DD140791B1 - METHOD FOR THE CONTINUOUS MEASUREMENT OF THE WAVE LENGTH OF FREQUENCY-STABILIZED LASER WAY MEASURING SYSTEMS - Google Patents

Description

Verhältnisse sind im Vakuum gegeben. Beim Universal-Einfach-Repeater UER des Kombinat VEB Carl Zeiss JENA werden die Meßstrahlen in evakuierten Rohren geführt'(Jenaer Rundschau 1977, H. 4, S. 168). Da sich die Länge des evakuierten Rohres mit dem Meßweg ständig ändern muß, ergeben sich konstruktive Probleme bei der Abdichtung des evakuierten Rohres _und zur Aufbringung der notwendigen Kräfte zur Verschiebung des mit dem Präzisionskoordinatentisch verbundenen teleskopartigen evakuierten Rohres.Conditions are given in a vacuum. In the universal single repeater UER of the VEB Carl Zeiss JENA combine, the measuring beams are guided in evacuated tubes' (Jenaer Rundschau 1977, H. 4, p. 168). Since the length of the evacuated tube must constantly change with the measuring path, constructive problems arise in the sealing of the evacuated tube and the application of the necessary forces for displacement of the telescope-like evacuated tube connected to the precision coordinate table.

Ein verbreitetes Verfahren ist die rechnergesteuerte Korrektur der Meßwerte des Laser-Wegmeßsystems nach den bei Beginn des Meß- oder BearbeitungsVorganges konventionell ermittelten Anfangsdaten Druck und Temperatur (Feingerätetechnik 1976, H. 6, S. 256). Bei längeren Bearbeitungszeiten sind es insbesondere Druckschwankungen durch Klimaanlagen oder meteorologische Vorgänge, die eine kontinuierliche Korrektur entsprechend den momentanen Daten verlangen. Der Aufwand für die kontinuierliche digitale Messung der einzelnen Umweltfaktoren (Druck, Temperatur, Feuchte, CCL-Gehalt) und ihre rechentechnische Verarbeitung zur Meßwertkorrektur ist recht hoch. Es lag daher nahe, den Brechwert der Luft direkt interferometrisch zu messen. Die BRD-Auslegeschrift 1 235 601 beschreibt ein zusätzlich zur eigentlichen interferometrischen Meßeinrichtung vorhandenes Normalinterferometer zur Überwachung des Brechwertes der Luft. Bei einer Abweichung vom definierten Anfangswert wird der Druck innerhalb des gesamten hermetisch abgedichteten Gerätes automatisch korrigiert. Die Anfangswerte für Druck, Temperatur usw. werden gemessen und durch Veränderung des Anfangsdruckes der gewünschte Brechwert eingestellt. Neben diesem Nachteil ist der druckdichte Mantel mit einem hohen Aufwand und mit Nachteilen im industriellen Einsatz solcher Geräte (Beschickung) verbunden. (Siehe auch Feingerätetechnik, 1974, H. 6, S. 274.) In der BRD-Auslegeschrift 1 623 300 ist eine Kompensationseinrichtung mit einem rein optischen Wirkprinzip verbunden. Durch ein in den Laser-Strahlengang eingeschaltetes Beugungsgitter erfährt der Meßstrahl eine vom Brechwert der Luft abhängige Ablenkung. Bei Einhaltung bestimmter geometrischer Verhältnisse des gesamten Interferometersystems ergibt sich eine Kompensation des Meßfehlers.A common method is the computer-controlled correction of the measured values of the laser displacement measuring system according to the beginning of the measuring or machining process conventionally determined initial pressure and temperature data (Feingerätetechnik 1976, H. 6, p 256). For longer processing times, it is in particular pressure fluctuations by air conditioning or meteorological processes that require a continuous correction according to the current data. The effort for the continuous digital measurement of the individual environmental factors (pressure, temperature, humidity, CCL content) and their computational processing for measured value correction is quite high. It was therefore natural to measure the refractive index of the air directly by interferometry. Federal Republic of Germany Patent Application 1 235 601 describes a standard interferometer, in addition to the interferometric measuring device, for monitoring the refractive power of the air. In the event of a deviation from the defined initial value, the pressure within the entire hermetically sealed device is automatically corrected. The initial values for pressure, temperature, etc. are measured and adjusted by changing the initial pressure of the desired refractive power. In addition to this disadvantage, the pressure-tight jacket with a high cost and disadvantages in the industrial use of such devices (charging) is connected. (See also Feingerätetechnik, 1974, H. 6, p. 274.) In the Federal Republic of Germany 1 623 300 a compensation device with a purely optical operating principle is connected. By a switched into the laser beam path diffraction grating, the measuring beam undergoes a dependent of the refractive power of the air deflection. In compliance with certain geometric conditions of the entire interferometer results in a compensation of the measurement error.

Im DDR-Wirtschaftspatent 186 777 und in der Zeitschrift Feingerätetechnik, 1976, H. 7, S. 307 wird ebenfalls die interferometrische Überwachung von Veränderungen des Brechwertes über eine konstante Normalstrecke beschrieben. Neben dem bereits genannten Verfahren der Eingabe der Anfangsdaten wird vorgeschlagen, den Anfangszustand durch ein dynamisches interferometrisches Ausmessen einer festen Maßverkörperung (z. B. Strichmaßstab) mit einem Laser-Wegmeßsystem zu erfassen. Neben dem hohen Aufwand an bewegter Mechanik sind Fehler durch thermische Instabilitäten der festen Maßverkörperung durch zusätzliche, z. B. lichtelektrische Abtastsysteme und durch Kippfehler beim Ablauf des dynamischen Meßvorgangs möglich.In the GDR business patent 186 777 and in the journal Feingerätetechnik, 1976, H. 7, p. 307, the interferometric monitoring of changes in refractive power over a constant normal distance is also described. In addition to the above-mentioned method of inputting the initial data, it is proposed to detect the initial state by means of a dynamic interferometric measurement of a solid material measure (eg line scale) with a laser displacement measuring system. In addition to the high cost of moving mechanics are errors due to thermal instabilities of solid material measure by additional, z. B. photoelectric scanning and tilt error in the course of the dynamic measurement process possible.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist ein einfaches, zuverlässiges, automatisches Verfahren zur Messung der Wellenlängen eines frequenzstabilisierten Lasers bei wechselnden Umwelteinflüssen zum Zweck der Fehlerkompensation in Präzisionsmeß- und bearbeitungsgeräten.The aim of the invention is a simple, reliable, automatic method for measuring the wavelengths of a frequency-stabilized laser with changing environmental influences for the purpose of error compensation in Präzisionsmeß- and processing equipment.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Nachteil der bisher bekannten Verfahren ist der Umstand, daß der Anschluß der von einem Normalinterferometer erfaßbaren zeitlichen Veränderungen des Brechwertes der Luft an den Anfangswert entweder durch subjektive Messungen der einzelnen Einflußgrößen oder mit aufwendigen selbst fehlerbehafteten Vergleichsmessungen geschieht. Aufgabe der Erfindung ist ein einfaches Verfahren, mit dem ebenso der Anfangszustand wie auch Veränderungen des Brechwertes der Luft in unmittelbarer Nähe .des eigentlichen Laser—Wegmeßsystems kontinuierlich gemessen werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Wellenlänge frequenzstabilisierter Laser-Wegmeßsysteme in Präzisionsmeß- und -bearbeitungsgeräten bei veränderlichen Umwelteinflüssen wie Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit durch Überwachen einer bekannten Normalstrecke mit einem zusätzlichen, ebenfalls frequenzstabilisierten Laser-Wegmeßsystem, dessen beide Strahlen gleich lange Gesamtwege zwischen Interferometer und Prisma oder Spiegel sowie gleich lange Teilwege im Glas durchlaufen und nach Reflexion an zwei Spiegeln oder Prismen zur Interferenz gelangen, wobei die zeitlichen Veränderungen der Interferenzen optoelektronisch gezählt werden, folgende Verfahrensschritte mit der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden: Ein Raum von der Länge der Normalstrecke, den einer der beiden Strahlen des zusätzlichen Laser-Wegmeßsystems durchläuft, wird mit Luft gefüllt und anschließend langsam evakuiert. Dabei wird in bekannter Weise durch Zählung der Interferenzwechsel die Wellenlänge dieses Strahles mit der bekannten Wellenlänge im Vakuum verglichen. Auftretende Veränderungen in der Umwelt, d. h. in unmittelbarer Nähe des eigentlichen Laser-Wegmeßsystems, werden über die dadurch auftretenden Wellenlängenänderungen vom zweiten Strahl des zusätzlichen Laser—Wegmeßsyetems, der einen dir NormalstrecKe entsprechenden Weganteil in der Luft verläuft, kontinuierlich gemessen.Disadvantage of the previously known methods is the fact that the connection of the detectable by a standard interferometer temporal changes in the refractive power of the air to the initial value either by subjective measurements of the individual influencing variables or with complex even error-prone comparison measurements. The object of the invention is a simple method, with which also the initial state as well as changes in the refractive power of the air in the immediate vicinity of the actual laser Wegmeßsystems be measured continuously. According to the invention the object is achieved in that in a method for continuously measuring the wavelength of frequency-stabilized laser Wegmeßsysteme in Präzisionsmeß- and -bearbeitungsgeräten with variable environmental influences such as pressure, temperature and humidity by monitoring a known normal distance with an additional, also frequency-stabilized laser displacement measuring system, whose two beams pass through equally long total paths between interferometer and prism or mirror and equally long partial paths in the glass and come to interference after reflection at two mirrors or prisms, wherein the time changes of the interferences are counted optoelectronically, the following method steps are carried out in the order given: A space of the length of the normal distance, which passes through one of the two beams of the additional laser Wegmeßsystems is filled with air and then slowly evacuated. In this case, the wavelength of this beam is compared with the known wavelength in a known manner by counting the interference change in the vacuum. Emerging changes in the environment, d. H. in the immediate vicinity of the actual laser Wegmeßsystems be continuously measured on the resulting wavelength changes from the second beam of the additional Laser Wegmeßsyetems, which runs a you normalstrecKe corresponding path portion in the air.

Man erhält somit schon während des Evakuierens und darüberhinaus jederzeit Aufschluß über den absoluten Brechwert der Luft bzw. die Wellenlänge des Laserstrahles, so daß über einen Steueirechner kontinuierlich die Meßwerte der Laser-Wegmeßsysteme des Präzisionsmeß- oder -bearbeitungsgerätes korrigiert werden können.Thus, even during evacuation and beyond, information is always obtained about the absolute refractive index of the air or the wavelength of the laser beam so that the measured values of the laser distance measuring systems of the precision measuring or processing device can be continuously corrected by means of a control computer.

Ausführungsbeispielembodiment

In der Zeichnung ist eine Einrichtung dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.The drawing shows a device with which the method according to the invention can be carried out.

Der aus dem Interferometer 1 austretende Meßstrahl 2 durchläuft die im evakuierbaren Rohr 3 befindliche Vergleichsstrecke bekannter Länge, wird am Winkelspiegel 4 reflektiert und kommt im Interferometer 1 mit dem am Winkelspiegel б reflektierten Referenzstrahl 5 zur Interferenz. Die beiden Winkelspiegel 4 und б befinden sich auf einer temperaturstabilen Grundplatte 7, wobei die beiden Interferenzstrahlen 2 und 5 gleich lang sind. Die Glaswege 8 und die Weganteile der außerhalb_sdes evakuierbaren Rohres 3 kompensieren sich in ihrer optischen Wirkung mit entsprechenden Weganteilen 10 und 11 im Referenzstrahl 5. Optisch wirksam bleiben also der Weganteil im Rohr 3 und ein gleich langer des Referenzstrahles 5 in der Luft.The measuring beam 2 emerging from the interferometer 1 passes through the comparison section of known length located in the evacuatable tube 3, is reflected at the angle mirror 4 and comes into interference in the interferometer 1 with the reference beam 5 reflected at the angle mirror. The two angle mirrors 4 and б are located on a temperature-stable base plate 7, wherein the two interference beams 2 and 5 are the same length. The glass paths 8 and the path portions of the outside _s of the evacuable tube 3 compensate each other in their optical effect with corresponding path portions 10 and 11 in the reference beam 5. Visually effective thus remain the path portion in the tube 3 and an equal length of the reference beam 5 in the air.

Das Rohr 3 wird nach dem Einschalten des Interferenzzählers langsam mittels einer Vakuumpumpe 12 evakuiert. Die Belüftungsventile 13 sind dabei geschlossen. Von Beginn an wird während des Evakuierens des Rohres 3 durch Zählung der Interferenzwechsel die Wellenlänge des Meßstrahles 2 laufend ermittelt und nach Erreichen des Vakuums mit der bekannten Wellenlänge im Vakuum verglichen. Während des Betriebes des Meß- oder Bearbeitungsgerätes bleibt das Rohr 3 evakuiert. Veränderung des Brechwertes der Luft werden vom entsprechenden Weganteil des Referenzstrahles 5 wahrgenommen und über das Interferometer 1 kontinuierlich gemessen. Die Strecken zwischen dem Interferometer 1 und den Winkelspiegeln 4 und б sind gleich lang und gegenüber thermischen Längenänderungen des Verbindungselementes unempfindlich, wenn sich das Interferometer 1 und beide Winkelspiegel 4 und б auf einer gemeinsamen Grundplatte 7 befinden.The tube 3 is slowly evacuated by turning on the interference counter by means of a vacuum pump 12. The ventilation valves 13 are closed. From the beginning of the evacuation of the tube 3 by counting the interference change, the wavelength of the measuring beam 2 is continuously determined and compared after reaching the vacuum with the known wavelength in a vacuum. During operation of the measuring or processing device, the tube 3 is evacuated. Change in the refractive index of the air are perceived by the corresponding path portion of the reference beam 5 and measured continuously via the interferometer 1. The distances between the interferometer 1 and the angle mirrors 4 and б are the same length and insensitive to thermal changes in length of the connecting element when the interferometer 1 and both angle mirror 4 and б are on a common base plate 7.

Claims (1)

Erfindungsanspruch:Invention claim: Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Wellenlänge frequenzstabilisierter' Laser-Wegmeßsysteme in Präzisionsmeß- und -bearbeitungsgeräten bei veränderlichen Umwelteinflüssen wie Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit durch Überwachen einer bekannten Normalstrecke mit einem zusätzlichen, ebenfalls frequenzstabilisierten Laser-Wegmeßsystem, dessen beide Strahlen gleich lange Gesamtwege zwischen Interferometer und Prisma oder Spiegel sowie gleich lange Teilwege im Glas durchlaufen und nach Reflexion an zwei Spiegeln oder Prismen zur Interferenz gelangen, wobei die zeitlichen Veränderungen der Interferenzen optoelektronisch gezählt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Raum von der Länge der Normalstrecke , den einer der beiden Strahlen des zusätzlichen Laser-Wegmeßsystems durchläuft, mit Luft gefüllt.und anschließend langsam evakuiert wird, wobei in bekannter Weise durch Zählung der Interferenzwechsel die Wellenlänge dieses Strahles mit der bekannten Wellenlänge im Vakuum verglichen wird, und dieser Raum zur Abschirmung der Umwelteinflüsse auf die Normalstrecke während des Betriebes der Präzisionsmeß- und -bearbeitungsgeräte evakuiert bleibt, und daß infolge veränderlicher Umwelteinflüsse auftretende Wellenlängenänderungen vom zweiten Strahl des zusätzlichen Laser-Wegmeßsystems, der einen der Normalstrecke entsprechenden Weganteil in der Luft verläuft, kontinuierlich gemessen werden.A method for the continuous measurement of the wavelength of frequency-stabilized 'laser Wegmeßsysteme in Präzisionsmeß- and -bearbeitungsgeräten with variable environmental influences such as pressure, temperature and humidity by monitoring a known normal distance with an additional, also frequency-stabilized laser Wegmeßsystem whose two beams equally long total distances between interferometer and Go through prism or mirror as well as equal partial distances in the glass and come after reflection at two mirrors or prisms to the interference, the time changes of the interferences are counted optoelectronically, characterized in that a space of the length of the normal distance, one of the two beams of passes through additional laser Wegmeßsystems, filled with Luft.und then slowly evacuated, in a known manner by counting the interference changes the wavelength of this beam with the known Wellenlän ge is compared in vacuum, and this space evacuated to shield the environmental influences on the normal route during the operation of Präzisionsmeß- and processing equipment, and that occurring due to changing environmental wavelength changes from the second beam of the additional laser Wegmeßsystems, which corresponds to the normal distance corresponding Weganteil runs in the air, continuously measured. Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings Anwendungsgebiet der Erfindung:Field of application of the invention: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wellenränge eines frequenzstabilisierten Laserstrahls in einem gasförmigen Medium unter Berücksichtigung der Umwelteinflüsse Druck, Temperatur und Zusammensetzung des Gases, d. h. zur indirekten Bestimmung des Brechwertes des gasförmigen optischen Mediums. Dieses Verfahren findet z. B. in Präzisionsmeß- und bearbeitungsgeräten Anwendung, in denen die Wellenlänge eines Laserstrahles als Längennormal verwendet wird.The invention relates to a method for measuring the wavelength of a frequency-stabilized laser beam in a gaseous medium, taking into account the environmental influences pressure, temperature and composition of the gas, d. H. for the indirect determination of the refractive power of the gaseous optical medium. This method finds z. B. in Präzisionsmeß- and processing equipment application in which the wavelength of a laser beam is used as a length standard. Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:Characteristic of the known technical solutions: Die Wellenlänge eine^ Laserstrahles hs igt bei einem nequenzstabilisierten Laser vom Brechwert des optischen Mediums ab, das der Strahl durchläuft. Bei Präzisionsmeß- und -bearbeitungsgeräten mit Laser-Wegmeßsystemen ist es notwendig, die Umwelteinflüsse - insbesondere Druck und Temperatur - vom Meßnormal abzuschirmen bzw. diese zum Zweck der Korrektur der Leßergebnisse zu erfassen. DefinierteThe wavelength of a laser beam ^ hs from IGT at a nequenzstabilisierten laser of the refractive index of the optical medium through which the beam passes. In Präzisionsmeß- and -bearbeitungsgeräte with laser Wegmeßsystemen it is necessary to shield the environmental influences - in particular pressure and temperature - from the Meßnormal or to capture them for the purpose of correcting the Leßergebnisse. defined