Längenmessung

Die Erfindung betrifft ein Laserinterferometer zur interferometrischen Längenmessung mit einem Halbleiter¬ laser, dessen Licht über einen Strahlteiler ein Meßin- terferometer mit zwei Reflektoren, von denen einer mit dem zu erfassenden beweglichen Objekt verbunden ist, und ein zur Regelung der Laserlichtwellenlänge dienen- des Referenzinterferometer mit einer fixierten Reflek¬ toranordnung speist, das dem Meßinterferometer räumlich benachbart ist und dessen Interferenzlichtstrahlbündel einen Referenzsignaldetektor speist, der an einen die Frequenz des Halbleiterlasers nachregelnden Regel- Schaltkreis angeschlossen ist, durch den das Ausgangs¬ signal des Referenzsignaldetektors konstant gehalten wird, während das die Information bezüglich der zu erfassenden Länge enthaltende Interferenzlichtstrahl- bünd.el des Meßinterferometers einen Interferenzsignal- detektor beaufschlagt, dessen Ausgangssignal eine Auswertevorrichtung zur Bestimmung von Abstandsverän¬ derungen des beweglichen Objektes speist.

Laserinterferometer werden in der Längenmeßtechnik eingesetzt, um geometrischen Größen, wie Längen, Wege, Geschwindigkeiten usw. zu erfassen. Insbesondere er¬ folgt ihr Einsatz bei Werkzeugmaschinen und Koordina- tenmeßmaschinen. Um hohe Meßgenauigkeiten zu erhalten, ist es erforderlich, den Einfluß des Brechungsindexes der Umgebungsluft auf den als Wellenlängennormal ein- gesetzten Laserstrahl zu berücksichtigen. Eine solche Berücksichtigung des Brechzahleinflusses infolge einer Veränderung der Lufttemperatur, des Luftdruckes und der Luftfeuchte geschieht häufig nach einem sogenannten

Parameterverfahren, bei dem aus Einzel essungen der Lufttemperatur, des Luftdruckes und der Luftfeuchte die Brechzahl ermittelt wird, um mit Hilfe des so. erhal¬ tenen Ergebnisses die Längenmessung zu korrigieren. Hierdurch ergeben sich nicht nur zeitliche Verzögerun¬ gen bis das korrekte Meßergebnis vorliegt, sondern auch Probleme, wenn die Brechzahleinflüsse schnellen Ände¬ rungen unterliegen, weil dann eine Berücksichtigung nicht möglich ist.

Ein Laserinterferometer zur Längenmessung mit einem Meßinterferometer und einem zur Regelung der Laser¬ lichtwellenlänge dienenden Re erenzinterferometer ist aus der DE 34 04 963 A1 bekannt. Das Referenzinterfero- meter dient zur Stabilisierung der Frequenz bzw. der Wellenlänge des verwendeten Halbleiterlasers und ist zusammen mit den optischen Komponenten des Meßinter- ferometers auf einer Grundplatte fixiert, um einen kompakten, nur wenig Raum beanspruchenden Aufbau zu erhalten. Der zur Stabilisierung der Laserlichtwellen¬ länge dienende Arm des Referenzinterferometers er¬ streckt sich parallel zur der Kompaktheit wegen kleinen Grundplatte quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes im Meßarm des Meßinter erometers. Da das Licht im Referenzinterferometer auf seinem Weg zum seitlich gegenüber dem Meßarm versetzten Referenzstreckenreflek¬ tor eine kurze Luftstrecke durchquert, erfolgt bei der Laserlichtwellenlängenstabilisierung eine Kompensation entsprechend den durch die Temperatur, den Druck und die Feuchtigkeit der Luft oberhalb der Grundplatte be¬ einflußten Brechungsindex.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserin¬ terferometer der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich auch dann durch eine hohe Meßgenauigkeit aus-

zeichnet, wenn die Meßstrecke im Meßarm des Laserinter- ferometers durch lokale Turbulenzen und Inhomogenitäten innerhalb der Meßstrecke gestört wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Referenzstrecke des Referenzinterferometers sich in einem im Verhältnis zur Länge der Re erenzstrecke kleinen seitlichen Abstand über einen der Länge der Meßstrecke angenäherten Weg parallel zur Meßstrecke des Meßinterferometers erstreckt und am vom Halbleiterlaser wegweisenden Ende der Referenzstrecke durch einen Referenzstreckenreflektor begrenzt ist, dessen während einer Messung fixierte Position in Längsrichtung der Meß- und Referenzstrecke justierbar ist.

Mit Hilfe des sich entlang dem Meßinterferometer er¬ streckenden Referenzinterferometers und des damit verbundenen Regelschaltkreises wird der Speisestrom und die Betriebstemperatur des Halbleiterlasers bei Ver- änderungen der Brechzahl der Luft im Meßarm des Laser¬ interferometers jeweils so geändert, daß das Verhältnis der Vakuumlänge zur Brechzahl der Luft, d.h. die Luft¬ wellenlänge, konstant bleibt. Auf diese ^' Weise wird erreicht, daß das Wellenlängennormal für das vom Meß- strahl tatsächlich durchquerte Luftvolumen eine kon¬ stante Länge aufweist, da sowohl das Referenzinterfero¬ meter als auch das Meßinterferometer im wesentlichen vom gleichen Luftvolumen beeinflußt werden.

Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erörtert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßinter- ferometers und des damit gekoppelten Refe¬ renzinterferometers gemäß der Erfindung und

Fig. 2 einen Regelschaltkreis zur Steuerung des Halbleiterlasers in Abhängigkeit von dem

Ausgangssignal des Referenzinter erometers.

Das in Fig. 1 dargestellte Laserinterferometer zur interferometrischen Messung geometrischer Größen ver- fügt über einen Halbleiterlaser 1, der in Fig. 1 sche¬ matisch mit der ihm zugeordneten Optik 2 dargestellt ist. Das die Optik 2 verlassende Laserstrahllichtbündel 3 wird mit Hilfe eines Hauptstrahlteilers 4 in ein Referenzlichtstrahlbündel 5 und ein Meßlichtstrahl- bündel 6 aufgeteilt.

Das Meßlichtstrahlbündel 6 die-nt zum Betrieb eines in Fig. 1 schematisch dargestellten Meßinterferometers 7, das als Michelson-Interferometer aufgebaut ist. Das Referenzlichtstrahlbündel 5 speist über einen Umlenk¬ spiegel 8 ein zweites Michelson-Interferometer, das als Referenzinterferometer 9 dient.

Das das Meßinterfero eter 7 speisende Meßlichtstrahl- bündel 6 wird mit Hilfe eines Meßstreckenstrahlteilers 10 in ein erstes Lichtstrahlbündel 11 und ein zweites Lichtstrahlbündel 12 aufgeteilt. Das erste Lichtstrahl¬ bündel 11 gelangt zu einem Meßreflektor 13, der ein Trippelreflektor ist und das erste Lichtstrahlbündel 11 zu einem Meßsignaldetektor 14 umlenkt.

Das zweite Lichtstrahlbündel 12 breitet sich entlang der Meßstrecke aus und gelangt schließlich zu einem in Ausbreitungsrichtung des ^' Lichtstrahlbündels 12 beweg¬ lichen Meßstreckenreflektor 14, der ebenfalls ein Trippelreflektor ist und z.B. der Bewegung des zu vermessenden Gegenstandes oder der Kontur eines zu vermessenden Gegenstandes folgt. Die Länge der Meß- ^' strecke kann beispielsweise in der Größenordnung von

I m liegen. Die Bewegung des mobilen Meßstreckenre- flektors 14 in Richtung des Doppelpfeils 15 kann bei¬ spielsweise ebenfalls in der Größenordnung von 1 m liegen.

Das vom Meßstreckenreflektor 14 seitlich versetzt zurückreflektierte zweite Lichtstrahlbündel 12 durch¬ läuft erneut die Meßstrecke und gelangt schließlich auf die Rückseite des Meßstreckenstrahlteilers 10, durch den das zweite Lichtstrahlbündel 12 in Richtung auf den Meßsignaldetektor 20 umgelenkt wird, wobei das zweite Lichtstrahlbündel 12 mit dem ersten Lichtstrahlbündel

II ein Interferenzlichtstrahlbündel 16 bildet.

Bei einer Verschiebung des mobilen Meßstreckenreflek¬ tors 14 entsprechend der Bewegung des zu überwachenden Objektes oder dem Verlauf der zu erfassenden Kontur verändert sich die vom zweiten Lichtstrahlbündel 12 zu durchlaufende Strecke und damit die Umlaufphase des Meßinterferometers 7, so daß am Meßsignaldetektor 20 eine Folge von Signal axima und Signalminima in Ab- hangigkeit von der Lichtwellenlänge, dem Brechungsindex des Mediums in der Meßstrecke und in der Verschiebung des Meßstreckenreflektors 14 auftritt.

Infolge der Abhängigkeit des Interferenzsignals am Meßsignaldetektor 20 vom Brechungsindex des vom zweiten

Lichtstrahlbündel 12 durchquerten Mediums können sich Meßfehler ergeben, wenn die durch eine Veränderung der Brechzahl ergebende Veränderung der als Wellenlängen¬ normal wirksamen Wellenlänge nicht kompensiert wird.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Interfero¬ meter erfolgt eine Kompensation des Brechzahleinflusses mit Hilfe des bereits erwähnten Referenzinterferometers 9, durch das Brechzahländerungen erfaßt werden, um entsprechend der Änderungen die Frequenz, bzw. die Vakuumwellenlänge des Halbleiterlasers so πachzuregeln, daß die im Meßinter erometer 7 verwendete Wellenlänge in Luft des zweiten Lichtstrahlbündels 12 konstant bleibt.

Nach dem Umlenken mit Hilfe des Umlenkspiegels 8 ge¬ langt das Referenzlichtstrahlbündel 5 zum Referenz¬ interferometer 9, das entsprechend dem Meßinterfero¬ meter 7 über einen Referenzstreckenstrahlteiler 17 verfügt. Das vom Ref renzstreckenstrahlteiler 17 ab¬ gelenkte erste Referenzlichtstrahlbündel 18 wird mit Hilfe eines Referenzreflektors 21 umgelenkt und gelangt nach einem Durchqueren des Referenzstreckenstrahltei¬ lers 17 zu einem Referenzsignaldetektor 22, der ebenso wie der Halbleiterlaser 1 mit der in Fig. 2 darge¬ stellten Schaltungsanordnung verbunden ist, während die dem Meßsignaldetektor 20 zugeordnete Schaltungsanord¬ nung zur Auswertung der Meßstrecke in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Auf der dem Spiegel 8 gegenüberliegenden Seite des Referenzstrahlteilers 17 breitet sich ein zweites Referenzlichtstrahlbündel 19 entlang einer Referenz¬ strecke mit einer Länge von beispielsweise 1 m aus und

gelangt auf einen immobilen Referenzstreckenreflektor 24, der im Gegensatz zum Meßstreckenreflektor 14 an einer fixierten Stelle angeordnet ist, wobei jedoch eine Justierung der Länge der Referenzstrecke zur Anpassung an die Länge der Meßstrecke vorgesehen sein kann.

Der seitliche Abstand zwischen der Meßstrecke des Meßinterferometers 7 und der Referenzstrecke des Re- ferenzinterferometers 9 ist möglichst klein und beträgt beispielsweise lediglich einige Zentimeter, um ^' zu erreichen, daß Veränderungen in der Temperatur, dem Luftdruck, der Luftfeuchte und der Zusammensetzung der Luft im Meßinterferometer 7 möglichst auch vom Refe- renzinterferometer 9 erfaßt werden. Aus diesem Grunde liegen das zweite Lichtstrahlbündel 12 und das zweite Referenzlichtstrahlbündel 19 nicht nur so nahe wie möglich beieinander, sondern die Referenzstrecke und die Meßstrecke erstrecken sich auch über vergleichbare Längen um sicherzustellen, daß möglichst alle lokali¬ sierten Störungen in der Meßstrecke von der Referenz¬ strecke erfaßt werden.

Das vom Referenzstreckenreflektor 24 parallel zur Einfallsrichtung seitlich versetzt zurückreflektierte zweite Referenzlichtstrahlbündel 19 wird mit Hilfe des Referenzstreckenstrahlteilers 17 so in den Referenz¬ signaldetektor 22 umgelenkt, daß ein Interferenzlicht¬ strahlbündel 26 gebildet wird. Je nach der Umlaufphase befindet sich das den Referenzsignaldetektor 22 beauf¬ schlagende Signal in einem Minimum, einem Maximum oder auf einer Flanke.

Der in Fig. 2 dargestellte Regelschaltkreis dient dazu, trotz Änderungen der Brechzahl in der Referenzstrecke das Interferenzsignal am Referenzsignaldetektor 22 konstant zu halten. Dies geschieht durch eine elektro- nische Regelung des Stroms und der Temperatur des Halb¬ leiterlasers 1 , wobei die Vakuumwellenlänge oder Fre¬ quenz des Halbleiterlasers 1 derart verändert wird, daß das Verhältnis der Vakuumwellenlänge im Referenz¬ streckenmedium zur Brechzahl im Referenzstreckenmedium, d.h. die tatsächliche Wellenlänge im Medium der Re¬ ferenzstrecke, konstant gehalten wird.

Der Referenzsignaldetektor 22 speist, wie man in Fig. 2 erkennen kann, über einen Verstärker 30 und einen Analog/Digitalwandler 31 einen der Eingänge eines Mikroprozessors 32, in dem ein Regelungs- und Stabili¬ sierungsprogramm gespeichert ist, um die Vakuumwellen¬ länge des Halbleiterlasers 1 bzw. dessen Frequenz so zu verändern, daß die als Meßnormal dienende tatsächliche Wellenlänge im Medium der Referenzstrecke und damit der Meßstrecke unabhängig von Brechzahleinflüssen konstant bleibt.

Dem Mikroprozessor 32 wird weiterhin das Signal einer vom Halbleiterlaser 1 ebenfalls bestrahlten Fotodiode 33 zugeführt, die als Überwachungsdiode verwendet wird und deren Ausgangssignal über einen Verstärker 34 und eine Schwellenwertschaltung 35 dem Mikroprozessor 32 zugeführt wird, um zu erreichen, daß der Speisestrom ^" und die Temperatur des Halbleiterlasers 1 innerhalb der vorgesehenen Bereiche bleiben.

Die von der Fotodiode 33 bewirkte Schutzfunktion be¬ wirkt beispielsweise, daß eine Begrenzung für die Strom- und Temperaturregelung über den Mikroprozessor 32 erfolgt, wenn die Maximalleistung des Halbleiter- lasers 1 erreicht ist.

Ein Stromsollwertgeber 36 und ein Temperatursollwert¬ geber 37 sind ebenfalls mit Eingängen des Mikropro¬ zessors 32 verbunden, der über einen Stromsteuerausgang 39 und einen Temperatursteuerausgang 38 den Speisestrom und die Temperatur des Halbleiterlasers 1 steuert.

Der Stromsteuerausgang 39 ist über einen Digital/Ana¬ logwandler 40 mit dem Eingang eines Stromreglers 41 verbunden, an dessen Ausgangsleitung 42 der Halbleiter¬ laser 1 angeschlossen ist. Der Stromregler 41 enthält einen Operationsverstärker 43, der mit Widerständen 44 bis 49 derart geschaltet ist, daß eine Summierung der vom Digital/Analogwandler 40 und vom Stromsollwertgeber 36 gelieferten Signale erfolgt.

Der Temperatursteuerausgang 38 des Mikroprozessors 32 ist mit einem Digital/Analogwandler 50 verbunden, dessen Ausgang einen Temperaturregler 51 speist. Der Temperaturregler 51 enthält neben dem Temperatursoll¬ wertgeber 37 einen Operationsverstärker 53 sowie Wider¬ stände 54, 55, 56, die jeweils mit einem Anschluß am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 53 liegen. Der invertierende Eingang des Operations- Verstärkers 53 ist mit einem Temperatursensor 57 ver¬ bunden, der thermisch mit dem Halbleiterlaser 1 ge¬ koppelt ist.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 53 ist an einen Peltierkühler 58 angeschlossen, der ebenfalls thermisch mit dem Halbleiterlaser 1 gekoppelt ist. Während sich mit Hilfe des Peltierkühlers 58 eine verhältnismäßig träge Grobjustierung für die Vakuumwellenlänge bzw. Frequenz des Halbleiterlasers 1 erreichen läßt, ge¬ stattet die Stromsμeisung über die Ausgangsleitung 42 eine schnelle und trägheitslose FeinJustierung, um zeitlich schnell veränderliche Brechzahleinflüsse in der Meßstrecke und Referenzstrecke, die in Fig. 2 durch den Pfeil 59 veranschaulicht ist, zu kompensieren.