DE19714602A1 - Interferentielle Winkelmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine interferentielle Winkelmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs zum Messen von Teilungen und Winkeleinstellungen an Meßgeräten und Maschinen, sowie von Objekten.

Interferometrische Meßsysteme arbeiten nach dem Prinzip, daß Lichtbündel eines stabilisierten Lasers, welcher als Lichtquelle dient, in einen Meß- und Referenzstrahl aufgespalten werden. Diese Teilstrahlen erfahren durch unterschiedliche optische Weglängen, die sie durchlaufen, Phasenverschiebungen. Meß- und Referenzstrahlen werden nach Durchlaufen unterschiedlicher Wege in einem Interferenzpunkt eines Strahlenteilers zur Interferenz gebracht, und die entstehenden Interferenzstreifen werden mittels fotoelektrischer Elemente in elektrische Signale umgewandelt, die dann zur Bestimmung der Teilung oder der Winkelverschiebung gezählt und zur Anzeige gebracht oder in geeigneter Weise, z. B. zur Steuerung von Vorgängen, weiterverarbeitet werden.

Interferentielle Winkelmessungen werden einmal dadurch ermöglicht, daß Anordnungen vorgesehen werden, mit denen eine Rotation des Meßstrahls um eine Achse erfolgt und somit die optische Weglänge dieses Strahls sich während der Rotation ändert. Diese Änderungen der optischen Weglänge bewirken zusammen mit dem Referenzstrahl zur Winkelbestimmung auswertbare Interferenzen.

Eine solche Einrichtung ist aus der DE 38 26 149 A1 bekannt. Zur Messung des Drehwinkels oder der Winkeleinstellung eines rotierenden Objekts wird ein optisches Interferometer verwendet, bei welchem eine Wegänderung durch Rotation eines im Meßstrahlengang des Interferometers angeordneten und mit dem rotierenden Objekt verbundenen Meßreflektors erzeugt wird. Diese Wegänderung in Richtung des Laserstrahls und damit die Wegdifferenz in den beiden Strahlengängen des Interferometers ist proportional zur Winkelstellung des Meßreflektors und damit des zu vermessenden Objektes. Auch bei dieser Einrichtung werden die bei der Rotation des Meßreflektors erzeugten Interferenzen gezählt und zur Ermittlung der Winkelposition des Objektes ausgewertet. Gemäß einer Ausführung dieser Einrichtung nach Fig. 2 dieser DE ist zur Erzeugung von dem Drehwinkel proportionalen Wegänderungen ein das Licht des Meßstrahls brechender, optischer Keil vorgesehen. Der optische Wegunterschied wird in diesem Falle durch eine Auslenkung des Lichtstrahls und durch ein damit bewirktes Durchlaufen unterschiedlicher Stärken dem brechenden Keils erreicht.

Mit dieser Einrichtung kann eine dynamische Messung von Teilungen und Winkelpositionen von Objekten erfolgen. Nachteilig ist jedoch der relativ hohe technische Aufwand.

Bei einer vorgeschlagenen Interferometeranordnung (DE 195 28 676) werden aus dem vom Laser ausgesendeten, polarisierten Lichtbündel in einem Interferometerteiler zwei parallele Teilstrahlenbündel erzeugt. Hierzu umfaßt der Interferometerteiler strahlenteilende Elemente, den Polarisationszustand der Teilstrahlenbündel beeinflussende Mittel, wie λ/4- und/oder λ/2-Platten, und Umlenkelemente.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine interferentiell arbeitende Winkelmeßeinrichtung zu schaffen, welche mit geringem technischen Aufwand dynamische Messungen von Teilungen und Winkelpositionen von Meßobjekten mit hoher Genauigkeit ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer interferentiellen Winkelmeßeinrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches dargelegten Mitteln gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Damit wird erreicht, daß auf ein axiales optisches Beugungsgitter mit äquidistanter Teilung auftreffende Teilstrahlenbündel so reflektiert und/oder gebeugt werden, daß sie in sich zurückführbar sind. Bei Drehung des drehbaren Elementes um seine zentrale Achse, welche auch die zentrale Achse des in einer Gitterebene angeordneten Beugungsgitters ist, bleibt auf diese Weise die Strahlrichtung der am Beugungsgitter gebeugten Teilstrahlenbündel einer ausgewählten, z. B. ersten oder einer höheren Beugungsordnung erhalten. Die Strahlen der nullten oder einer anderen nicht verwendeten Beugungsordnung taumeln bei Rotation des drehbaren Elementes um einen Kegelwinkel und werden nicht zur Interferenz gebracht. Eine Drehung des Elementes um die zentrale Achse bewirkt stets eine Veränderung der optischen Weglänge oder des Gangunterschiedes im Meßstrahlengang, da der Weg, den das Licht innerhalb des durchlaufenen optischen Mediums (Luft oder Glas) zurückgelegt hat, von der Winkelstellung des drehbaren Elementes relativ zu den einfallenden Teilstrahlenbündeln abhängt. Die Beugungsgitter können als Reflexions- oder Transmissionsgitter ausgeführt sein.

Das drehbare Element kann als eine mit einem Reflexionsgitter versehene Scheibe ausgebildet sein, welche schräg zur zentralen Achse angeordnet ist:

Es ist vorteilhaft, wenn das drehbare Element als Keilscheibe aus transparentem Material ausgebildet ist, deren, dem Interferenzmodul zugewandte, erste Fläche senkrecht zur zentralen Achse verläuft, und wenn deren, dem Interferenzmodul abgewandte Fläche mit der ersten Fläche einen Keilwinkel κ einschließt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Keilscheibe aus Glas oder einem anderen geeigneten, lichtdurchlässigen Werkstoff hergestellt und besitzt auf ihrer, senkrecht zur zentralen Achse verlaufenden ersten Fläche ein Transmissionsgitter, welches gerade parallele Strukturen äquidistanter Teilung umfaßt, wobei diese Strukturen des Beugungsgitters parallel zu einem Durchmesser des drehbaren Elementes verlaufen. Die zu dieser ersten Fläche unter dem Keilwinkel κ geneigte zweite Fläche der Keilscheibe ist als reflektierende Fläche ausgebildet, welche das senkrecht auf sie auffallende, gebeugte Strahlenbündel in sich zurückwirft.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß die aus einem transparenten Material bestehende Keilscheibe auf ihrer, zur ersten Fläche unter dem Keilwinkel κ geneigten zweiten Fläche ein Reflexionsgitter in oben beschriebener Anordnung aufweist. Dieses Gitter beugt die auftreffenden Strahlen so, daß das Licht der verwendeten Beugungsordnung in sich zurückgeführt wird.

Vorteilhaft ist ferner, wenn die Beugungsgitter als geblazte Gitter ausgebildet sind. Dabei sind die Struktur und das Profil des verwendeten Beugungsgitters der jeweils verwendeten Beugungsanordnung der Teilstrahlenbündel angepaßt. Die nicht verwendeten Beugungsordnungen werden wirksam unterdrückt.

Eine vorteilhafte Winkelmeßeinrichtung ergibt sich, wenn das Interferometermodul mindestens ein in einem Abstand b vom Strahlenteiler angeordnetes Umlenkelement besitzt. Dadurch sind je nach Aufbau von Strahlenteiler und Umlenkelement mindestens zwei parallel verlaufende Teilstrahlengänge des Meßstrahlenganges erzeugbar, derart, daß jeweils zwei Teilstrahlenbündel an diametralen Stellen auf das Beugungsgitter auftreffen.

Um die Keilscheibe oder die als drehbares Element ausgebildete Scheibe am Objekt dessen Winkelposition oder Teilung ermittelt werden soll, schlupffrei befestigen zu können, ist das drehbare Element in einer Fassung aufgenommen, wobei die Fassung selbst Mittel zum schlupffreien Befestigen an dem Objekt besitzt. Zur Überwindung der für die Weiterverar­ beitung ungünstigen 90° und 270° Pollagen der Sinusfunktion der Interferometersignale ist es vorteilhaft, wenn im Interferometermodul Mittel in Form von Strahlenteilern und Umkehrelementen zur Erzeugung zweier Teilstrahlenbündelpaare vorgesehen sind und wenn die Teilstrahlenbündel des einen Teilstrahlenbündelpaares um 90° zu den Teilstrahlenbündeln des anderen Teilstrahlenbündelpaares versetzt sind.

Die erfindungsgemäße Winkelmeßeinrichtung besitzt den Vorteil, daß sie technisch einfach aufgebaut ist und eine dynamische Messung der Winkelpositionen des zu prüfenden Objektes oder von Teilungen mit hoher Genauigkeit und geringer Meßunsicherheit ermöglicht.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Winkelmeßeinrichtung,

Fig. 2 eine transparente Keilscheibe mit Transmissionsgitter,

Fig. 3 eine transparente Keilscheibe Reflexionsgitter,

Fig. 4 eine drehbare Scheibe mit Reflexionsgitter und

Fig. 5 in einer Draufsicht den Verlauf der Gitterlinien und die Lage der Auftrefforte von Teilstrahlenbündelpaare auf einer Scheiben- oder Keilscheibenfläche.

Die in Fig. 1 stark vereinfacht dargestellte interferentielle Winkelmeßeinrichtung umfaßt als Lichtquelle einen Laser 1, welcher polarisiertes Licht aussendet. Diesem Laser 1 ist ein Interferometermodul 2 in Lichtrichtung nachgeordnet, welches einen oder mehrere Strahlenteiler 3, optische Umlenkelemente 4 und den Polarisationszustand des Lichtes beeinflussende Elemente 5 und 6, wie λ/4- oder/und λ/2-Platten, umfaßt. Der Strahlenteiler 3 ist vorteilhaft mit einer Polarisationsteilerschicht 7 zur Trennung von Licht unterschiedlicher Polarisationsrichtung ausgestattet. Am Ausgang des Interferometermoduls 2 werden mindestens zwei parallele Teilstrahlenbündel 14 und 15 mit einem Basisabstand b ausgestrahlt und einem nachgeordneten Mittel zur Erzeugung optischer Wegänderungen oder Gangunterschiede zugeführt, die von der Winkelposition des nachgeordneten Mittels abhängen, welches mit einem Objekt 16 verbunden ist, dessen Winkelposition oder Teilung gemessen werden soll.

Als Mittel zur Erzeugung optischer Weg- oder Gangunterschiede ist ein um eine zentrale Achse 10 drehbares Element 11 mit einem in einer Gitterebene liegenden, axialen optischen Beugungsgitter 12 mit äquidistanter Teilung vorgesehen. Dieses Beugungsgitter 12 besteht, wie es in Fig. 5 deutlicher veranschaulicht ist, aus geraden Gitterstrukturen 13, wobei die Git­ terkonstante dieses Beugungsgitters 12 so dimensioniert ist, daß die erste oder eine höhere Beugungsordnung der auftreffenden Teilstrahlenbündel 14; 15 unter einem Beugungswinkel abgestrahlt wird, welcher dem Keilwinkel κ des Glas- oder eines entsprechenden Luftkeils (bei Verwendung einer reflektierenden Scheibe als reflektierendes Element) entspricht. Das verwendete Beugungsgitter 12 kann als Reflexions- oder als Transmissionsgitter ausgebildet sein.

Die Gitterstrukturen verlaufen parallel zueinander und parallel zu einem Durchmesser des drehbaren Elementes.

In Fig. 2 ist das in Fig. 1 dargestellte drehbare Element 11 als eine um die zentrale Achse 10 drehbare Keilscheibe 19 aus transparentem Material, insbesondere Glas, ausgebildet, deren optisch wirksame, dem Interferometermodul 2 zugewandte, erste Fläche 17 und deren dem Interferometermodul 2 abgewandte, zweite Fläche 18 einen Keilwinkel κ einschließen. Die die Gitterebene bildende erste Fläche 17 verläuft dabei senkrecht zur zentralen Achse 10 und trägt das Beugungsgitter 12, welches als ein axiales Transmissionsgitter ausgebildet ist. Dieses Beugungsgitter 12 ist z. B. so dimensioniert, daß die erste oder eine höhere Beugungsordnung der Teilstrahlenbündel 14 und 15 senkrecht auf die als Reflexionsfläche ausgebildete, zweite Fläche 18 auftreffen und in sich zurückgeworfen werden und durch das Beugungsgitter 12 abermals hindurch zum Interferometermodul 2 zurücklaufen und dort in der Polarisationsteilerschicht 7 zur Interferenz gebracht werden. Bei Drehung der Keilscheibe 19 um die Achse 10, welche auch die Zentrumsachse des auf der Keilscheibe 19 angeordneten Beugungsgitters 12 ist, bleibt auf diese Weise die Strahlrichtung der verwendeten Ordnung des gebeugten Strahlenbündels erhalten, während die nullte oder alle anderen Ordnungen bei der Drehung der Keilscheibe 19 keglig um eine Achse taumeln und nicht zur Weiterverarbeitung gelangen. Das Licht dieser Ordnungen kann jedoch z. B. für Einstell- oder Justierzwecke verwendet werden.

Um einen solchen Strahlenverlauf zu realisieren, müssen die Gitterkonstante und die Gitterstruktur entsprechend der verwendeten Beugungsordnung gewählt und ausgeführt werden. Der Keilwinkel κ der Keilscheibe 19 muß dem Beugungswinkel der gewählten Beugungsordnung der Teilstrahlenbündel 14; 15 gleichen. Das Beugungsgitter 12 ist vorteilhaft als geblaztes Gitter ausgebildet, dessen Struktur der verwendeten Beugungsordnung der Teilstrahlenbündel 14; 15 angepaßt ist, um den Hauptanteil der Energie in die zum Messen verwendete Beugungsordnung zu bringen.

Fig. 3 zeigt eine Keilscheibe 20 aus Glas, deren dem Interferometermodul 2 zugewandte erste Fläche 21 senkrecht zur drehbaren Achse 10 verläuft. Auf der unter dem Keilwinkel κ zur ersten Fläche 21 liegenden zweiten Fläche 22 der Keilscheibe 20 ist das Beugungsgitter 12 angeordnet, welches als ein Reflexionsgitter ausgeführt ist. Die diametral zur Achse 10 auf die Keilscheibe 20 auftreffenden Teilstrahlenbündel 14 und 15 durchlaufen die Keilscheibe 20 und werden am Reflexionsgitter so gebeugt, daß die jeweils ausgewählte Beugungsordnung (z. B. die erste Beugungsordnung) in sich zurückgeführt wird. Alle anderen Beugungsordnungen werden, wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, nicht in sich zurückgeführt. Auch bei dieser Ausbildung der Keilscheibe 20 entspricht der Keilwinkel κ der Keilscheibe 20 dem Winkel, unter dem die gewünschte Beugungsordnung der Teilstrahlenbündel 14; 15 durch das Reflexionsgitter gebeugt wird.

In Fig. 4 ist ein drehbares Element dargestellt, welches eine zur Achse 10 schräg angeordnete Scheibe 21 darstellt. Auf ihrer dem Interferometermodul 2 zugewandten Fläche ist das Beugungsgitter 12 aufgebracht, welches als Reflexionsgitter ausgebildet ist, durch das die einfallenden Teilstrahlenbündel 14; 15 so gebeugt und reflektiert werden, daß die ausgewählte Beugungsordnung in sich zurückgeworfen wird. Die Scheibe 21 ist in einer Fassung 22 und die Keilscheiben 19 und 20 sind vorteilhaft in einer Fassung 23 (Fig. 1) aufgenommen, welche auch Mittel umfaßt, mit denen eine schlupffreie und zentrische Befestigung am Objekt 16 ermöglicht wird. Die Fassungen 22 und 23 nach Fig. 1 und Fig. 4 besitzen z. B. je eine zentrale, zentrisch zur Achse 10 gelegene Bohrung, mit welcher die Fassungen 22 bzw. 23 mit 5 dem zu vermessenden Objekt 16 verbindbar sind.

In Fig. 5 sind in einer Draufsicht, z. B. auf die erste Fläche 17 der Keilscheibe 19, die Auftrefforte 24; 25; 26; 27 der Teilstrahlenbündel auf dem Beugungsgitter 12 dargestellt, wobei die Auftrefforte 24 und 26 sowie 25 und 27 der beiden Teilstrahlenbündelpaare diametral zur Achse 10 liegen und jeweils einen Abstand b als Basisabstand aufweisen, welcher gleich dem Abstand Strahlenteiler 3 - Umlenkelement 4 ist. Die Teilstrahlenbündel 24 und 26 des einen Teilstrahlenbündelpaares sind zu den Teilstrahlenbündeln 25 und 27 des anderen Teilstrahlenbündelpaares um 90° versetzt.

Bei der erfindungsgemäßen Winkelmeßeinrichtung wird das vom Laser 1 ausgesandte Lichtbündel 28 im Interferometermodul 2 in die Teilstrahlenbündel 14 und 15 auf gespalten, welche auf das Gitter 12 der Keilscheibe 11; 19; 20 und der Scheibe 21 geleitet werden. Nach Beugung und Rückführung der Teillichtbündel 14 und 15 werden diese im Strahlenteiler 3 zur Interferenz gebracht. Durch die unterschiedlichen Lichtwege (Gangunterschiede) der Teilstrahlenbündel entstehen nach dieser Zusammenführung der Teilstrahlenbündel Hell- Dunkel-Übergänge, die durch fotoelektrischen Empfänger 8 in elektrische Signale umgewandelt, die als Zählimpulse in der Auswerteeinrichtung 9 weiterverarbeitet werden.

Claims (10)

1. Interferentielle Winkelmeßeinrichtung, umfassend eine Lichtquelle, ein Interfero­ metermodul, welches einen Strahlenteiler und optische Elemente zur Erzeugung paralleler Teilstrahlenbündel umfaßt, Mittel zur Erzeugung optischer Wegunterschiede, die von der Winkelposition abhängig sind, und fotoelektrische Empfänger zur Erzeugung auswert- und weiterverarbeitbarer elektrischer Signale, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Erzeugung optischer Wegunterschiede ein um eine zentrale Achse (10) drehbares Element (11) mit einem in einer Gitterebene liegenden, axialen optischen Beugungsgitter (12) mit geraden parallelen Strukturen äquidistanter Teilung vorgesehen ist, wobei die Strukturen des Beugungsgitters parallel zu einem Durchmesser des drehbaren Elementes verlaufen und die Gitterkonstante des Beugungsgitters (12) so dimensioniert ist, daß bei Verwendung eines Reflexionsgitters die erste oder eine höhere Beugungsordnung der auftreffenden Teilstrahlenbündel (14; 15) unter einem Beugungswinkel abgestrahlt wird, welcher dem Neigungswinkel κ der Gitterebene des Reflexionsgitters zur zentralen Achse (10) entspricht oder bei Verwendung eines Transmissionsgitters, dessen Gitterebene senkrecht zur zentralen Achse (10) liegt und dem eine zweite reflektierende und zur Drehachse geneigte Fläche nachgeordnet ist, die Gitterkonstante so dimensioniert ist, daß der Beugungswinkel der ersten oder einer höheren Beugungsordnung der auftreffenden Teilstrahlenbündel der Neigung der zweiten reflektierenden Fläche entspricht.

2. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Element (11) als eine Keilscheibe (19; 20) aus transparentem Material ausgebildet ist, deren dem Interferometermodul (2) zugewandte erste Fläche (17; 21) senkrecht zur zentralen Achse (10) verläuft und daß deren dem Interferometermodul (2) abgewandte zweite Fläche (18; 22) mit der ersten Fläche (17; 21) einen Keilwinkel κ einschließt.

3. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Beugungsgitter (12) als Transmissionsgitter- oder Reflexionsgitter ausgebildet sind.

4. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Keilscheibe (19) auf ihrer, senkrecht zur zentralen Achse (10) verlaufenden ersten Fläche (17) ein Transmissionsgitter aufweist
und daß ihre zu dieser ersten Fläche (17) unter dem Keilwinkel κ geneigte zweite Fläche (18) als reflektierende Fläche ausgebildet ist.

5. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilscheibe (20) auf ihrer, zur ersten Fläche (21) unter dem Keilwinkel κ geneigten zweiten Fläche (22) ein Reflexionsgitter aufweist.

6. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das drehbare Element eine Scheibe (21) ist, deren dem Interferometermodul (2) zugewandte Fläche ein als Reflexionsgitter ausgebildetes Beugungsgitter (12) trägt
und daß die Scheibe (21) zur zentralen Achse (10) unter einem Winkel ungleich 90° angeordnet ist.

7. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter (12) als geblazte Gitter ausgebildet sind, deren Struktur der zu verwendenden Beugungsordnung der Teilstrahlenbündel (14; 15) angepaßt ist.

8. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlenbündel (14; 15) an diametral zur zentralen Achse (10) liegenden Orten auf die Beugungsgitter (12) auftreffen.

9. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Element (11) in einer Fassung (22; 23) aufgenommen ist und daß diese Fassung (22; 23) Mittel zum schlupffreien Befestigen an dem Objekt (16) besitzt, dessen Winkelposition gemessen werden soll.

10. Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Interferometermodul (2) Mittel in Form von Strahlungsteilern (3) und Umlenk­ elementen (4) zur Erzeugung zweier Teilstrahlenbündelpaare (24; 26 bzw. 25; 27) vorgesehen sind, deren Auftrefforte auf dem Beugungsgitter (12) jeweils um 90° versetzt sind.