DE10115911C2 - Einrichtung für ein Interferometer nach Michelson - Google Patents

Abstract

Ein Interferometer nach Michelson weist eine erste optische Einheit, deren Komponenten eine Ebene festlegen, sowie eine bezüglich der ersten optischen Einheit drehbar gelagerte, zweite optische Einheit auf, deren Drehachse annähernd parallel zur Ebene liegt und deren Komponente einen Punkt festlegt(en), welcher einen Abstand r > 0 von der Drehachse hat und in welchem die optische Wegdifferenz im Interferometer eine Funktion des Abstands des Punktes von der Ebene ist. Zum Messen eines Drehwinkels der zweiten optischen Einheit bezüglich der ersten optischen Einheit ist eine erste Meßeinrichtung vorgesehen. Die optische Wegdifferenz wird aus dem mittels der ersten Einrichtung gemessenen Drehwinkel über eine Gleichung (Gl.(4)) berechnet, welche auf der aus einem ersten physikalischen und geometrischen Modell eines realen Aufbaus resultierenden Abhängigkeit der Wegdifferenz von dem Drehwinkel basiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für ein Interferome­ ter nach Michelson.

Solche Interferometer werden in vielen verschiedenen Ausfüh­ rungsformen und in breiten Anwendungsfeldern zur optischen Spektroskopie (ultraviolette, sichtbare, infrarote, ferne infrarote Strahlung) und Spektrometrie im Labor und zunehmend auch im Feld, wie in der Prozeßtechnik und der Fernerkundung aus der Luft und dem Weltraum verwendet.

Es sind Michelson-Interferometer bekannt, welche nur zwei Planspiegel und einen Strahlteiler in Form eines halbdurch­ lässigen Spiegels aufweisen. Nachteilig bei diesem Aufbau ist, daß

• a) die vorgegebene Ausrichtung des bewegten Planspiegels re­ lativ zur Ausrichtung des Strahlenbündels bei der Bewegung des Spiegels exakt eingehalten und deshalb die Lagerung des Spiegels sehr aufwendig ausgeführt werden muß,
• b) aus der für fortlaufende Messungen notwendigen repetieren­ den Linearbewegung des Spiegels ein relativ hoher Aufwand für den Antrieb des Spiegels und dessen Regelung resultiert, und
• c) dieser Aufbau empfindlich gegenüber mechanischen Störungen (Kräften) von außen ist.

Aus US 5,341,207 ist ein Interferometer nach Michelson be­ kannt, welcher zwei Planspiegel, eine rotierenden Retro­ reflektor, dessen Drehachse gegenüber dem Tripelpunkt des Retroreflektors seitlich versetzt ist, einen dem Retroreflek­ tor zugeordneten Antriebsmotor, zwei Umlenkspiegel sowie ei­ nen Strahlteiler, eine Sammellinse, einen Detektor und eine Laserreferenz-Einheit mit Laser und Laserdetektor aufweist. Bei diesem bekannten Interferometer ist der rotierende Retro­ reflektor als einziger Retroreflektor für beide Interferome­ ter Zweige in der Weise angeordnet, dass beide durch den Strahlteiler geteilten und auf je eine Umlenkspiegel auftref­ fenden Strahlenhälften in Appertur-Teilbereiche des einzigen Retroreflektors gelenkt werden, welche bezogen auf die Retro­ reflektor-Drehachse einander gegenüber liegen. Hierbei sind die optischen Achsen der beiden Strahlenhälften gegeneinander um eine Winkel 2α und gegenüber der Retroreflektor-Drehachse jeweils um einen Neigungswinkel α geneigt.

Zur Bestimmung des Spektrums elektromagnetischer Strahlung mit Hilfe eines Interferometers nach Michelson wird diese durch das Interferometer geleitet und die optische Wegdiffe­ renz s zwischen den Strahlungsbündeln in den Teilarmen des Interferometers über einen vorgegebenen Bereich durchge­ stimmt. Der dabei durch die Überlagerung der Strahlungsbündel der beiden Teilarme entstehende Verlauf des Interferogramms wird mit Hilfe eines Strahlungsdetektors gemessen, elektro­ nisch verstärkt, mit Hilfe eines Analog-Digital-Umsetzers di­ gitalisiert und mittels eines digitalen Rechners aufgezeich­ net. Für die Berechnung des Spektrums aus dem Interferogramm werden Interferogrammpunkte mit bezüglich der optischen Weg­ differenz bekanntem, äquidistantem Abstand benötigt. Hierfür muß die optische Wegdifferenz im Interferometer gemessen wer­ den.

Bei nahezu allen am Markt befindlichen Spektrometern auf der Basis von Michelson-Interferometern wird die optische Wegdif­ ferenz mit Hilfe einer Laserreferenz gemessen. Hierfür wird über einen Einkoppelspiegel ein Laserstrahl parallel zur Nutzstrahlung in das Interferometer eingekoppelt; dieser durchläuft das Interferometer in gleicher Weise wie die Nutz­ strahlung und wird am Ausgang des Interferometers über einen Auskoppelspiegel auf einen separaten Strahlungsdetektor ge­ leitet. Das von diesem Detektor gemessene Interferogramm wird zur Bestimmung der optischen Wegdifferenz im Interferometer verwendet.

Bei Verwenden der Laserreferenz ist folgendes nachteilig. Ein Teil des optischen Querschnitts des Spektrometers wird von den Ein- und Auskoppelspiegeln abgeschattet, wodurch die er­ reichbare Signalstärke des Nutzinterferogramms reduziert wird. Die Wellenlänge der Laserreferenz liegt meist außerhalb des Bereichs der Wellenlängen der Nutzstrahlung und deshalb müssen die optischen Komponenten des Interferometers häufig mit speziellen Fenstern und Beschichtungen ausgeführt werden, was zu erhöhten Kosten und auch zur Reduktion der Signalstär­ ke des Nutzinterferogramms führt.

Ferner gelangt häufig ein Teil der Laserstrahlung auch auf den Detektor des Nutzinterferogramms, was zu Störungen im ge­ messenen Spektrum führen kann. Die meist verwendeten Gaslaser sind empfindlich und ausfall-anfällig. Der daraus resultie­ rende Mangel an Zuverlässigkeit hat einen breiten Einsatz dieser Spektrometer in der Prozeßtechnik bisher verhindert. Bei der heute üblichen Auswertung des Laserinterferogramms ist der Abstand der Abtastpunkte bestenfalls auf ein ganzzah­ liges Vielfaches der halben Laserwellenlänge festgelegt, wor­ aus Einschränkungen bei der Messung des Spektrums resultie­ ren.

Aufgabe der Erfindung ist es, die optische Wegdifferenz in einem Interferometer nach Michelson basierend auf einem In­ terferometerkonzept ohne den Einsatz einer Laserreferenz zu messen, und zudem die Nachteile von Michelson-Interferometer mit linear bewegten Planspiegeln zu vermeiden.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einer Einrichtung für ein Interferometer nach Michelson durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran­ sprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines gemäß der Erfin­ dung ausgelegten Interferometers;

Fig. 2 schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform zum Bestimmen der optischen Wegdifferenz in dem In­ terferometer nach Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Definition einer Abweichung dd;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer entsprechenden Interferometeranordnung;

Fig. 5a bis 5e schematisch Anordnung und Verbindung der opti­ schen Komponenten einer ersten optischen Einheit, wo­ bei Fig. 5a eine Vorderansicht, Fig. 5b eine Seitenan­ sicht, Fig. 5c eine schematische Draufsicht, Fig. 5d eine weitere Seitenansicht und Fig. 5e eine stark ver­ größerte durch einen dicken Strich hervorgehobene Klebestelle wiedergeben;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Anbringung einer zweiten optischen Einheit an der Welle einer Inter­ ferometeranordnung;

Fig. 7 eine Ausführungsform von Lagerung und Antrieb der Welle der Interferometeranordnung;

Fig. 8a und 8b schematisch eine Anordnung von Komponenten ei­ ner Meßeinrichtung zum kombinierten Messen von Dreh­ winkel w und Abweichung dd, und zwar in Fig. 8a eine Seitenansicht und in Fig. 8b eine Vorderansicht;

Fig. 9a und 9b schematisch die Anordnung von Komponenten ei­ ner Meßeinrichtung zum gesonderten Messen der Abwei­ chung dd, und zwar in Fig. 9a eine Seitenansicht und in Fig. 9b eine Vorderansicht;

Fig. 10 schematisch eine Ausführungsform einer Einzelmeßein­ richtung;

Fig. 11a und 11b schematisch eine weitere Ausführungsform ei­ ner Einzelmeßeinrichtung, und zwar in Fig. 11a eine Seitenansicht und in Fig. 11b eine Schnittansicht, und

Fig. 12a und 12b schematisch noch eine Ausführungsform einer Einzelmeßeinrichtung, und zwar in Fig. 12a eine Sei­ tenansicht und Fig. 12b eine Schnittansicht.

In Fig. 1 sind die Grundlagen des gemäß der Erfindung ausge­ legten Konzepts eines Interferometers nach Michelson schema­ tisch dargestellt. Das Interferometer besteht dabei aus zwei optischen Einheiten, nämlich einer ersten optischen Einheit 1 und einer zweiten optischen Einheit 2.

Optische Strahlung wird am Strahleintritt 6 in die erste op­ tische Einheit 1 geleitet, in welcher das Strahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel aufgeteilt wird, welche ein oder mehrmals in die zweite optische Einheit 2 und wieder zurück zur ersten optischen Einheit 1 geleitet werden. Die beiden Teilstrahlenbündel werden anschließend in der optischen Ein­ heit 1 wieder vereint und verlassen diese am Strahlaustritt 7.

Die erste optische Einheit 1 ist so aufgebaut, daß ihre Kom­ ponenten eine Ebene E festlegen, während die Komponente(n) der zweiten optischen Einheit 2 einen Punkt P festlegt (fest­ legen). Die beiden optischen Einheiten 1 und 2 sind so auf­ gebaut, daß die optische Wegdifferenz s im Interferometer in einem festen funktionalen Zusammenhang bezüglich des Abstan­ des d eines Punktes P von der Ebene E steht und im Idealfall von keinen weiteren während der Messung veränderlichen Größen des Aufbaus beeinflußt wird; daher gilt gemäß Gl. (1)

s = f(d) (1)

Dem funktionalen Zusammenhang nach Gl. (1) liegt das aus den geometrischen und physikalischen Gegebenheiten des prinzipi­ ellen Aufbaus der beiden optischen Einheiten 1 und 2 abgelei­ tete Modell zugrunde.

Die zweite optische Einheit 2 ist auf einer Welle 8 mit einer Drehachse D montiert, wobei die Drehachse D parallel zur Ebe­ ne E verläuft und so orientiert ist, daß sie bei Drehen der optischen Einheit 2 einen ungestörten Strahlungsfluß zwischen den beiden optischen Einheiten 1 und 2 ermöglicht. Der Punkt P hat einen Abstand r von der Drehachse D. Bei einer Drehbe­ wegung der Welle 8 beschreibt der Punkt P somit eine(n) Kreis(bahn) K mit einem dem Abstand r entsprechenden Radius r; der Mittelpunkt M der Kreisbahn K hat einen Abstand a von der Ebene E. Verläuft die Drehachse D parallel zur Ebene E, so gilt für einen Abstand d bei einem Drehwinkel w der Wel­ le 8 um die Drehachse D nach Fig. 1 gemäß Gl. (2):

d = a + r.cos(w) (2)

Ist die Drehachse D zur Ebene E um einen Winkel w1 geneigt, so ergibt sich der Abstand d gemäß Gl. (3) zu:

d = a + r.cos(w1).cos(w) (3)

Wird vom idealisierten Fall einer ortsfesten, ideal rund lau­ fenden Welle 8 ausgegangen, so kann bei bekannten Parametern a, r, w1 und bei bekanntem funktionalem Zusammenhang f(d) die optische Wegdifferenz s im Interferometer aus dem Drehwinkel w der Welle 8 um die Drehachse D gemäß Gl. (4) berechnet wer­ den zu:

s(w) = f(a + r.cos(w1).cos(w)) (4)

Nach dem Stand der Technik wird die optische Wegdifferenz mit Hilfe einer Laserreferenz gemessen. Im Unterschied hierzu wird gemäß der Erfindung in vereinfachter Betrachtungsweise die optische Wegdifferenz s aus dem Drehwinkel w anhand von Gl. (4) berechnet, so daß die eingangs angeführten Nachteile aufgrund der Verwendung einer Laserreferenz entfallen.

Bei dem vorstehend dargelegten Interferometerkonzept wird auf preiswerte Weise eine höhere Genauigkeit der Meßeinrichtung für das Messen des Drehwinkels als mit einer Meßeinrichtung erreicht, bei welcher der lineare Spiegelweg gemessen wird.

Fig. 2 zeigt schematisiert einen Überblick über den erfin­ dungsgemäßen Aufbau des Interferometers mit Einrichtungen zum Bestimmen der optischen Wegdifferenz s.

Zum Messen des Drehwinkels w ist das Interferometer um eine erste Meßeinrichtung 14 erweitert. Die erste Meßeinrichtung 14 ist so gestaltet und in den Aufbau integriert, daß sie den Drehwinkel w der Welle 8 um die Drehachse D mißt. Eine ruhen­ de Einheit 14-1 der Einrichtung 14 ist drehsteif bezüglich der von der ersten optischen Einheit 1 festgelegten Ebene E mit der optischen Einheit 1 oder deren Komponenten verbunden, während eine bewegte Einheit 14-2 der Einrichtung 14 dreh­ steif bezüglich des Lots zur Drehachse D durch den Punkt P mit der zweiten optischen Einheit 2 oder deren Komponenten verbunden ist.

Die erste Meßeinrichtung 14 zum Messen des Drehwinkels w ist bei Verwenden des Interferometers in einem Spektrometer so ausgelegt, daß die zu erwartende Abweichung der berechneten optischen Wegdifferenz s infolge von zufälligen, nicht repro­ duzierbaren Fehlern des gemessenen Drehwinkels sowie von zu­ fälligen, nicht reproduzierbaren Fehlern des angenommenen Meßzeitpunktes bei gegebenem Verlauf der Drehgeschwindigkeit in etwa im Bereich von 1/20 bis 1/10000 der kürzesten mit dem Spektrometer gemessenen Wellenlänge liegt.

Bei einer zweiten Ausführungsform wird zum Verbessern der Ge­ nauigkeit der berechneten optischen Wegdifferenz s die vom Meßzeitpunkt abhängige Abweichung dd des Punktes P von der angenommenen Kreisbahn K in Richtung des Lotes zur Ebene E von einer zusätzlich an das Interferometer angebrachten oder integrierten Meßeinrichtung 15 gemessen; bei der Berechnung der optischen Wegdifferenz s wird die idealisierte Gl. (5) verwendet:

s(w) = f(a + r.cos(w1).cos(w) - dd(w)) (5)

In Fig. 3 ist schematisch die Definition der Abweichung dd veranschaulicht.

Für das Messen der Abweichung dd wird eine erste Einheit 15-1 einer zweiten Meßeinrichtung 15 steif in bezug auf die von der ersten optischen Einheit 1 festgelegten Ebene E mit der optischen Einheit 1 oder deren Komponenten verbunden und eine zweite Einheit 15-2 der Meßeinrichtung 15 ist steif in bezug auf den Punkt P mit der zweiten optischen Einheit 2 oder de­ ren Komponenten verbunden. In der zweiten Meßeinrichtung 15 wird die Abweichung dd durch Messen eines an die zweite opti­ sche Einheit 2 oder der Welle 8 angebrachten runden Referenz­ körpers mit mindestens einer kreisförmigen Kante oder einem kreisförmigen Ring durchgeführt, dessen Mittelpunkt sich auf der Drehachse D der Welle 8 befindet. Der Referenzkörper wird an einer Stelle gemessen, welche sich (zumindest annähernd) in der Ebene der Kreisbahn K des Punktes P befindet.

Die zweite Meßeinrichtung 15 für die Abweichung dd ist bei Verwenden des Interferometers in einem Spektrometer so ausge­ legt, daß die zu erwartende Abweichung der berechneten opti­ schen Wegdifferenz s infolge von zufälligen, nicht reprodu­ zierbaren Fehlern der gemessenen Abweichung dd sowie von zu­ fälligen, nicht reproduzierbaren Fehlern des angenommenen Meßzeitpunktes bei gegebenen Verlauf der Drehgeschwindigkeit in etwa im Bereich von 1/20 bis 1/10000 der kürzesten mit dem Spektrometer gemessenen Wellenlänge liegt.

In einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung sind die beiden Meßeinrichtungen 14 und 15 durch eine dritte Meßeinrichtung 16 (siehe Fig. 8a und 8b) ersetzt, welche sowohl den Drehwinkel w als auch die Abweichung dd mißt. Beim Berechnen der optischen Wegdifferenz s wird genauso vorgegangen wie bei der zweiten Ausführungsform.

Nicht systematische Abweichungen der Lage der Drehachse D können bei der ersten Ausführungsform direkt und bei den zweiten und dritten Ausführungsformen indirekt über Meßfehler der Abweichung dd zu Fehlern bei der Bestimmung der optischen Wegdifferenz s führen.

Gemäß der Erfindung ist deshalb die Lagerung der Welle 8 so ausgeführt, daß sie steif gegenüber äußeren Kräften und Mo­ menten ist, welche Verschiebungen oder Verkippungen der Welle 8 und damit deren Drehachse D bewirken würden und die Welle 8 bei der Drehung ohne den Einfluß äußerer Kräfte oder Momente möglichst rund läuft, sich also ohne Verkippungen oder Ver­ schiebungen dreht; hierzu ist ein Antrieb 20 so ausgeführt, daß außer dem Antriebsmoment möglichst keine, insbesondere keine zeitlich veränderlichen Kräfte oder Momente auf die Welle 8 und damit deren Drehachse D ausgeübt werden.

In Drehrichtung aufgebrachte veränderliche Momente können zu elastischen Lageveränderungen der Punktes P relativ zur Dreh­ achse D und somit zu Fehlern bei der Bestimmung der optischen Wegdifferenz s führen. Gemäß der Erfindung ist deshalb die zweite optische Einheit 2 so aufgebaut und mit der Welle 8 verbunden, daß sich eine möglichst steife Verbindung des Punktes P bezüglich der Drehachse D der Welle 8 ergibt. Hier­ zu ist der Antrieb so ausgeführt, daß er eine Drehung der Welle 8 um deren Drehachse D mit konstanter Drehgeschwindig­ keit oder einen zeitlichen Verlauf der Drehgeschwindigkeit bewirkt, welcher für zumindest einen Teil des Drehwinkelbe­ reichs einer Umdrehung einen zumindest annähernd zeitlinearen Verlauf der optischen Wegdifferenz s zur Folge hat, und daß er im Hinblick auf die Übertragung des Drehmoments auch zur Vermeidung von Drehschwingungen möglichst steif mit der Welle 8 verbunden ist.

Gemäß der Erfindung werden Abweichungen der optischen Wegdif­ ferenz, welche aus Lageänderungen einzelner Komponenten der beiden optischen Einheiten 1 und 2 resultieren, vom Meßsystem für die optische Wegdifferenz nicht erfaßt. Gemäß der Erfin­ dung sind die Komponenten der beiden optischen Einheiten 1 und 2 deshalb so zusammengefügt, daß die infolge von Mate­ rialalterung, thermischen Einflüssen oder äußeren (Beschleu­ nigungs-)Kräften resultierenden Lageänderungen auf ein mög­ lichst geringes Maß reduziert sind.

In Fig. 4 ist schematisch eine Interferometeranordnung darge­ stellt, welche einen Strahlteiler 35, zwei Umlenkspiegel 36, 37, zwei Lochspiegel 38, 39, welche die erste optische Ein­ heit 1 bilden, und einen Tripelspiegel (Retroreflektor) 3 aufweist, welcher die zweite optische Einheit 2 darstellt, wobei der Punkt P im Tripelpunkt des Tripelspiegels 3 liegt. Die erste optische Einheit 1 legt die Ebene E fest, welche bei symmetrischem Aufbau einer durch die Strahlteilerschicht festgelegten Ebene entspricht.

Die zu untersuchende Strahlung wird am Strahleintritt 6 kol­ limiert in das Interferometer geleitet. Alternativ hierzu kann divergente Strahlung auch durch eine vorgeschaltete ab­ bildende Optik in der ersten optischen Einheit 1 kollimiert werden. Die kollimierte Strahlung wird am Strahlteiler 35 in zwei Teilstrahlen 44 und 47 aufgeteilt. Der Teilstrahl 44 läuft über den Spiegel 36 durch das Loch des Lochspiegels 38 auf den Tripelspiegel 3, welcher die Strahlung auf den Loch­ spiegel 38 leitet. Der Lochspiegel 38 ist so justiert, daß die Strahlung senkrecht auf ihn auftrifft. Der Teilstrahl 49 wird in sich reflektiert und läuft über den Tripelspiegel 3 und den Spiegel 36 zurück zum Strahlteiler 35. Der vom Strahlteiler 35 transmittierte Anteil der Strahlung verläßt das Interferometer am Strahlaustritt 7.

Der Teilstrahl 47 läuft über den Spiegel 37 durch das Loch des Lochspiegels 39 auf den Tripelspiegel 3, der die Strah­ lung 48 auf den Lochspiegel 39 leitet. Der Lochspiegel 39 ist ebenfalls so justiert, daß die Strahlung senkrecht auf ihn auftrifft. Der Teilstrahl 50 wird in sich reflektiert und läuft über den Tripelspiegel 3 und den Spiegel 37 zurück zum Strahlteiler 35. Der vom Strahlteiler 35 reflektierte Anteil der Strahlung verläßt das Interferometer am Strahlaustritt 7.

Die Drehachse D des Tripelspiegels 3 befindet sich dabei in Höhe der Mitte der kollimierten Strahlenbündel; bei einer Ro­ tation des Tripelspiegels 3 kreisen die Strahlenbündel 49, 50 auf den Lochspiegeln.

In Fig. 5a bis 5d sind eine Vorderansicht, zwei Seitenansich­ ten und eine schematische Draufsicht einer vorteilhaften Aus­ führung der Verbindung der optischen Komponenten der ersten optischen Einheit 1 dargestellt. Zwei plane Trägerplatten 30 und 31 sind über abstandhaltende Blöcke 32 miteinander ver­ bunden, vorzugsweise verklebt. Die Komponenten der ersten op­ tischen Einheit 1 befinden sich zwischen den Trägerplatten 30, 31 oder an den Seiten der Trägerplatten. Sie sind vor­ zugsweise an Flächen, welche senkrecht zu den optischen Flä­ chen stehen, mit den Trägerplatten verbunden.

Dies hat folgende Vorteile: Die Komponenten lassen sich auch bei sehr dünnen Klebstoffschichten leicht durch Drehen und Verschieben justieren. Kräfte von den Trägerplatten 30, 31 oder den Klebstoffschichten wirken sich nur indirekt auf die Form der optischen Komponenten aus; es ergibt sich somit ein sehr stabiler und steifer Aufbau der ersten optischen Einheit 1. Ferner entfallen die Kosten für Fassungen der einzelnen optischen Komponenten. Der Aufbau aus planen Trägerplatten 30, 31 mit nur wenigen bearbeiteten Flächen ist kostengünstig herzustellen.

Vorzugsweise werden auch optische Komponenten 33, 34 zur Strahlkollimierung und Strahlbündelung in gleicher Weise wie die anderen Komponenten der ersten optischen Einheit 1 ver­ klebt. Vorzugsweise werden auch ein Träger 41 für einen In­ terferogrammdetektor 42 und eine Eingangsblende 40 für die Strahlungseinkopplung mit den Trägerplatten 30, 31 vorzugswei­ se verklebt oder auf andere Weise verbunden. Dies hat den Vorteil, daß die Lage der Eingangsblende 40, des Detektors 42 sowie die Orientierung der Strahlenbündel innerhalb der er­ sten optischen Einheit 1 dauerhaft justiert sind.

Sämtliche optische Komponenten sowie die Trägerplatten 30, 31 und die abstandshaltenden Blöcke 32 sind, soweit möglich, aus Materialien mit zumindest annähernd gleichen, möglichst klei­ nen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt. Dies hat den Vorteil, daß bei Temperaturänderungen im Aufbau keine oder nur sehr geringe mechanische Spannungen entstehen, wel­ che zu Verformungen der optischen Komponenten und somit zur Dejustierung des Interferometers führen.

Die optischen Komponenten werden beim Verkleben mit den Trä­ gerplatten 30, 31 justiert. Die Justierung erfolgt mit Hilfe von hochgenauen Klebeschablonen, an welche die optischen Kom­ ponenten beim Verkleben fixiert werden, und/oder durch das Ausrichten der optischen Komponenten über Aktoren (Piezoakto­ ren) oder einstellbare Justiervorrichtungen mit Kontrolle oder Regelung der Ausrichtung und Position der optischen Kom­ ponenten durch Vermessen der Lage und der Ausrichtung eines Laserstrahls, welcher durch bzw. auf die Komponenten des op­ tischen Aufbaus geleitet wird oder durch Vermessen des vom Interferometer erzeugten Interferogramms einer monochromati­ schen Strahlungsquelle.

Die Klebeschablonen und Justiereinrichtungen werden nach dem Verkleben der Komponenten, soweit als möglich, wieder aus dem Aufbau entfernt und können so mehrmals verwendet. Dies wie­ derum hat den Vorteil, daß keine oder nur wenige kostspieli­ ge, hochgenaue Justiereinrichtungen im Aufbau verbleiben, und somit bei einer Serienfertigung ein preiswerter Aufbau ermög­ licht ist. In Fig. 5e ist vergrößert und schematisiert eine durch einen dicken Strich hervorgehobene Klebestelle wieder­ gegeben

Der in Fig. 5a bis 5d dargestellte Aufbau ist bezüglich der Anordnung und der Form der optischen Komponenten, der Träger­ platten und der abstandshaltenden Blöcke nur als Beispiel an­ geführt. So können bei anderen Ausführungen der ersten opti­ schen Einheit 1, beispielsweise einzelne Komponenten auch nur an eine der Trägerplatten geklebt werden. Wesentlich ist die prinzipielle Art des Verbindens und des Justierens der Kompo­ nenten.

In Fig. 6a ist eine teilweise geschnittene, schematische Sei­ tenansicht und in Fig. 6b ist in einer schematischen Drauf­ sicht eine vorteilhafte Möglichkeit der Verbindung des Tri­ pelspiegels 3 der zweiten optischen Einheit 2 mit der Welle 8 dargestellt. Der Tripelspiegel 3 besteht aus drei verklebten Planspiegeln oder alternativ aus optisch transparentem Vollmaterial. Die Verbindung des Tripelspiegels 3 mit der Welle 8 muß sehr steif sein, da Bewegungen zwischen diesen Komponenten zu Fehlern bei der Berechnung der optischen Weg­ differenz s führen, insbesondere bei Ausführungen eines Auf­ baus ohne ein Messen der Abweichung dd.

Die häufig verwendeten Materialien der Welle 8, beispielswei­ se Metall und beim Tripelspiegel, beispielsweise Glas oder Keramik, haben unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffi­ zienten. Bei direktem steifem Verbinden des Tripelspiegels 3 mit der Welle 8 führen Temperaturänderungen daher zu thermi­ schen Spannungen und zu Verformungen des Tripelspiegels 3, wodurch die optische Qualität des Spiegels negativ beeinflußt wird.

Vorzugsweise wird der Tripelspiegel 3 mit einer Spiegelauf­ nahme 51 (welche den gleichen oder annähernd gleichen thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten wie der Tripelspiegel 3 hat) mittels eines Klebemittels verklebt. Dies hat den Vorteil, daß keine oder nur sehr kleine thermische Spannungen zwischen Tripelspiegel und Aufnahme entstehen.

Eine solche Verklebung erfolgt vorzugsweise, wie in Fig. 6a dargestellt, an drei Stellen. Dabei wird eine Verklebung 55, welche vorzugsweise, wie dargestellt, in Richtung des Abstan­ des r des Punktes P von der Drehaches D liegt, möglichst steif ausgeführt, während die beiden anderen Verklebungen 56 vorzugsweise elastisch ausgeführt werden.

Dies hat folgende Vorteile: Der Tripelspiegel 3 ist insbeson­ dere in Richtung des Abstandes r steif mit der Spiegelaufnah­ me 51 verbunden, und es können nur geringe Zugkräfte auf die empfindlichen Klebestellen innerhalb des Tripelspiegels ent­ stehen. Ferner ist der Tripelspiegel 3 bezüglich Schwingungen bedämpft.

Die Spiegelaufnahme 51 kann über einen vorzugsweise ringför­ migen Klebstoffsteg 53 mit der Welle 8 verbunden werden. Da­ mit die Verklebung, wie in Fig. 6a dargestellt, nur an den ra­ dialen Flächen, nicht aber an den Stirnseiten erfolgt, kann ein Ring 54 aus klebstoffabweisendem, weichem Material, wie beispielsweise Teflon (registrierte Marke), zwischen Spiegel­ aufnahme 51 und Welle 8 vorgesehen werden. Die Breite dk und/oder der thermische Ausdehnungskoeffizient ktk des Kleb­ stoffringes 53 werden/wird an Radius r1 und thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten kt1 der Spiegelaufnahme sowie an Radius r2 und thermischen Ausdehnungskoeffizient kt2 der Welle 8 an­ gepaßt, so daß Gl. (6) zumindest annäherungsweise erfüllt ist:

r1.kt1 + dk.ktk = r2.kt2 (6)

Diese Art der Befestigung hat folgende Vorteile. Zumindest bei gleichmäßigen Temperaturänderungen entstehen keine oder nur sehr kleine thermische Spannungen und die Verbindung mit der Welle 8 ist sehr steif. Obendrein ist diese Art der Befe­ stigung kostengünstig, da die Anforderungen an die Präzision der Welle 8 und der Spiegelaufnahme 51 an der Verbindungs­ stelle nur gering sind und keine weiteren Teile benötigt wer­ den.

Wird die Abweichung dd (Fig. 3) zum Bestimmen der optischen Wegdifferenz s gemessen, so ist vorzugsweise die Spiegel­ aufnahme 51 so geformt, daß sie zugleich als Referenzkörper 52 zum Messen der Abweichung dd dient. Dies wiederum ist vor­ teilhaft, da der Referenzkörper 52 direkt mit dem Tripelspie­ gel 3 steif verbunden ist bzw. mit dem Tripelkörper eine Ein­ heit bildet, und der Meßort für die Abweichung dd zumindest annähernd in die Ebene der Kreisbahn K des Punktes P gelegt werden kann. Ferner wird kein zusätzlicher Referenzkörper und somit auch keine Verbindung des Referenzkörpers mit dem Tri­ pelspiegel benötigt.

In Fig. 7 ist schematisch eine vorteilhafte Anordnung der Kom­ ponenten Lagerung, Drehwinkelmessung und Antrieb der Welle dargestellt. Die Welle 8 wird vorzugsweise über zwei in einem Lagergehäuse 60 gegeneinander verspannte Kugellager, z. B. Präzisions-Schrägkugellager 62, 63 oder andere Wälz- oder Gleitlager gelagert. In Fig. 7 befinden sich Antrieb 64, 65 und Meßaufnehmer 61 für die Drehwinkelmessung zwischen den beiden Lagerstellen. Für die Drehwinkelmessung sind ein Drehwinkelmeßaufnehmer 61 mit Hohlachse und als Antrieb ein Direktantrieb 65 verwendet, dessen Rotor 64 direkt auf der Welle 8 montiert ist.

Eine solche Anordnung hat folgende Vorteile: Für die Lagerung stehen Präzisions-Schrägkugellager 62, 63 als Normteile hoher Präzision und Laufruhe zur Verfügung. Die Lagerstellen (62, 63) der Welle 8 befinden sich bei vorgegebener Baugröße in größtmöglichem Abstand voneinander. Somit ist die Lagerung sehr steif gegenüber sämtlichen Kippmomenten. Der Drehwinkel­ meßaufnehmer 61 mit Hohlachse ist eine in der industriellen Meßtechnik verwendete Komponente.

Es können auch keine Meßfehler durch Fehlausrichtungen beim Verbinden des Drehwinkelmeßaufnehmers 61 mit der Welle 8, über eine Kupplung entstehen. Durch die direkte Montage des Rotors 64 auf der Welle 8 ergibt sich eine sehr steife Ver­ bindung, wodurch unerwünschte Torsionsschwingungen zwischen Welle und Antrieb weitestgehend vermieden sind und eine prä­ zises Regeln des Antriebs der Welle erleichtert wird.

Für den Antrieb der Drehachse ergeben sich je nach angestreb­ ter Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Drehwinkel unter­ schiedliche vorteilhafte Ausführungsformen. Werden keine be­ sonderen Ansprüche an die Genauigkeit der Drehgeschwindigkeit gestellt, so reicht als Antrieb ein Elektromotor aus, welcher über einen Riemen oder ein Reibradgetriebe mit der Welle ver­ bunden ist.

Sowohl der Riemenantrieb (Flachriemen) als auch der Reibrad­ antrieb haben den Vorteil, daß mit einfachen Mitteln eine Übersetzung des Drehmoments des Motors erreicht wird, und so­ mit ein Motor mit kleinerem Drehmoment verwendet werden kann. Der Riemenantrieb hat darüber hinaus den Vorteil, daß nur sehr wenig Schwingungen von der Motorachse auf die Welle übertragen werden, während der Reibradantrieb den Vorteil hat, daß er relativ torsionssteif ist und wesentlich ruhiger als ein Zahnradgetriebe läuft.

Wird ein präziser Verlauf der Drehgeschwindigkeit angestrebt, so ist ein Direktantrieb vorteilhaft, dessen Rotor fest mit der Welle verbunden ist. Hierfür bietet sich die Verwendung eines Asynchronmotors oder Synchronmotors, beispielsweise ei­ nes Scheibenmagnet-Schrittmotors an, bei welchem die Ströme in der(n) Wicklung(en) des Stators entweder gesteuert oder ge­ regelt werden.

Bei gesteuertem Betrieb ist der zeitliche Verlauf der Wick­ lungsströme so eingeprägt, daß sich ein schwingungsarmer An­ trieb mit dem geforderten zeitlichen Verlauf des Drehwinkels ergibt. Bei geregeltem Antrieb wird der Drehwinkel des Win­ kelsystems, d. h. dessen Istdrehwinkel mit einem Solldrehwin­ kel verglichen und die Statorwicklungen werden über einen Re­ gelalgorithmus, beispielweise über einen digitalen Signalpro­ zessor entsprechend angesteuert. Vorteilhaft ist hierbei eine Vorabsteuerung des Antriebs mit einem dem Verlauf des Soll­ drehwinkels entsprechenden Antriebsmoment, wobei der hierfür notwendig Momentenverlauf in einer Identifikationsphase ge­ messen werden kann.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen von Direktan­ trieben haben folgende Vorteile. Die Verbindung des Antriebs mit der Drehachse ist torsionssteif; somit sind keine oder allenfalls nur geringe Torsionsschwingungen möglich. Der An­ trieb ist weitestgehend verschleißfrei und kann mit hoher Präzision mit einer hohen Grenzfrequenz des Regelkreises sta­ bil geregelt werden.

Die Drehwinkelmessung erfolgt vorzugsweise mit einem inkre­ mentalen Winkelmeßsystem, beispielsweise optisch, interfe­ renzoptisch oder magnetisch. Die Drehwinkelschritte des Meß­ systems können dabei vorzugsweise drehwinkeläquidistant oder entsprechend dem funktionalen Zusammenhang zwischen der opti­ schen Wegdifferenz s und dem Drehwinkel w äquidistant bezüg­ lich der optischen Wegdifferenz festgelegt werden.

Inkrementale Winkelmeßsysteme haben den Vorteil, daß damit der Drehwinkel mit der für Interferometer notwendigen Genau­ igkeit und zeitlichen Auflösung gemessen werden kann. Auch die zeitlich variierenden Meßfehler sind nur sehr gering.

Nachfolgend werden vorteilhafte Drehwinkelmessungen beschrie­ ben. Bei einem gekapselten Meßaufnehmer mit Hohlachse zur Drehwinkelmessung nimmt die Hohlachse die Drehwelle auf, was den Vorteil hat, daß solche Meßsysteme relativ preiswert in vielen Variationen angeboten werden, und bei der Montage keine oder nur sehr wenige Justierarbeiten notwendig sind. Auch ist eine feste Kopplung mit der Welle nur mit geringen Fehlern aufgrund der Kopplung zwischen Winkelmeßsystem und Welle belastet.

Bei Verwenden eines zweigeteilten Systems zur Drehwinkelmes­ sung ist der Referenzkörper der Drehwinkelmessung direkt (fest) mit der zweiten optischen Einheit 2, deren Aufnahme oder deren Komponenten verbunden. Die Sensorik des Drehwin­ kelmeßsystems, welche den Referenzkörper abtastet, ist (dreh)steif mit der ersten optischen Einheit 1 verbunden. Dies ist vorteilhaft, da der Drehwinkel sehr nahe am Punkt P gemessen wird, und somit Meßfehler durch die Torsion der Drehachse oder der Befestigung der zweiten optischen Einheit 2 ausgeschlossen sind.

Bei einem weiteren vorteilhaften Drehwinkelmeßsystem ist der zur Drehwinkelmessung benötigte Referenzkörper wieder direkt fest mit der zweiten optischen Einheit 2, deren Aufnahme oder deren Komponenten verbunden. Der Referenzkörper wird von zwei bezüglich der Drehachse diametral angeordneten Sensoren abge­ tastet.

Der bei der Drehwinkelmessung durch einen Achsversatz entste­ hende Fehler wird durch eine Auswertung der beiden Sensorsi­ gnale kompensiert. Die beiden Sensoren sind fest mit der er­ sten optischen Einheit 1 verbunden. Dadurch ist eine höhere Genauigkeit bei der Drehwinkelmessung erreicht. Auch kann diese Variante für eine kombinierte Messung des Drehwinkels und der Wellenposition verwendet werden.

Nachfolgend sind vorteilhafte Ausführungen zum Messen der Ab­ weichung dd angegeben.

In Fig. 8a ist in einer Seitenansicht und in Fig. 8b ist in ei­ ner Vorderansicht eine vorteilhafte Ausführungsform einer Meßeinrichtung 16 zum kombinierten Messen von Drehwinkel w und Abweichung dd in Form eines inkrementalen Winkelmeßsy­ stems dargestellt, welches einen Referenzkörper 66 sowie zwei Abtasteinheiten 67, 68 und eine nicht dargestellte Auswer­ teelektronik aufweist. Jede der Abtasteinheiten 67, 68 lie­ fert den von ihr gemessenen Drehwinkel in analoger oder digi­ taler Form.

Das Meßsystem ist so ausgelegt, daß der von den Abtasteinhei­ ten 67, 68 gemessene inkrementale Drehwinkel dw proportional zur Länge dl des an der Abtaststelle vorbeibewegten Teils des Referenzkörpers ist, wobei gilt:

dw = kwl.dl,

wobei mit kwl = 1/r_RK, ein fester Proportionalitätsfaktor und mit r_RK der Radius des Referenzkörpers an der Meßstelle be­ zeichnet sind.

Zwei Abtaststellen 69, 70 befinden sich in der Ebene der Kreisbahn K des Punktes P und auf einer Geraden, welche par­ allel zur Ebene E verläuft und die Drehachse D schneidet. Die beiden Abtaststellen 69, 70 haben annähernd den gleichen Ab­ stand zur Drehachse 8. Im Unterschied zu der dargestellten Abtastung kann die Abtastung des Referenzkörpers auch an des­ sen Stirnseiten oder in anderer Weise durchgeführt werden.

Zum Berechnen der optischen Wegdifferenz s wird das arithme­ tische Mittel der von den beiden Abtasteinheiten 69, 70 ge­ messenen Drehwinkel verwendet. Die für die Berechnung der op­ tischen Wegdifferenz s verwendete Abweichung dd des Punktes P von der Kreisbahn K wird aus den beiden Drehwinkeln w1 und w2 der Abtasteinheiten 69, 70 entsprechend der Gl. (7):

dd = (w1 - w2)/(2.kwl) (7)

berechnet. Zur Verbesserung der Ortsauflösung können mehrere berechnete Abweichungen dd zeitlich gemittelt werden. So kann in vorteilhafter Weise der Drehwinkel sehr genau gemessen werden und es wird nur ein Meßsystem für die Messung von Drehwinkel und Abweichung dd benötigt.

In Fig. 9a ist in einer Seitenansicht und in Fig. 9b ist in ei­ ner Vorderansicht eine vorteilhafte Anordnung eines Referenz­ körpers 71 und von Abtasteinrichtungen 72, 74 für eine ge­ trennte Messung der Abweichung dd dargestellt. Mittels der Abtasteinrichtungen 72, 74 wird die Abweichung der Position einer kreisförmigen Kante, eines kreisförmigen Ringes oder einer Zylinderfläche des Referenzkörpers 71 von einer Sollpo­ sition gemessen, und zwar vorzugsweise nur der Anteil in Richtung des Lotes zur Ebene E, da dieser der Abweichung dd entspricht. Die Abtaststellen 73, 75 liegen annähernd in der Ebene E der Kreisbahn K des Punktes P und auf einem Lot zur Ebene E, welches die Drehachse D schneidet.

Zur Kalibrierung des Meßsystems zum Messen der Abweichung dd ist es vorteilhaft, Kalibrierstufen vorgegebener Größe (siehe beispielsweise Stufe 78 in Fig. 10) an beim Messen des Inter­ ferogramms nicht benötigten Drehwinkelpositionen auf dem Re­ ferenzkörper anzubringen. Diese Kalibrierstufen täuschen eine bekannte Abweichung dd vor, deren gemessene Größe durch einen Vergleich mit der bekannten Größe zur Kalibrierung der Emp­ findlichkeit des Meßsystems für die Abweichung dd auch wäh­ rend des Meßbetriebs des Interferometers verwendet werden kann. Das Abtasten kann mit einer oder mit zwei diametral an­ geordneten Abtasteinrichtungen erfolgen.

Das diametrale Abtasten hat den Vorteil, daß das Messen der Abweichung dd sowie die optionale Kalibrierung der Empfind­ lichkeit des Meßsystems für die Abweichung dd anhand von Ka­ librierstufen genauer erfolgt. Statt einer radialen Anordnung der Abtasteinrichtungen 72, 74, wie in Fig. 9a und 9b darge­ stellt, können diese je nach Ausführung des Meßsystems auch in anderer Orientierung angebracht werden.

Der Referenzkörper 71 sollte vorzugsweise in montiertem Zu­ stand der sich drehenden Welle 8 so nachbearbeitet werden, daß eine Referenzkante, ein Referenzring oder eine Referenz­ fläche eine geringe Exzentrizität bzw. eine geringe Abwei­ chung von einer idealen Kreisbahn haben. Je nach Ausführung des Meßsystems kann beispielsweise die Kontur geschliffen werden, oder es kann eine Spur in eine dünne Schicht durch mechanisches Bearbeiten, oder in einer photoempfindlichen Schicht durch Belichten eingebracht werden, oder eine dünne Spur kann auf den Referenzkörper aufgebracht werden.

Ein Bearbeiten vorzugsweise im montierten Zustand bei sich drehender Welle 8 ist vorteilhaft, da die Lage des Referenz­ körpers bei der Montage und dessen Form vor dem Bearbeiten nicht sehr genau sein muß. Auch drehwinkelabhängige systema­ tische Abweichungen der Lage der Welle können in dem Sinne kompensiert werden, daß sich der Referenzkörper an der Meß­ stelle nur noch mit den zu messenden statistischen Abweichun­ gen bewegt, und der erforderliche Meßbereich und somit auch die relative Genauigkeit des Meßsystems für die Abweichung dd klein gehalten werden können.

Eine vorteilhafte Ausführungsform einer separaten Meßeinrich­ tung zum Messen der Abweichung dd ist in Fig. 10 dargestellt. Als Referenzkörper 76 wird eine Trommel verwendet. Mittels eines berührungslosen (beispielsweise induktiven, kapazitiven oder optischen) Abstandssensors 77 wird der Abstand 79 zur Trommel 76 gemessen. Der Abstand 79 ist ein direktes Maß für die Abweichung dd. Der Abstandssensor 77 ist fest mit der er­ sten optischen Einheit 1 verbunden.

Für die Kalibrierung der Empfindlichkeit des Meßsystems kön­ nen auf der Trommel 76 eine oder mehrere Stufen 78 in Form einer Erhebung oder Vertiefung vorgegebener Höhe und Breite angebracht werden. In vorteilhafter Weise können auf dem Markt verfügbare Abstandsmeßsysteme verwendet werden, und die zylinderförmige Referenzfläche (Trommel 76 mit Stufen 78) kann insbesondere bei Bearbeitung im montierten Zustand mit geringem Aufwand hergestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der separaten Meßeinrichtung zum Messen der Abweichung dd ist in einer schematischen Seitenansicht in Fig. 11a und in einer schemati­ sierten Schnittansicht in Fig. 11b dargestellt. Als Referenz­ körper dient eine Scheibe 80, welche zumindest am Rand licht­ undurchlässig ist. Die Referenzscheibe 80 bildet zusammen mit einem ortsfesten Gegenstück 81 eine Schlitzblende, deren Breite von der Position der Welle abhängt.

Zum Messen der Breite der Blende ist auf der einen Seite eine Lichtquelle 85 und auf der anderen Seite ein lichtempfindli­ cher Detektor 83 vorgesehen, welcher die auf ihn auftreffende Lichtmenge 86 mißt. Das Ausgangssignal des Detektors 83 ist ein Maß für die Abweichung dd. Das Gegenstück 81 ist an der ersten optischen Einheit 1 befestigt.

Für die Kalibrierung der Empfindlichkeit des Meßsystems sind auf der Referenzscheibe eine oder mehrere Stufen 84 wiederum in Form einer Erhebung oder Vertiefung vorgegebener Höhe und Breite vorgesehen. Zur Kompensation von Empfindlichkeits­ schwankungen, die durch Schwankungen der Intensität der Lichtquelle oder durch Empfindlichkeitsschwankungen des De­ tektors hervorgerufen sind, ist ein zweiter Detektor 82 vor­ gesehen.

Vorzugsweise sind die Detektoren 82 und 83 auf einem Chip aufgebracht. Hierbei wird der Detektor 82 über ein Loch im Gegenstück 81 von der Lichtquelle 85 bestrahlt. Über einen Regelkreis wird die Intensität der Lichtquelle 85 so gere­ gelt, daß der Strom vom Detektor 82 einen konstanten, vorge­ gebenen Wert hat. Auch bei dieser Ausführung ist die kreis­ förmige Kante der Referenzscheibe insbesondere bei Bearbei­ tung im montierten Zustand mit geringem Aufwand herzustellen.

Noch eine weitere separate Meßeinrichtung zum Messen der Ab­ weichung dd ist in Fig. 12a und 12b dargestellt. Als Referenz­ körper ist wiederum eine Scheibe 88 mit einen ringförmigen lichtdurchlässigen Bereich 89, beispielsweise eine beschich­ tete Glasscheibe, vorgesehen. Der lichtdurchlässige Bereich 89 ist von zwei lichtundurchlässigen Bereichen begrenzt. Zum Messen der Position des lichtdurchlässigen Ringes ist dieser auf der einen Seite der Scheibe von einer Lichtquelle 94 be­ strahlt und auf der anderen Seite ist ein in zwei Segmente geteilter Detektor 90 angeordnet; die Trennlinie zwischen beiden Segmenten liegt genau in der Mitte des lichtdurchläs­ sigen Rings 89 und verläuft tangential zu dem ringförmigen Bereich. Die Differenz der Ausgangssignale der beiden Segmen­ te ist ein Maß für die Abweichung dd. Detektor 90 und Licht­ quelle 94 sind an der optischen Einheit 1 befestigt.

Die Intensität der Lichtquelle 94 kann anhand der Summe der Detektorsignale auf einen konstanten Wert geregelt werden. Zum Kalibrieren des Meßsystems sind zusätzlich auf dem licht­ durchlässigen ringförmigen Bereich ein oder mehrere Sektoren 93 bekannter Breite vorgesehen. Ein Vergleich der Veränderung der Summe der beiden Detektorsignale mit der bekannten Verän­ derung der Breite des ringförmigen Bereichs liefert die Emp­ findlichkeit des Meßsystems.

Alternativ können auch der ringförmige Bereich lichtundurch­ lässig und die Scheibe lichtdurchlässig ausgeführt sein. Auf­ grund des Differenzmeßverfahrens kann mit dieser Ausführung sehr genau gemessen werden.

Bezugszeichenliste

1

Erste optische Einheit

2

Zweite optische Einheit

3

Tripelspiegel (Retroreflektor)

4

Strahlung

6

Strahleintritt

7

Strahlaustritt

8

Welle

14

Erste Meßeinrichtung

14-1

Ruhende Einheit von

14

14-2

Bewegte Einheit von

14

15

Zweite Meßeinrichtung

15-1

Erste Einheit von

15

15-2

Zweite Einheit von

15

16

Dritte Meßeinrichtung

20

Antrieb

33

,

34

Optische Komponenten zur Strahlkollimierung/-bündelung

35

Strahlteiler

36

,

37

Umlenkspiegel

38

,

39

Lochspiegel

40

Blende

41

Träger

42

Detektor

44

,

47

Teilstrahlen

49

,

50

Teilstrahlen

51

Spiegelaufnahme

52

Referenzkörper

60

Lagergehäuse

61

Meßaufnehmer

62

,

63

Kugellager

64

Rotor

65

Antrieb

66

Referenzkörper

67

,

68

Abtasteinheit

69

,

70

Abtaststellen

71

Referenzkörper

72

,

74

Abtasteinrichtungen

76

Referenzkörper (Trommel)

77

Abstandsensor

78

Stufen in

76

80

Referenzkörper (Scheibe)

81

Gegenstück

82

,

83

Detektor

84

Stufen

85

Lichtquelle

86

Lichtmenge

88

Scheibe

89

Lichtdurchlässiger Bereich

90

Detektor

93

Sektor

94

Lichtquelle
D Drehachse
E Ebene
K Kreis(bahn)
M Mittelpunkt von K
r Abstand (Radius von K)
d Abstand
e Abstand von E
w Drehwinkel
w₁

Aktueller Drehwinkel

Claims (26)

1. Einrichtung für ein Interferometer nach Michelson, das be­ steht aus einer ersten optischen Einheit (1), deren Komponen­ ten eine Ebene (E) festlegen, und einer bezüglich der ersten optischen Einheit (1) drehbar gelagerten, zweiten optischen Einheit (2), deren Drehachse (D) annähernd parallel zur Ebene (E) liegt, und deren Komponente(n) einen Punkt (P) fest­ legt(en), welcher einen Abstand (r) von der Drehachse (D) hat und in welchem die optische Wegdifferenz (s) im Interferome­ ter eine Funktion des Abstands (d) des Punktes (P) von der Ebene (E) ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Meßeinrichtung (14) zum Messen eines Drehwinkels (w) der zweiten optischen Einheit (2) bezüglich der ersten optischen Einheit (1)vorgesehen ist, wobei die optische Weg­ differenz (s) aus dem mittels der ersten Einrichtung (14) ge­ messenen Drehwinkel (w) über eine Gleichung (Gl. (4)) berech­ net wird, welche auf der aus einem ersten physikalischen und geometrischen Modell eines realen Aufbaus resultierenden Ab­ hängigkeit der Wegdifferenz (s) von dem Drehwinkel (w) ba­ siert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Meßeinrichtung (15) zum Messen der in Rich­ tung des geometrischen Lotes zur Ebene (E) weisenden Kompo­ nente einer Abweichung (dd) der Position des Punktes (P) von einer durch Solllage und Sollposition der Drehachse (D) und Sollabstand (r) des Punktes (P) von der Drehachse (D) festge­ legten Kreisbahn (K) vorgesehen ist, wobei die optische Weg­ differenz (s) aus dem mit der ersten Meßeinrichtung (14) ge­ messenen Drehwinkel (w) und der mit der zweiten Meßeinrichtung (15) gemessenen Abweichung (dd) über eine Gleichung (Gl. (5)) berechnet wird, welche auf der aus einem zweiten physikali­ schen und geometrischen Modell des tatsächlichen Aufbaus re­ sultierenden Abhängigkeit der Wegdifferenz (s) von dem Dreh­ winkel (w) und der Abweichung (dd) basiert.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß statt der beiden Meßeinrichtungen (14, 15) eine dritte Meßeinrichtung (16)zum Messen sowohl des Drehwinkels (w) als auch der Abweichung (dd) vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,
daß eine ruhende Einheit (14-1) der ersten (14) oder dritten Meßeinrichtung (16) zum Messen des Drehwinkels (w) drehsteif bezüglich der von der ersten optischen Einheit (1) festgeleg­ ten Ebene (E) mit der ersten optischen Einheit (1) oder deren Komponenten verbunden ist, und
eine bewegte Einheit (14-2) der ersten (14) oder dritten Meßeinrichtung (16) zum Messen des Drehwinkels (w) drehsteif bezüglich des Lots zur Drehachse (D) durch den Punkt (P) mit der zweiten optischen Einrichtung (2) oder deren Komponenten verbunden ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (15) aus einer ersten und einer zweiten Einheit (15-1; 15-2) besteht, wobei
die erste Einheit (15-1) eine Meßeinrichtung ist, mittels welcher Position oder Abweichung der Position von einer Soll­ position der Kante oder des Ringes bezüglich der Ebene (E) zumindest in der Koordinate in Richtung des Lots zur Ebene (E) gemessen wird, wobei die Meßstelle zumindest annähernd bei einem der Schnittpunkte der Kante oder des Ringes mit dem durch den Mittelpunkt des Kreises der Kante oder des Rings gehenden Lot zur Ebene (E) liegt, und hinsichtlich ihres Abstandes von der Ebene (E) möglichst steif mit der optischen Einheit (1) oder deren Komponenten verbunden ist, und
die zweite Einheit (15-2) ein Referenzkörper mit mindestens einer annähernd kreisförmigen Kante oder einem annähernd kreisförmigen Ring ist, welche(r) zumindest annähernd in der durch die Kreisbahn (K) des Punktes (P) festgelegten Ebene liegt, und möglichst steif mit der zweiten optischen Einheit (2) oder deren Komponenten verbunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (15) aus einer ersten und einer zweiten Einheit besteht, wobei
die erste Einheit eine Meßeinrichtung ist, mittels welcher der Abstand oder die Abweichung des Abstandes von einem Soll­ abstand der zylinderförmigen Fläche von einem Punkt gemessen wird, welcher auf einer Geraden liegt, die senkrecht zur Ebe­ ne (E) steht und in der Ebene der Kreisbahn (K) des Punktes (P) liegt, und im Hinblick auf ihren Abstand zur Ebene (E) möglichst steif mit der ersten optischen Einheit (1) oder de­ ren Komponenten verbunden ist, und
die zweite Einheit ein Referenzkörper mit einer zumindest an­ nähernd zylinderförmigen Fläche ist, deren Symmetrieachse möglichst parallel und höchstens in einem kleinen Abstand von der Drehachse (D) der zweiten optischen Einheit (2) liegt, und möglichst steif mit der zweiten optischen Einheit (2) oder deren Komponenten verbunden ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkörper (76) zur fortlaufenden Kalibrierung der Empfindlichkeit der zweiten Meßeinrichtung (15) eine oder mehrere Stufen (78) vorgegebener Höhe auf­ weist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Vermessen des Referenzkörpers die zweite Meßeinrichtung (15) zwei diametral gegenüber liegende Meß- Abtaststellen aufweist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Referenzkörper im montierten Zustand bei einer Drehbewegung um die Drehachse (D) so nachbearbeitet ist, daß eine Referenzkante, ein Referenzring oder eine Refe­ renzfläche bei einer Drehbewegung um die Drehachse (D) eine von einer idealen Kreisbahn möglichst gering abweichende Be­ wegung ausführt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Referenzkörper aus formstabilem Materi­ al hergestellt ist, welches zum direkten Anbringen an den Komponenten der zweiten optischen Einheit (2) den gleichen oder annähernd gleichen thermischen Ausdehnungskoeffiziente­ nen wie diese Komponenten hat.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Referenzkörper einen möglichst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.

12. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßeinrichtung (15) eine Lichtschranke, bestehend aus einer Lichtquelle (85) und einem Detektor (83), aufweist, und ein Referenzkörper (80) zwischen Lichtquelle (85) und De­ tektor (83) angeordnet ist, wobei der Lichtfluß von der Lichtquelle (85) zum Detektor (83) teilweise vom Referenzkörper (80) so unterbrochen wird, daß die auf den Detektor (83) auftreffende Lichtleistung in einem funktionalen Zusammenhang zu der zu messenden Größe steht, und das Ausgangssignal des Detektors (83) das Maß für die zu messende Größe ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor der Lichtschranke aus zwei Einzeldetektoren(82, 83) besteht, wobei
der Lichtfluß von der Lichtquelle (85) zum Detektor (83) vom Referenzkörper (80) teilweise unterbrochen wird,
der Lichtfluß von der Lichtquelle (85) zum Detektor (82) vom Referenzkörper (89) nicht beeinflußt wird, und
die Lichtleistung der Lichtquelle elektronisch so geregelt ist, daß das Ausgangssignal des Detektors (82) einen vorgege­ benen Wert annimmt.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Einzeldetektoren (82, 83) auf einem Sensorchip integriert sind.

15. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die dritte Meßeinrichtung (16) eine inkrementale Winkel­ meßeinrichtung ist, welche einen Referenzkörper sowie zwei Abtasteinheiten (72, 74) mit zugehöriger Auswerteelektronik aufweist, wobei
die Winkelmeßeinrichtung so ausgelegt ist, daß der von den Abtasteinheiten (72, 74) gemessene inkrementale Drehwinkel dw entsprechend einem festen Proportionalitätsfaktor kwl propor­ tional zur Länge dl des an der Abtaststelle vorbeibewegten Teils des Referenzkörpers ist, wobei gilt: dw = kwl.dl, und die beiden Abtaststellen annähernd in der Ebene der Kreisbahn (K) des Punktes (P) und auf einer Geraden liegen, welche pa­ rallel zur Ebene (E) verläuft und die Drehachse (D) schnei­ det, und annähernd den gleichen Abstand zur Drehachse (D) ha­ ben, wobei
zum Berechnen der optischen Wegdifferenz (s) das arithmeti­ sche Mittel der von den beiden Abtasteinheiten (72, 74) ge­ messene Drehwinkel gebildet, und die Abweichung (dd) des Punktes (P) von der Kreisbahn (K) aus den beiden Drehwinkeln (w1 und w2) der Abtasteinheiten (72, 74) berechnet wird nach der Gleichung
dd = (w1 - w2)/(2.kwl)
sowie zur Verbesserung der Ortsauflösung mehrere berechnete Abweichungen (dd) zeitlich gemittelt werden können.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Welle (8) so gelagert ist, daß sie steif gegenüber äußeren Kräften und Momenten ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein möglichst steif mit der Welle verbunde­ ner Antrieb (64, 65) eine Drehung der Welle (8) um die Dreh­ achse (D) mit konstanter Drehgeschwindigkeit oder einen zeit­ lichen Verlauf der Drehgeschwindigkeit bewirkt, welcher für zumindest einen Teil des Drehwinkelbereichs einer Umdrehung einen zumindest annähernd zeitlinearen Verlauf der optischen Wegdifferenz (s) zur Folge hat.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch zwei als Träger für die Komponenten der ersten optischen Einheit (1) vorgesehene Platten (30, 31), welche über parallel zueinander angeordnete Abstandshalter (32) so miteinander verbunden sind, daß sich die Komponenten der er­ sten optischen Einheit (1) zwischen den beiden Platten (30, 31) oder an den Stirnseiten der beiden Platten befinden.

19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kollimierungsoptik (33) und eine Bündelungsoptik (34) des Interferometers, eine Eingangsblende (40) und ein Detek­ torträger (41) mit den Trägerplatten (30, 31) verbunden sind.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmittel ein sehr dünn auf­ gebrachtes Klebemittel dient.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die verklebten Flächen der optischen Kom­ ponenten vorzugsweise senkrecht zu den optischen Flächen der optischen Komponenten sind.

22. Einrichtung nach den Ansprüchen 18 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trägerplatten (30, 31), die Abstands­ halter (32), die Eingangsblende (40), der Detektorträger (41) und das dazwischen aufgebrachte Klebemittel den gleichen, möglichst kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizientenen wie die miteinander zu verbindenden Komponenten haben.

23. Einrichtung nach den Ansprüchen 18 bis 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Komponenten mittels Klebeschablonen oder mittels mit Hilfe eines Laser­ strahls und/oder eines von einem Interferometer erzeugten In­ terferogramms einstellbaren Justiervorrichtungen justierbar sind.

24. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Einheit (2) steif mit der Welle (8) und mit einem Trägerkörper (51) verbunden ist, welche den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die optische Einheit (2) haben und der Trägerkörper (51) mit­ tels eines Klebstoffrings (53) der Breite dk mit einer kreis­ zylinderförmigen Fläche der Welle (8) verbunden ist, wobei die Breite dk des Klebstoffrings (53) und der thermische Aus­ dehnungskoeffizient ktk des Klebemittels, der thermische Aus­ dehnungskoeffizient kt1 und der Radius r1 der zylinderförmi­ gen Fläche des Trägerkörpers (51) sowie der thermische Aus­ dehnungskoeffizient kt2 und der Radius r2 der zylinderförmigen Fläche der Welle (8) so aneinander angepaßt sind, daß gilt:
dk.ktk + r1.kt1 = r2.kt2.

25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (51) vorzugsweise auch als Referenzkörper zum Messen der Abweichung des Punktes (P) von einer idealen Kreisbahn (K) ausgelegt ist.

26. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkörper vorzugsweise zum Messen der Abweichung (dd) des Punktes (P) von dessen idealen Kreisbahn (K) direkt an dem Trägerkörper (51) angebracht ist.