DE6608924U - Einrichtung zur interferometrischen messung von mehreren laengen mit monochromatischen lichtbuendeln. - Google Patents

Description

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/Einrichtung zur interferometrischen Messung von mehreren Längen mit monochromatischen Lichtbündeln y

Die Neuerung betrifft eine Einrichtung zur simultanen interferometrischen Messung von mehreren Längen mittels monochromatischer Lichtbündel, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines monochromatischen Lichtbündels, einem als Teileranordnung wirkenden Teilerwürfel, sowie einem Tripelprisma zur Reflexion des Referenzbündels.

Auf dem Gebiet der Präzisions-Längenmessung haben seit der Entdeckung des Laser-Prinzips interferometrische Messmethoden in zunehmendem Masse zahlreiche neue Anwendungsgebiete gefunden. Eines dieser Anwendungsgebiete ist z.B. die Eichung und Ueberprüfung von Wegmesseinrichtungen bei Werkzeugma-

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schinen. Dabei tritt u«a, die Aufgabe auf, Längen, die z.B. zwei oder mehrere Dimensionen einer Koordinatensteuerung entsprechen, gleichzeitig mit hoher Genauigkeit zu messen. Zur Lösung dieser Aufgabe kann man nun für jede Längenmessung ein eigenes Laserinterferometer einsetzen. In Anbetracht des Preises eines Läserxn/cerrerömerers ist diese Lösung verhältnismässig teuer.

Es ist Ziel der· Neuerung eine Einrichtung zur simultanen interferometrischen Messung mehrerer Längen anzugeben, welches bei gleich grosser Genauigkeit mit einem wesentlich geringeren Aufwand auskommt, als bei Verwendung eines eigenen Laserinterferometers für jede Längenmessung.

Die Einrichtung gemäss der Neuerung kennzeichnet sich durch mindestens ein Pentoprisma 9, 31, welches, zum ungehinderten Durchtritt eines angespalteten ausgehenden bzw. rücklaufenden Teilmessbündels bzw. zur Bildung eines weiteren dem restlichen Teil des Messbündelquerschnittes entsprechenden ausgehenden bzw. rücklaufenden restlichen Teilmessbündels mit Achsen senkrecht zu den Achsen des abgespalteten ersten Teilmessbündels, an einem Teil seiner ersten Reflexionsebene 11, 33, jeweils über einen Teil des Querschnittes des ausgehenden bzw. rücklaufenden Messbündels, mindestens ein aufgekittetes Prisma 12., 13, 34 aufweist, sowie je ein Tripelprisma 10, 14, 32 zur Richtungsumkehr je eines eine Messlänge durchlaufenden und nicht

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weiter zu unterteilenden Teilbündels und eine Photodetektoreinrichtung für jeden der Teilquerschnitte des intensitätsmodulierten Lichtbündels.

Die Neuerung wird nachstehend an Beispielen anhand der Figuren eingehend erläutert;

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Messung von zwei Koordinaten x, yj

Fig.» 2 zeigt deren Schnitt im Aufriss gemäss der Linie I - I in Fig. 1.

Die Einrichtung besteht aus einer feststehenden Einheit 1 und zwei dazu in x-Richtung beweglichen Einheiten 2 und 3. Von diesen beweglichen Einheiten 2» 3 ist die eine Einheit 3 ihrerseits noch relativ zur anderen Einheit 2 in y-Richtung bewegbar. Die feststehende Einheit 1 enthält, auf einer Basisplatte U montiert, einen Teilerwürfel 5 mit anschliessendem Tripelprisma 6 und eine Photodetektoreinheit 7. In der zweiten Einheit 2 ist auf einer Basisplatte 8 in x-Richtung nacheinander ein Pentaprisma 9 und ein Tripelprisma 10 angeordnet. Dieses Pentaprisma 9 weist dabei an zwei nicht benachbarten Quadranten seiner ersten Reflexionsebene 11 je ein aufgekittetes Prisma 12, 13 auf. Die dritte Einheit 3 besteht im wesentlichen aus einem Tripelprisma 14 auf einer Basisplatte 15.

Für die nachfolgende Beschreibung der Wirkungsweise der Einrichtung sind in der Figur die Liehtbündel durch ihre Achsen bzw. ihre Wege als bezifferte, mit Richtungspfeilen

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versehene Linien angedeutet.

Ein in derPig. 1 nicht dargestellter Gas-Laser, der auf der Basisplatte k der feststehenden Einheit 1 montiert sein kann, e^zsugfc ein monochromatisches j kohärentes Lichtbündel von kreisförmigem Querschnitt und sehr kleinem Oeffnungswinkel, weiches geirSss der Linie Io als Achse in den Tsilerwürfel 5 eintritt und in dessen Teilerebene 17 eine intensitätsmässige Aufteilung in ein ausgehendes Messbündel 18 und ein ausgehendes Referenzoündel 19 erfährt.

Das Messbündel 18 durchläuft die Mest-^i-ecke der x-Koordinate, tritt in das Pentaprisma 9 der Einheit 2 ein und wird hier an der ersten Reflexionsebene 11 in zwei Teilmessbündel aufgeteilt. Durch die von dem aufgekitteten Prisma 13 eingenommene Fläche tritt ein Teil des Messbündels l8 als erstes Teilmessbündel 20 im wesentlichen unverändert aus dem Pentaprisma 9 aus. Dieses erste Teilmessbündel 20 trifft auf das Tripelprisma 10» in welchem seine Richtung umgekehrt wird, und gelangt als rücklaufendes erstes Teilmessbündel 21 über das aufgekittete Prisma 12 zurück zum Pentaprisma 9. Die andere Hälfte des Messbündels l8, die über ihren zugehörigen Teilquerschnitt an der ersten Reflexionsebene 11 kein aufgekittetes Prisma vorfindet, wird an ihr reflektiert und tritt nach einer weiteren Reflexion an der Ebene 22 mit einem halbkreisförmigen Querschnitt 23 als zweites Teilmessbündel 2k aus dem Pentaprisma 9 aus. Dieses zweite ausgehende Teilmessbündel 2k durchläuft die Messstrecke der y-Koordinate, erfährt in dem Tripelprisma \k der Einheit 3 eine Rieh-

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tungsumkehrung und gelangt als rücklaufendes zweites Teilmessbündel 25> zurück zum Pentaprisma 9.

Nach Reflexionen an den Ebenen 22 und 11, vereinigt sich dieses f. rücklaufende zweite Teilmessbündel 25, an der Ebene 11 mit fa dem durch das aufgekittete Prisma 12 in das Pentaprisma 9 ein- · tretende rücklaufende erste Teilmessbündel 21 zu einem rücklaufenden Messbündel 26. Dieses rücklaufende Messbündel 26, das also über je eine Hälfte seines Querschnittes durch eines der rücklauf enden Teilmesssbündel 21 _s 25 gebildet wird« durch- | läuft die; Mess strecke der x-Koordinate zurück zur Einheit 1 S und vereinigt sich in der Teile^ebene 17 des Teilerwürfels 5 j

mit dem vom Tripelprisma 6 rücklaufenden Referenzböndel 27 zu ;| einem, über zwei Hälften seines Querschnitts unterschiedlich J intensitätsmodulierten Lichtbündel 28, welches diesen Quer- S schnittshälften entsprechende Eingangsfenster 29 und 29' der |'

Photodetektoreinheit 7 ausleichtet. Die von diesen Eingangs- F] fenstern 29, 29' aufgenommenen modulierten Halbbündel werden {■■

in der Photodetektoreinheife 7 je einer Photodetektoreinrichtung f

cvugef ührt. !'■

Wie man leicht einsieht, ist das über das Eingangsfenster 29 ,. empfangene Halb-Bündel des Lichtbündels 28 entsprechend der Aenderunß der x-Koordinate, und das andere, über das Eingangsfenster 29* empfangene Halb-Bündel, entsprechend der Aenderung der Koor^inatensumme (x+y) ao intensitätsmoduliert, dass von den |

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zugehörigen Photodetektoreinrichturgen pro Längenänderung von der Grosse einer halben Wellenlänge des Laser-Lichts eine sinusförmige Intensitätsänderung entsprechend einer vollen Periode festgestellt wird. Zur Feststellung der Richtung der Längenänderung wird, wie übrigens prinzipiell bei allen interferometrischen Längenmesseinrichtunger, ausser dem IntensiSätswert auch noch die Phase der Modulation bestimmt. Zu diesem Zweck ist in dem gegebenen Beispiel in. Stahlengang des Referenzbündels I9, 27 als^ z.B. an der Stossstelle zum Teilerwürfel 5 am Tripelprisma 6 eine keilförmige Schicht aufgedampft, deren maximale Höhe nur wenige Wellenlängen des Laser-Lichts beträgt und die eine Scherung der Wellenfronten des Referenzbündels 19, 20 bzw. der des modulierten Lichtbündels 28, bewirkt. Jede der in der Photodetektoreinheit 7 aufgenommenen Photodetektoreinrict&mgen besteht aus einem Photodetektorenpaar, dessen Eingangsschlitze auf einer gemeinsamen Ebene liegen, die vom zugehörigen Halb-Bündel ausgeleuchtet wird. Die genannten Eingangsschlitze liegen, parallel zu diesen Intensitätsmaxima und sind in Richtung senkrecht zur Schlitzausdehnung um ein Viertel j

des Abstandes zweier solcher benachbarter Maxima gegeneinander versetzt. Aus der Phasenlage der Signale der zwei Photodetektoren wird in einem Phasendiskrlminator das Vorzeichen der Längenänderung festgestellt und entsprechend diesem Vorzeichen die Zählrichtung eines zugeordneten bidirektionellen Zählers gesteuert, in welchen die von einen der Photodetektoren abgebenen und den IntensitUtsmaxlma entsprechenden Signalimpulse vorzeichenrichtig eingezählt werden.

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In der beschriebenen Einrichtung sind die Aenderungen des Zählerstandes des einen Zählers also proportional zu den Aenderungen der x-Koordinate und die des anderen Zählers proportional zu den Aenderungen der Koordinatensunane (x + y).

Anhand der Figuren 3 und 4 wird nun eine zweite Einricht ungs Variante beschrieben, die eine simultane Messung von drei Koordinaten erlaubt.

Diese Variante unterscheidet sich von der Einrichtung zur Messung von zwei Koordinaten gemäss £$n Fig. 1 und 2 im wesentlichen nur dadurch, dass statt der Einheit 3 (Fig. 1), zwei relativ zur Einheit 2 in y- Richtung bewegbare Einheiten 2¹ und 3' angeoröne*" sind, von denen die Einheit 3' ihrerseits in z-Richtung relativ zur Einheit 2' bewegbar ist. Die Einheit 2», welche in den Figuren 3 und 4 in Grund- bza. kufriss dargestellt ist, enthält ,auf einer Grundplatte 30 montierten y-Richtung nacheinander ein Pentaprisma 31 und ein Tripelprisma 32. Das Pentaprisma 31 ist dabei über einen mittleren Bereich seiner ersten Reflexionsebene 33 mit einem aiafgekitteten Prisma 34 versehen. Die relativ zur Einheit 2¹ und z-Richtung bewegbare Einheit 3¹» die im wesentlichen aus einem geeignet montierten Tripelprisma ähnlich der Einheit 3 besteht, ist in den Figuren nicht dargestellt*

Die Wirkungsweise dieser zweiten EinricntüngsVariante ist folgende :

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Die Aufspaltung des ausgehenden Hessbündels In ein ausgehendes erstes bzw. zweites Teilmessbündel erfolgt auf dieselbe Weise wie in der ersten Variante. Das vom Pentaprisma der Einheit 2 In y-Richtung ausgehende Teilmessbündel_s durchläuft die Messstrecke der y-Konrdinate und gelangt .nun geniäss den Fig. 3 und 4 als Teilmessbündel 35 bezeichnet zum Pentaprissaa 31 In der Einheit 2^f, wo es in ein drittes b*2w. viertes Teilmessbündel aufgespaltet wird* Diese Aufteilung erfolgt,

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cilia-Lug 2U vier JLUt r^livciyL·'J-SiUiti y νΑΐΤχ- iiijüiCii, £. _s ύϋ ,üüüu ί<.ϋΐΐ<. jCii= Hälfte des Querschnitts des eingestrahlten Teilmessbündels, die von dem aufgekitteten Prisma 35 überdeckt Ist, eine Hälfte des zweiten Teilmessbündels 35 als drittes Teilmessbündel 36 ini wesentlichen unverändert aus dem Pentaprisma 31 auftritt, wäiirend seine andere Hälfte an der ersten Reflexionsebene 33 reflektiert und nach einer weiteren Reflexion an der Ebene 37 vom Pentaprisraa 31 als viertes Teilmessbündel 38 in z-Richtung abgestrahlt wird. Dieses ausgehende vierte Teilbündel 38 durchläuft die Messstrecke der z-Koordinate, erfährt an dem Tripelprisma der Einheit 3* eine Richtungsumkehr und gelangt als rücklaufendes drittes Teilbündel 39 zurück zum Pentaprisma und nach Reflexion an der Ebene 37 zur ersten Reflexionsebene 33. Das ausgehende dritte Teilböndel 36 wird im Tripelprisma In das rücklaufende vierte Teilbündel 40 umgelenkt, welches sich mit dem an der ersten Reflexionuebene 33 des Pentaprisraas 31 reflektierten rücklaufenden dritten Teilbüfldel 39 zu dem rücklaufenden zweiten Teilbündel kl vereinigt. Dieses rück-

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laufende zweite Teilbündel 41 durchläuft die Messstrecke der y-Koordinate zum Pentaprisma der Einheit 2 und wird von dort aus in gleicher Weise wie in der ersten Variante mit dem rücklaufenden zweiten Teilmessbündel zum rücSclaufenden Messbündel vereinigt, welches seinerseits im Teilerwürfel der Einheit 1 mit dem rücklaufenden Referenzbündel ein in drei Teilquerschnitten unterschiedlich intensitäfesmodulierfees LiGhfet»iindel bildete Dieses Lichtbündel leuohtet die Eingangufenaber einer Photodefcektoreinheit aus, die im Gegensat?! zur Photodetektoreinheit in der esrsten Variante, nicht zwei, sondern, den genannten drei Teilquerschnitten entsprechend, drei Eingangsfenster aufweist, über die je wie bei der ersten Variante eine zugehörige Photodetektorelnrichtung mit zwei Photodetektoren ausgeleuchtet wird. | Die Auswertung der Photodetektorensignale erfolgt analog zur ersten Variante durch bidirektionelle Zähler.

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Claims (2)

114/67 Schutzansprüche

1. Einrichtung zur simultanen interferometrischen Messung von mehreren Längen mittels monochromatischer Lichtbündel, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines monochromatischer Lichtbünd«~ls, einem als Teileranordnung wirkenden Teilerwürfel, sowie einem Tripelprisma zur Reflexion des Referenzbündels, gekennzeichnet durch mindestens ein Pentaprisma (9, 31), welches, zum ungehinderten Durchtritt eines angespalteten ausgehenden bzw. rücklaufenden Teilmessbündels bzw. zur Bildung eines weiteren dem restlichen Teil des Messbündelquerschnittes entsprechenden ausgehenden ozw. rücklaufenden restlichen Teilmessbündels mit Achsen senkrecht zu den Achsen des abgespalteten ersten Teilmessbündels, an einem Teil seiner ersten Reflexionsebene (11, 33) , jeweils über einen Teil des Querschnittes des ausgehenden bzw. rücklaufenden Messbündels, mindestens ein aufgekittetes Prisma (12, 13, 3U) aufweist, sowie je ein Tripelprisma (10, 14, 32) zur Richtungsumkehr je eines eine Messlänge durchlaufenden und nicht weiter zu unterteilenden Teilbündels urd eine Photodetektoreinrichtung für jeden der Teilquerschnitte des intensitätsmodulierten Lichtbündels.

2. Einrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben einem ersten das Messbündel aufteilenden PentaDrisma (9)

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mindestens ein weiteres Pentaprisma (31) vorgesehen ist_t in dinen von einem abgespalteten Teilmessbündel je mindestens ein weiteres Teilmessbündel abgespaltet wird.

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