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Vorrichtung zur Längenmessung und Meßanordnung bestehend aus
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diesen Vorrichtungen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Längenmessung mit einer Einheit zur Erzeugung eines Interferenzfeldes aus zwei Laserstrahlbündeln,
mit einer Streifenblende, einem fotoelektrischen Detektor zur Umwandlung der Lichtsignale
in elektrische Signale und mit einem Zähler zum Zählen der elektrischen Signale.
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Aus der polnischen Patentschrift 105 392, der US-PS 4 112 295, der
DE-OS 2 557 136, CH-PS 602 981 und FR-PS 2 296 836 sind Vorrichtungen zur unmittelbaren
digitalen messung von linearen und winkoligen Verschiebungen bekannt, die einen
Lichtimpulsgenerotor aufweisen, der eine Hologrammskala mit einer Liniendichtc in
der Größenordnung von einigen Tausend Linien pro 1 mm und ein optisches likroskopsystem,
das ausschließlich die nullte Beugungsordnung ausnutzt und das vergrößerte Skalenbild
erzeugt, sowie eine Streifenblende enthält, die das fotografisch registrierte
vergrößerte
Bild der gebeugten Streifen 0-ter Ordnung dieser Skala darstellt. Die Verschiebung
der mit dem Neßglied verbundenen Skala verursacht die Abdeckung des durch das optische
System erzeugten Skalenbildes, der Zwischenlinienbereiche der Streifenblende durch
die Streifen, und dadurch die Erzeugung der Lichtimpulse, deren Anzahl zur Größe
der gemessenen Verschiebung direkt proportional ist. Diese Impulse werden anschließend
mit Hilfe eines fotoelektrischen Detektors in elektrische Impulse ugewandelt, die
mit hilfe eines Zählers gezählt werden. Es ist zu betonen, daß die Anwendung des
optischen Mikroskop systems im Impulsgenerator der beschriebenen Vorrichtung nicht
nur die Erzeugung des vergrößerten Skalenbildes,sondern auch die Beseitigung der
ungünstigen 6eugungserscheinung als Ziel hat, die das Ergebnis der Beugung der Lichtwelle
auf der Hologrammskala mit derart großer Dichte ist.
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Die Eigenschaften des Mikroskopsystems bewirken jedoch, daß die Verkleinerung
des Sichtfeldes wie auch der Toleranz der Schärfentiefe mit der wachsenden Skalendichte
und der damit verbundenen, notwendigen Erhöhung der Vergrüßerung des optischen Systems
erfolgt. Diese Erscheinungen rufen eine Beschränkung der Skalendichtc auf 100 Linien
pro 1 mm hervor; Versuche, den ungünstigen Einfluß auf dem optischen Wege zu verbessern,
erhöhen bei positiven Ergebnissen die Kosten des Generators, so daß eine derartige
Vorrichtung zum Beispiel fUr Werkstattmessungen nicht geeignet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten sErt zu schaffen, welche die vorstehend dargelegten Nachteile und Schwierigkeiten
vermeidet und eine exakte Längenmessung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemüßt durch den kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine
Einheit zur Erzeugung
eines Interferenz feldes unter Verwendung eines LaserstrahlenbUndels, einem Fühler,
der ein parallel reflektierends und mit dem tleßglied verbundenes Element ist; außerdem
ist ein Impulsgenerator vorgesehen, der aus einer llehrstreifenblende mit exakt
festgelegten Konstanten gleich der Konstanten der erzeugten Interferenzfeldes oder
Vielfachen desselben sowie aus einem fotoelektrischen Detektor und einem Impulszahler
besteht.
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Eine Dleßanordnung besteht aus mehreren, an verschiedenen teßste1-len
untergebrachten erfindungsgemüßen Vorrichtungen, welchen die nit Hilfe eines lichtteilenden
Elementes getrennten Teile eines LaserstrahlenbUndels zugeführt werden, so daß alle
Meßgeräte mit genau der gleichen Meßskala arbeiten.
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Untersuchungen haben gezeigt, daß die Erhöhung des Auflösungsvermögen
bei der Messung durch die vollständige Beseitigung des optischen Systems zur Erzeugung
des vergrößerten Skalenbildes als auch der Skala selbst und der Ersatz durch das
im Raum erzeugte Interferenzfeld mit kleiner Streifendichte möglich ist, das infolge
der Interferenz von zwei Laserstrahlenbündeln erreicht wird.
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Die Vorrichtung zur Längenmessung weist hohes Auflösungsvermögen auf.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Laserstrahlenbündel
durch ein lichtteilendes Element in zwei miteinander interferierende BUndel geteilt,
die in einem bestimmten Bereich ein Interferenzfeld erzeugen. Eines der Bündel wird
dabei auf ein parallel reflektierendes Element gerichtet, das mit dem theßglied
verbunden ist. Die Verschiebung dieses lsießgliedes verursacht die Verschiebung
der Streifen des erzeugten Interferenzfeldes und erzeugt
die Lichtsignale
mit Hilfe der in diesem Feld angeordneten Streifenblende. Diese Signale werden anschließend
in elektrische Impulse mit llilfe eincs fotoelektrischen Detektors umgewandelt und
mit einem Zahler gezählt, wobei ihre Anzahl direkt proportional zur Größe der Verschiebung
des tießgliedes ist. Die Erfindung benutzt das ähnliche Prinzip bei der Erzeugung
der Lichtimpulse wie es zum Beispiel in der US-PS 4 112 295 beschrieben ist, wobei
der Zwischenlinienbereich der Streifenblende abgedeckt wird. Es wird jedoch die
Notwendigkeit der Erzeugung eines holographischen Skalenbildes beseitigt und somit
infolge der nicht erforderlichen Verwendung eines Mikroskopsystems das Meßauflösungsvermügen
der Vorrichtung nicht beschränkt, das bei der Erfindung anschließlich durch die
\Jcllenlänge des Laserstrahles begrenzt wird.
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Es hat sich fernor herausgestellt, daß die Anwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung an mehreren lleBstellen, z.B. an einzelnen Werkzeugmaschinen einer Bearbeitungsstraße
und die Zufuhrung von Teilen des geteilten Laserstrahlenbündels aus derselben Quelle
zu den Vorrichtungen eine Meßanordnung erhalten läßt, bei der alle Vorrichtungen
zur Längenmessung mit exakt derselben Meßskala arbeiten.
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Es ist besonders zu beachten, daß sich das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Längenmessung auf entscheidende Weise vom Arbeitsprinzip des optischen
Interferometers unterscheidet, das zur genauen Längenmessung verwendet wird. führend
die parallelen StrahlungsbUndel, die Flächen mit bestimmten Phaseneigenschaften
erzeugen, im Interferometer ausgenutzt werden, dienen die interferierenden Laserstrahlen
in der erfindungsge mäßen Vorrichtung zur Erzeugung des Bereiches des Interferenzfeldes,
das mit der Streifenblende mit exakt derselben Konstanten zusammenwirkt. Dadurch
sind die strengen Forderungen an die
Parallelität der interferierenden
BUndel bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht zu erfüllen, wogegen dieser Parallelität
die grundlegende Bedingung der richtigen Funktion des optischen Interferometers
darstellt.
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Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung
anhand der Zeichnung zur Beschreibung weiterer Merkmale erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung, Fig. 2 die
Streifenblende der Vorrichtung und die Streifen des Interferenzfeldes, Fig. 3 dis?
durch das Zusammenwirken der Streifenblende und der Streifen des Interferenzfeldes
entstehenden Lichtimpulse, und Fig. 4 eine Meßanordnung aus mehreren, an verschiedenen
Meßstellen angeordneten und durch einen Laser gespeisten Vorrichtungen.
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Die Vorrichtung zur genauen Längenmessung ist als Blockschaltbild
in Fig. 1 gezeigt. Die Vorrichtung besteht aus einem Laser 1, der das durch eine
Blende 3 durchgehende Laserstrahlenbündel 2 erzeugt, aus einem lichtteilenen Element
4 (Strahlenteiler), welcher das einfallende LaserstrahlenbUndel 2 in zwei Bündel
5 und 6 trennt, einem FUhler, der ein parallel zum ein fallenden Strahl reflektierendes
Element 7 und mit dem Meßglied 8 verbunden ist, dessen Verschiebungslünge die Messung
bildet,und einen Spiegel 9, der das BUndel 5 unter einem vorbestimnten Winkel so
derart
refle ktiert, daß es mit dem Bündel 6 interferiert.
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In einem bereich 11 des erzeugten Interferenzfeldes 12 ist die Streifenblende
13 angeordnet, deren Konstante q genau gleich der Konstanten des erzeugten Interferenzfeldes
12 ist. tiit der Streifenblende 13 ist ein fotoelektrischer Detektor 14 verbunden,
der die erzeugten Lichtsignale in elektrischc Impulse unwcnde lt, die mit '-'ilfe
des an ihn angeschlossenen Zählers 15 gezählt werden.
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Cie ir. rig. 2 getrennt und in vergrößertem th3stab gezeigte Streifenblunde
13 wird durch eine durchsichtige Plctte mit aufgetragenden Linien 16 und 17 gebildet,
die gegeneinander um die Länge der Konstanten q verschoben sind. Die Zwischenlinienlänge,
also die konstante q der Streifenblende 13, ist genau festgelegt und gleich der
Konstanten des erzeugten Interferenzfeldes 12 im Bercich 11 und in der Ebene, in
der die Streifenblende 13 angeordnet ist. Die Anwendung der Streifenblende mit zwei
zueinander verschobenen Streifen- bzw. Liniensötzen 16 und 17 dient der Eliminierung
der Verschiebungsrichtung des lsleßgliedes 8 und der Erhöhung des Auflösungsvernögens
bei der Messung.
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Die Arbeitsweise der 1"eßvorrichtung nach Abb. 1 ist wie folgt: Der
Laser 1 erzeugt das Laserstrahlenbündel 2, das nach dem Durchgan durch die Blende
3, welche als Abdeckrahmen wirksam ist, in zwei Bündel mit Hilfe des lichtteilenden
Elements 4 getrennt wird, d.h. in das Bezugsbündel 6 und das reflektierte Bündel
5. Das reflektierte Bündel 5 wird durch den Spiegel 9 in der Form des Bündels 5'
auf das parallel reflektierende Element 7 gerichtet, das sich zusammen mit dem Meßglied
8 bewegt und nach der Reflexion von diesem Element 7 als bleßbündel 10 auf den Bereich
11 gerichtet ist.
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Im Bereich 11 erfolgt die Interferenz des Bezugsbündels 6 mit dem
N'eb'bUndel 10, die phasenversciioben sind und sich unter dc-r:i Llinkel schneiden,
wodurch das Interferenzfeld 12 erzeugt wird. Der Abstond der Streifen des Interferenzfeldes
12 im Bereich 11 und in der Ebene, in der die Streifenblende 13 untergebracht wurde,
ist gleich dem Abstand q der Linien 16 und 17 der Streifenblende 13.
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Die Verschiebung des Meßgliedes 3, die Gegenstand der Messung ist,
verursacht die Bewegung des mit diesem Glied verbundenen, parallel reflektierenden
Elements 7 und dadurch die Änderung der Länge des optischen Weges des ileßbündels
10. Infolgedessen erfolgt die entsprechende Änderung der Phaseneigenschaften dieses
zünders im Vergleich mit dem mit ihm interferierenden Bezugsbundel 6 und dadurch
die entsprechende Verschiebung der Streifen des Interferenzfeldes 12 im Vergleich
zu den Linien 16 und 17 der Streifenblende 13.
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Infolge der Verschiebung der Streifen hintcr dr Streifenblende 13
entstehen die Lichtsignale, die anschließend in elektrische Impulse mit Hilfe des
fotoelektrischen Detektors 14 u.igewc.delt und vom Zähler 15 bezahlt werden. Die
Zahl der erhaltenen Signale ist exakt direkt proportional der Größe der Verschiebung
des ì:eßgliedes 8.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur genauen Längenmessung nach
dem Prinzip der Interferenz von zwei Laserstrahlenbündeln, nämlich dem Meßbündel
10 vom parallel reflektierenden Element 7, das mit ibießclement 8 verbunden ist,
und dem bündel 6, wobei die Streifenblende 13 im eg des Bündels 10 liegt. Die Streifenblende
13 besteht aus den zueinander verschobenen Linien 16 und 17, deren Konstante q der
Konstante des Interferenzfeldes 12, das infolge der Interferenz des Meßbündels 10
und des Bezugsbündels 6 in der Ebene erzeugt wird, in der die Streifenblende 13
liegt, oder dem
Vielfachen dieser Konstante gleich ist.
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Die Verschiebung des Meßelements 8 verursacht die Änderung der optischen
Länge des Meßbündels 10 und die Verschiebug der Streifen des Interferenzfeldes 12
bezüglich der Streifen 16 und 17 der Streifenblende 13 als auch die Erzeugung der
cnts¢rechenden Zahl der Lichtsignale proportional zum Verschiebungswart des Neßelements
8. Diese Signale werden in elektrische Signale mit Hilfe des fotoelektrischen Detektors
14 umgcformt und mit hilfe des Zählers 15 gezählt.
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Die ,eßanordnung besteht aus mehreren,an verschiedenen Neßstellen
plazicrten Vorrichtungen 18, die den vorstehend erläuterten Aufbau haben, und wird
von einem Laserstrahlenbundel 2 mit Licht versorgt, dessen entsprechend geteilte
Strahlenbündel zu den Vorrichtungen 18 nach Teilungen an dem lichtteilenden Element
(Strahlenteiler) 19 gefUhrt werden. Dadurch arbeiten alle Vorrichtungen 18 mit der
gleichen Meßskala, die ein Ergebnis des gemeinsamen Musters ist.