarianten Reflektors ergibt sich mit 1' « 1 - 2 v,. . _

J>ie optimale' Anordnung kann weiterhin so ausgeführt werden, daß der Verlauf des mehrfachreflektierenden Strahlbündels nicht nur in einer Ebene liegt, sondern im Raum erfolgt.

Dabei liegen die optische Achse des einfallenden Lichtstrahles, die Zentralachse des bewegliehen kippinvarianten Reflektors und die Zen-

tralaclase des festen kippinvarianten Reflektors parallel zueinander, jedoch nicht in einer Ebene.· Die senkrecht zu den Achsen stehende x-y-Ebene wird so definiert, daß die Zentralachse des beweglichen .kippinvarianten Reflektors durch den Koordinatenurs prang dieser Ebene verläuft· Die optische Achse des einfallenden Strahlbündels habe dann die beliebigen Koordinaten P. (b,a) und die Zentralachse des festen kippinvarianten Reflektors die Koordinaten Ρ__σ(0, -ν), d.h. die Zen-

ä w

tralachsen der kippinvarianten Reflektoren sind um den Betrag ν versetzt« Die Koordinaten des Strahlaustrittspunktes aus dem festen kippinvarianten Reflektor ergeben sich nach η Strahldurchläufen bei fehlerfreien Reflektoren mit P » (b, a-2n«v).

Der räumlich versetzte Strahldurchlauf ermöglicht einen kompakten Meßauftau. Bei Verwendung z«3« eines Michelson-Interferometers kann der gestellfeste kippinvariante Reflektor fest mit dem Strahlteiler verbunden sein«

Ausführungsbeia-piel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden« Die zugehörige Zeichnung zeigt:

Fig. 1: Vorrichtung, Insbesondere zur Wegmessung

Fig. 2: Prinzipielle Anordnung ;

Pig« 3: Strahldurchlauf, bei Versetzung in zwei Ebenen

Der bewegliche Meßtripelstreifen 2 ist nach 3?ig. 1 mit einer Halterung β am Heßbolzen 7 der Geradführung 8 angebracht, die fest mit dem Rahmen verbunden ist. Am Rahmen 9 sind der Strahlteiler 5-mit den beiden Oberflächenspiegeln 10 und 11 sowie dem festen kippinvarianten Reflektor T und den kippinvarianten Referenzreflektoren 3 und 4 befestigt. Der feste Reflektor 1 und der Referenzreflektor 3 sowie der bewegliche Meßreflektor 2 und der Referenzreflektor 4 haben paarweise gleiche Größe. Der mit dem System zu messende Weg wird mit dem Meßbolaen 7 abgetastet und in die Int erferomet eranordnung übertragen«. Die Michelson-Int erferomet eranordnung wird durch einen Laser 12, dessen Strahl im Teleskop 13 aufgeweitet wird, beleuchtet. Das Interferenzbild wird durch Fotoempfänger 14 abgetastet und die Irapulsformerstufe 15 und den Vor-Rückwärts-Zähler 16 ausgewertet.

Die kippinvarianten Reflektoren 1 und 2 nach Fig· 2 können in ihrer Punktion auch vertauscht sein* Der bewegliche Reflektor 2 besitzt die Zentralachse BS, der feste Heßreflektor 1 die Zentralachse 5¹S. Beide Zentralachsen BS und FS verlaufen parallel zueinander. Der in die Anord«- nung einfallende Lichtstrahl OA liegt ebenfalls parallel-zu den Zentralachsen BS und 5¹S. Liegen OA, BS und S¹S in einer Ebene, verlaufen alle zwischen den Reflektoren 1 und 2 reflektierten Strahlen einschliesslich des aus der Anordnung austretenden Strahles OA'in der selben Ebene« Der austretende Strahl OA' verläuft antiparallel zum einfallenden Strahl OA.

Der Lichtstrahl durchläuft die Strecke s der Anordnung genau /v-mal, wenn 1 » 2 η .ν gilt, wobei η = 2, 3, 4, 5, ... ist. Eine Verschiebung des beweglichen Meßtripelstreifens 2 um den Betrag ^ s parallel zu B S bewirkt eine Verlängerung des geometrischen Weges des Lichtstrahles um Δ s · —..^; Bei einer Wellenlänge.·\ des Lichtstrahles er-

⁷ ' ' ' % ν

gibt sich die Auflösung A des optischen Systems zu A a — . — , S3

""LX' "V können Auflösungen A » *r-, -rr, rr, ... erreicht werden.

Die Zentralachsen BS und PS und die optische Achse OA des einfallenden Strahles sind nach Pig. 3 nicht in einer Ebene, verlaufen aber parallel zueinander. Die x-y-Ebene steht dabei senkrecht zu OA, BS und PS. Die Punkte P₃, stellen die Strahleintritts punkte des beweglichen" Meßreflektors 2 und die Strahlaustrittspunkte des festen Meßreflektors 1 dar. Die Punkte P ' sind die Strahlaustrittspunkte des beweglichen Meßre-

r .

flektors 2 und die Strahleintrittspunkte des festen Meßreflektors T. P ist der Schnittpunkt der optischen Achse OA mit der Strahldurchtrittsfläche des beweglichen Meßreflektors 2_# P ' der Sclinittpunkt der optischen Achse OA,mit dem selben Meßreflektor. Die Punkte P , P₁,...

...,P und P», P«, ... P' besitzen die Koordinaten laut Pig. 3. r ο ι . r

Die Größe der Läufvariable r wird dabei von den geometrischen Größen 1, 1', ν und a festgelegt.

Der Strahldurchlauf durch die Referenzreflektoren 3 und 4 erfolgt in gleicher Weise, wie in Pig. 2 und Pig« 3 dargestellt ist.

Claims (7)

1. .Brfindung3ans"pruch '

   1k Vorrichtung, insbesondere zur Wegmessung, bestehend aus Geradfüh-v rung mit Meßbolzen, mechanischen Teilen, Interferometer mit optischem Teiler, festen und beweglichen kippinvarianten Reflektoren, monochromatischer Lichtquelle, optischen Systemen, fotoelektrischen Empfängern, Impulsformerstufe und Vor-Rückwärts-Zähler, dadurch gekennzeichnet, daß . an einem Rahmen (9) ein optischer Strahlteiler (5) mit Oberflächenspiegeln (10 und 11), auf dem zwei feste kippinvariante Reflektoren (1) und (3) befestigt sind, und ein fester kippinvarianter Reflektor (4) angebracht sind, daß ein beweglicher kippinvarianter Reflektor (2) über eine Halterung (6) an einem Meßbolzen (7), der in einer Geradführung (8) läuft, die am Rahmen (9) angebracht ist, so befestigt ist, daß der optische Strahlteiler (5) und die kippinvarianten Reflektoren (1 und 3) gleiche Stirnhöhe und die kippinvarianten Reflektoren (2 und 4) mindestens doppelt so große Stirnhöhen besitzen und das die Zentralstrahlen der kippinvarianten Reflektoren (2 bzw« 4) jeweils auf die Berührungsfläche zwischen optischem Strahlteiler (5) und kippinvarianten Reflekto-. ren (1 und 3) in der Mitte der jeweiligen Strahldurchtrittsflache des optischen Strahlteilers (5) so gerichtet sind, daß die optischen Achsen der durch die kippinvarianten Reflektoren (2 und 4) hindurchgehenden \ Strahlenbündel auf den Strahleintrittsflächen der kippinvarianten Reflektoren (2 und A) jeweils ein Quadrat aufspannen·
2. 2« Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet { daß die kippinvarianten Reflektoren (1 und 3) gleiche, aber eine andere Stirnhöhe, als der optische 3trahlteiler (5) besitzen und die kippinvarianten Reflektoren (2 und 4) eine Stirnhöhe mindestens so groß wie die Addition der Stirnhöhen von optischem Strahlteiler (5) und kippinvariantem Reflektor (1 oder 3) besitzen und daß die Zentralstrahlen der kippinvarianten Reflektoren (2 und 4) in halber Höhe der Gesamtstirnhöhe vom optischen Teiler (5) und kippinvarianten Reflektor (1) bzw. (3) senkrecht über dem Flächenschwerpunkt der Strahldurchtrittsflachen des optischen Teilers (5) auf die kippinvarianten Reflektoren (1) bzw. (3) oder den optischen Teiler (5) gerichtet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die festen kippinvarianten Reflektoren (1 und 3) fest am Rahmen (9) angebracht sind.
4. 4. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die festen kippinvarianten Reflektoren (1 und 3) mit dem optischen Strahlteiler (5) in einer Ebene liegen und daß die kippinvarianten Reflektoren (1 und 2) baw. (3 und 4) paarweise gleiche Stirnhöhe haben.
5. 5^:. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der kippinvarianten Reflektoren (3 und 4) der Oberflächenspiegel (11) vorgesehen ist. _s ,
6. 6. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet«daß die Oberflächenapiegel (10)und(11) fest am Rahmen (9) angebracht sind«
7. 7· Vorrichtung nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kippinvarianten Reflektoren (1,2,3»4) als Tripelstreifen und Tripelprismem ausgebildet sind. ^