DE3808779A1 - Laserinterferometrie-messvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserinterferometrie-Meßvorrich­ tung zur Messung einer beliebigen Bewegung eines Reflektors in einem bestimmten möglichen Explorationskegel mittels eines Reflektor-Verfolgungssystems, das den Vorteil auf­ weist, daß keinerlei Fehler in die Messung eingeht.

Das Prinzip einer Messung oder Steuerung durch Interferome­ trie, insbesondere mittels eines Lasers, beruht auf der Zäh­ lung der Interferenzstreifen, welche durch die Vergrößerung des Lichtweges gegenüber einem Referenzweg hervorgerufen werden, wobei beide Wege von derselben Quelle ausgehen, die durch ein Trennelement (halbreflektierende Platte oder halb­ durchlässiger Spiegel, polarisierendes Prisma, Nicol-Prisma ...) geteilt werden und von denen einer bis zu einem festen Reflektor und der andere bis zu einem beweglichen Reflektor verläuft, wobei die Lichtbündel dann zu dem Trennelement re­ flektiert werden, an welchem ihre Rekombination stattfindet.

Das rekombinierte reflektierte Lichtbündel weist Interferen­ zen auf, die mittels einer Zelle gezählt werden, wenn sich der bewegliche Reflektor bewegt. Jeder Interferenzstreifen entspricht der halben Wellenlänge des Lichtes in Luft (etwa 0,3 Um für die bei diesen Anwendungen gewöhnlich verwendeten Laser).

Eine der Hauptschwierigkeiten, die bei solchen Geräten auf­ treten, besteht in der Rückführung des vom beweglichen Re­ flektor rückreflektierten Strahls. Es wird daran erinnert, daß die Reflektoren durch Konkavspiegel von der Form einer Würfelecke gebildet sind, deren Eigenschaft darin besteht, den reflektierten Strahl parallel zum ankommenden Strahl und symmetrisch in bezug auf ihren Scheitel zurückzuwerfen. Zur Messung oder Steuerung einer Bewegung muß man folglich die Richtung dieser Bewegung kennen und das Gerät in dieser Richtung aufbauen, damit die in Richtung der Ecke des beweg­ lichen Würfels ausgesendeten Lichtbündel stets auf diese Würfelecke treffen und somit stets eine auswertbare Rückre­ flexion stattfindet.

Bei bestimmten besonderen Anwendungen einer Kontrolle des Abstandes zwischen zwei Punkten einer Struktur wird das Ziel (die bewegliche Würfelecke) auf einer Taste oder einem Trä­ ger angebracht, die bzw. der imstande ist, von einem Punkt der zu kontrollierenden Struktur zum anderen bewegt zu wer­ den. Während die Taste von Hand bewegt wird, wird die Wür­ felecke auf einer Vorrichtung angebracht, welche sie bezüg­ lich der Taste in einer Ebene verschiebt, die senkrecht zur manuellen Bewegung ist, damit das vom Ziel zurückgeworfene Bündel in einer Zone gehalten wird, in welcher ihre Kombina­ tion mit dem vom festen Reflektor zurückgeworfenen Bündel möglich bleibt. Die Vorrichtung zur Bewegung der Würfelecke wird durch eine Zelle in einem Regelvorgang nachgeführt, wo­ bei die Zelle bewirkt, daß eine maximale Ausleuchtung erhal­ ten bleibt. Ein solcher Mechanismus ist einerseits für be­ sondere Messungen geeignet; andererseits bewirkt er eine Meßunsicherheit aufgrund der Tatsache, daß ein unvermeidba­ res und schwer kontrollierbares Spiel zwischen der Würfel­ ecke und der Taste in der Nachführvorrichtung auftritt.

Es besteht ein Bedarf für eine Zelle als Basis eines Inter­ ferometers, die geeignet ist, eine Zielverfolgung zu gewähr­ leisten, unabhängig von der Bahn des Ziels, solange diese innerhalb gegebener Grenzen liegt. Mehrere Zellen, die einem oder mehreren Zielen zugeordnet sind, welche ihrerseits durch Meßtasten getragen werden, die ohne genaue Führung bewegbar sind, wozu also nur leichte und wenig aufwendige Strukturen benötigt werden, ermöglichen dann eine Meßtechnik von einer Genauigkeit, die wenigstens gleich derjenigen großer klima­ tisierter Maschinen ist, die auf dem Markt verfügbar sind.

Die Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis und stellt eine Zelle oder Vorrichtung zur interferometrischen Messung zur Verfü­ gung, worin der Mechanismus zur Verfolgung der Bewegung des beweglichen Meßreflektors auf dem Lichtweg vor dem interfe­ rometrischen Trennelement liegt, d.h. in einer Zone der Vor­ richtung, in welcher auf das Lichtbündel eingewirkt wird, das noch nicht geteilt oder bereits rekombiniert ist. Man vermeidet so jeglichen Eingriff bei dem einen oder anderen Bruchteil des Lichtbündels, bei welchem die Längenänderungen verglichen werden, und folglich vermeidet man jede Möglich­ keit, daß eine Ungewißheit in die Länge des einen oder ande­ ren dieser Lichtwege eingehen kann, während eine solche Un­ gewißheit notwendigerweise dann auftritt, wenn eine Optik oder bewegliche Spiegel auf einem Lichtweg eingefügt werden, denn der mechanische Aufbau ist stets mit Ungenauigkeiten behaftet.

Die Verfolgungsmechanik enthält jegliche Vorrichtung, die geeignet ist, das Lichtbündel abzulenken, beispielsweise durch Motorantrieb bewegte Spiegel, akustooptische Ablenker, eine orientierbare Quelle oder dergleichen, wobei diese Ele­ mente in solcher Weise geregelt nachgeführt werden, daß die durch jeden Reflektor reflektierten Lichtbündel auf dem Trennelement wenigstens teilweise rekombiniert werden, d.h. auf diesem Trennelement einander schneiden. Diese Bedingung wird insbesondere auf einfache Weise dann erfüllt, wenn we­ nigstens das durch den beweglichen Reflektor reflektierte Lichtbündel nachgeführt wird, um in eine bestimmte Zone zu gelangen, welche in der Nähe des symmetrischen Bildes des Reflektors liegt, der in bezug auf die Trennebene feststeht.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wirken Antriebsele­ mente direkt auf die Lichtquelle und auf den Empfänger ein. Es kann angenommen werden, daß der Empfänger eine Stellung bezüglich des interferometrischen Trennelementes einnimmt, die ausreichend nahe bei diesem Element liegt, damit er sich in einer Zone befindet, in welcher eine wenigstens teilweise Rekombination des Lichtbündels stattfindet.

Bei einer zweiten Ausführungsform ist die Lichtquelle fest­ stehend, ebenso wie der Empfänger, während der Verfolgungs­ mechanismus durch eine Optik gebildet ist, die den Antriebs­ elementen zugeordnet ist.

Diese Optik enthält wenigstens einen Spiegel, dessen Orient­ ierung und Position zwischen der Lichtquelle und dem inter­ ferometrischen Spiegel durch Antriebsmittel gesteuert werden.

Zu beachten ist, daß die begrenzte Zone für den Durchgang des durch den beweglichen Reflektor reflektierten Bündels durch eine viereckige optoelektrische Zelle gebildet ist, deren Ausgangssignale die Regelsignale bilden.

Der Verfolgungsmechanismus kann ferner eine zweite Zelle zur geregelten Nachführung des Antriebselements oder der An­ triebselemente umfassen, welche an einem bestimmten Punkt des durch den festen Reflektor reflektierten Lichtbündels angeordnet ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schema, welches den Verfolgungsmechanismus der Vorrichtung nach der Erfindung zur Erläu­ terung seiner Arbeitsweise darstellt;

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung, daß der Ver­ folgungsmechanismus an die Lichtquelle selbst angekoppelt werden kann;

Fig. 3 eine Ausführungsform, bei welcher der Verfol­ gungsmechanismus als optische Einrichtung mit mehreren Spiegeln verwirklicht ist;

Fig. 4 und 5 Zellen und zugehörige Mechanismen für die ge­ regelte Nachführung der Antriebselemente.

In Fig. 1 erkennt man eine Laserquelle 1 (beipsielsweise ein Helium-Neon-Laser), die ein Lichtbündel 2 auf ein Trennele­ ment oder einen interferometrischen Spiegel 3 richtet (bei der gezeigten Ausführungsform über einen Spiegel 4, der aber auch entfallen kann).

Die Eigenschaft des Spiegels 3 besteht darin, das Lichtbün­ del 2 in ein reflektiertes Bündel 5 und ein durchgelassenes Bündel 6 aufzuteilen. Das reflektierte Bündel wird parallel zu sich selbst auf den Spiegel 3 durch den feststehenden Re­ flektor 7, der die Form einer Würfelecke aufweist, zurückge­ richtet. Dieses zurückgerichtete Bündel 8 wird mit dem zu­ ruckgeworfenen Bündel 9 rekombiniert, welches aus dem Bündel 6 entstanden ist, das durch einen beweglichen Reflektor 10 zurückgeworfen wurde, der gleichfalls die Form einer Würfel­ ecke aufweist. Das rekombinierte Bündel 11 wird durch den Spiegel 4 auf eine Zelle 12 zur Zählung der Interferenz­ streifen geworfen; die Interferenzstreifen erscheinen in dieser Zelle bei Bewegung der Würfelecke 10.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß nur dann eine Messung mög­ lich ist, wenn die Würfelecke 10 sich parallel zu den Bün­ deln 2 und 11 bewegt, mit nur geringer möglicher Änderung oberhalb und unterhalb dieser Linie, solange das rückgewor­ fene Bündel 9 sich auf dem Spiegel 3 mit dem Bündel 8 trifft (wobei berücksichtigt wird, daß der mittlere Durchmesser in herkömmlicher Weise die Größenordnung von 6 mm aufweist). Die Würfelecke 10 ist an eine mit 10′ bezeichnete Stelle in einer Richtung bewegt worden, die nicht parallel zu den Bün­ deln 2 und 11 ist. Man sieht, daß das Bündel 6 auf einen Weg 9′ reflektiert wird, der keine Rekombination, auch nicht teilweise, mit dem rückgeworfenen Bündel 8 von der festen Würfelecke erfährt. Die Messung ist dann unmöglich geworden.

Um diesem Mangel abzuhelfen, ist zwischen der Quelle 1 und dem Empfänger 12 im Falle der Fig. 1 ein Zielverfolgungsme­ chanismus eingefügt (Würfelecke 10), der in solcher Weise ausgebildet ist, daß unabhängig von der Position 10′ des Zieles 10 innerhalb bestimmter Abweichungsgrenzen gegenüber der idealen Position 10 das rückgeworfene Bündel 9 bzw. 9′ durch einen bestimmten festen Punkt geht, der in der Nähe des Bildes 7′ der bezüglich des interferometrischen Spiegels 3 festen Würfelecke 7 liegt und vorzugsweise zwischen diesem Spiegel und diesem Bild liegt. Dieser feste Punkt ist bei­ spielsweise durch den Mittelpunkt einer optoelektrischen Zelle 16 aus vier Elementen gebildet, die schematisch in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Die in Fig. 4 gezeigten Elemente sind Sonden 40 bis 43, die in das Bündel 9, 9′ ein­ dringen und zueinander senkrecht sind sowie in einer Ebene liegen, die senkrecht zu dem Bündel ist. Eine Bewegung des Bündels bezüglich einer neutralen Position, in welcher die Sonden gleichförmig beleuchtet sind und ein gleiches Aus­ gangssignal abgeben, beseitigt das Gleichgewicht zwischen diesen Ausgangssignalen, und das Ungleichgewicht bildet nach Verstärkung und Identifikation ein Steuersignal für die An­ triebsmotoren des Nachführmechanismus, die in solcher Weise aktiviert werden, daß eine Rückführung in den Gleichgewichts­ zustand erreicht wird.

Während die Vorrichtung nach Fig. 4 direkt auf dem Weg des rückreflektierten Bündels angeordnet wird, weist die Vor­ richtung nach Fig. 5 eine Zelle 51 aus vier Quadranten auf, die durch ein vom Bündel 9, 9′ abgezweigtes Bündel 9 b be­ leuchtet werden, wobei dieses Bündel 9 b durch einen halb­ durchlässigen Spiegel 52 reflektiert wird. Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird jegliches Ungleichgewicht an der Zelle 51 ausgewertet, um auf die Antriebsmotoren 53, 54 zur Nachführung einzuwirken. Diese Antriebsmotoren können die in Fig. 1 schematisch mit 13 und 14 bezeichneten Elemen­ te sein, die mit einem Wagen 15 verbunden sind, welcher den Spiegel 4 trägt, um eine Drehung und Translationsbewegung desselben zu bewirken, damit dieser in seine Position 4′ ge­ langt, ansprechend auf die Bewegung der Winkelecke 10 in die mit 10′ bezeichnete Stellung. Die mit 16 bezeichnete Zelle, die auch als Meßwertaufnehmer bezeichnet werden kann, kann wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ausgebildet sein.

Ferner kann ein zweiter Meßwertaufnehmer 17, der zur gere­ gelten Nachführung dient, vom einen oder anderen Typ auf dem Weg des Bündels 8, 8′ angeordnet werden, das durch den fe­ sten Reflektor 7 aus dem Bündel 5, 5′ entstanden ist. Die Signale der beiden Meßwertaufnehmer 16, 17 können an eine Steuereinheit angelegt werden, die mit einem Programm gela­ den ist, welches diese Signale interpretiert, um die Nach­ führung bzw. Regelung in Abhängigkeit von diesen Signalen auszuführen.

Der in Fig. 1 gezeigte Fall ist willkürlich auf eine Ebene reduziert. Bei einem räumlichen System muß die Anzahl von Freiheitsgraden des Verfolgungssystems entsprechend groß sein. Es kann dann eine größere Anzahl von Antriebsmotoren verwendet werden.

In Fig. 2 ist schematisch eine konstruktive Ausbildung ge­ zeigt, bei welcher der Verfolgungsmechanismus direkt an die kohärente Lichtquelle 1 und an die Zelle angekoppelt ist, wenngleich diese Zelle auch unabhängig ausgebildet und an der mit 12′ bezeichneten Stelle angeordnet sein kann (siehe Fig. 1). Ein Wagen 20, der auf einer Führung 21 beweglich ist, trägt einen Drehturm 22, der eine Drehbewegung um eine zu dieser Führung parallele Achse 24 zuläßt und gleichzeitig eine Drehung um eine Achse 23 ermöglicht, die senkrecht zur Achse 24 ist, wobei weiterhin eine Gleitbewegung entlang dieser Achse 23 möglich ist. Die mit 1 und 12 bezeichneten Elemente sind auf diesem Träger aufgebaut.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform, bei welcher der Verfolgungsmechanismus zwei Spiegel 31 und 32 umfaßt. Der Spiegel 31 wird gesteuert durch einen Nachführmotor 34 um die Achse 33 gedreht, während der Spiegel 32 durch einen Motor 36 um eine Achse 35 verschwenkbar ist.

Es kann ein Verfolgungsmechanismus vorgesehen sein, der eine größere Anzahl von Spiegeln aufweist, die mit einer einfa­ chen Drehbewegung gesteuert werden und wovon zwei in einer geschlossenen Regelschleife, welche die Zelle 51 nach Fig. 5 enthält, nachgeführt werden, während die anderen Spiegel in offener Schleife gesteuert werden.

Unter Berücksichtigung der technologischen Zwänge, die durch die Natur der verwendeten Optikeinrichtungen auferlegt wer­ den, ist die Verfolgungsvorrichtung innerhalb eines Kegels zuverlässig, dessen Steilheit etwa 10% beträgt. Wenn sich das Ziel 10 also in 10 m Entfernung von dem Spiegel befin­ det, so darf es um 1 m aus der idealen Mittellinie abweichen. Diese Möglichkeit eröffnet ein weites Anwendungsgebiet bei Vermessungsmaschinen. Wenn nämlich ein beweglicher Taster auf einem Träger mit mehreren Würfelecken 10 ausgestattet wird, die durch eine oder mehrere Zellen mit fester Basis anvisiert werden, wie in Fig. 1 gezeigt, so können in einem feststehenden Referenzsystem durch Berechnung die Koordina­ ten der Punkte eines Teiles bestimmt werden und hieraus leicht seine Koten abgeleitet werden, und zwar in sehr ge­ nauer Weise. Sicherlich muß eine Anzahl von Bedingungen ein­ gehalten werden, insbesondere damit in dem Meßsystem eine Redundanz vorhanden ist, die es ermöglicht, die Berechnungen zu initiieren und Meßvariationen aufgrund von äußeren Ein­ flüssen zu überprüfen oder zu korrigieren.

Eine solche Vorrichtung, deren Präzision wenigstens gleich der der leistungsfähigsten Vermessungsmaschinen ist, zeich­ net sich durch einen sehr viel geringeren Raumbedarf aus und benötigt keinerlei festes und körperlich vorhandenes Refe­ renzsystem, ist wesentlich leichter herzustellen, zu warten und anzuwenden.

Von besonderem Interesse ist die Anwendung der Erfindung auf dem Gebiet der Kontroll- und Meßmaschinen.

Claims (9)

1. Laserinterferometrie-Meßvorrichtung mit wenigstens einer interferometrischen Zelle (1, 3, 7, 12) und einem in bezug auf die Zelle beweglichen Reflektor (10), wobei die Zelle eine kohärente Lichtquelle (1), ein interferometrisches Trenn­ element (3), einen festen Reflektor (7) und einen Empfänger (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Verfol­ gungsmechanismus (4, 13, 14, 15) aufweist, welcher der Bewe­ gung des beweglichen Reflektors (10) folgt und in Ausbrei­ tungsrichtung vor dem interferometrischen Trennelement (3) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfolgungsmechanismus wenigstens ein Antriebselement (13, 14) umfaßt, dessen Funktion der Hineinbewegung wenig­ stens desjenigen Lichtbündels (9, 9′) in eine bestimmte Zone (16) nachgeregelt ist, welches von dem beweglichen Reflektor (10) zurückgeworfen wird, wobei diese Zone in der Nähe des Bildes (7′) des festen Reflektors (7) bezüglich der Ebene des Trennelementes (3) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente (20, 21, 22, 23) direkt auf die Licht­ quelle (1) einwirken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) feststehend ist und daß der Verfolgungs­ mechanismus durch eine Optik (4, 31, 32) gebildet ist, wel­ che den Antriebselementen (13, 14, 34 ...) zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik wenigstens einen Spiegel umfaßt, dessen Orientie­ rung und Position zwischen der Quelle (1) und dem interfero­ metrischen Trennelement (3) durch Antriebsmotoren (13, 14, 53, 54) gesteuert werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik wenigstens zwei getrennte Spiegel (31, 32) umfaßt, deren Drehbewegung um zwei Achsen (33, 35) gesteuert wird, die im wesentlichen aufeinander und zu dem Lichtbündel senk­ recht sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Zone (16) für den Durch­ gang des durch den beweglichen Reflektor (10, 10′) reflek­ tierten Bündels (9, 9′) durch eine optoelektrische Zelle (40-43, 51) gebildet ist, deren Ausgangssignal das Steuersi­ gnal für die Nachführmotoren (53, 54) bildet.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die genannte Zone zwischen dem Bild (7′) des festen Reflektors und dem interferometrischen Spiegel (3) liegt.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine zweite Zelle (17) zur Ansteue­ rung der Antriebselemente (13, 14 ...) in einem geregelten System in einer bestimmten Zone des Lichtbündels (8, 8′) an­ geordnet ist, welches durch den festen Reflektor (7) reflek­ tiert wird.