Miniaturinterferometer mit Retroreflektor setzen Maßstäbe bei der ...

PRODUKTIONSTECHNIK
Präzision mit Laserlicht
Miniaturinterferometer mit Retroreflektor
setzen Maßstäbe bei der hochgenauen Längenmessung
W. Schott, W. Pöschel, S. Ecke, G. Jäger, R. Grünwald,
H.-J. Büchner, E. Manske, H. Wurzbacher, Ilmenau
Sensoren in der automatisierten Fertigung und der Qualitätssicherung
müssen höchste Genauigkeit in unterschiedlichen Messbereichen,
extrem kurze Messzeiten sowie Störsicherheit unter Produktionsbedingungen
gewährleisten. Mit der Miniaturisierung der Produkte steigt
der Bedarf an Mikrosensorsystemen mit kleinsten Massen und Maßen.
Laserinterferometrische Längenmessungen
erreichen Genauigkeiten im Nanometerbereich,
weil sie auf einem Vergleich
mit der hochstabilen Frequenz eines Lasers
beruhen. Eine messtechnische Analyse
zeigt die Möglichkeiten und Grenzen
der laserinterferometrischen Messverfahren
auf. Das Michelson-Interferometer ist
der Grundtyp aller hier vorgestellten
Interferometer (Bild 1) [1].
Bild 1. Das
Michelson-
Interferometer
liegt den hier
vorgestellten
Interferometern
zugrunde
Laser-Interferometer
mit Sub-Nanometerauflösung
Der Analyse liegt folgende Annahme
zugrunde: Von einer Laserlichtquelle
gehen ebene Wellen aus, die in zwei kohärente
Teilwellen geteilt werden und
sich konstruktiv überlagern. Die Intensität
in der Bildebene beschreibt Gleichung
1:
Aus Gleichung 1 folgt Gleichung 2:
Aus Gleichung 2 kann die kleinste auflösbare
Wegquantisierung sq abgeleitet werden
(Gleichung 3):
Gleichung 3 belegt, dass außergewöhnliche
Auflösungen realisierbar sind, nach
heutigem Stand der elektronischen Auswertetechnik
weit unter 1 nm. Solche
Auflösungen sind mit Präzisionsinterferometern
auch über große Messbereiche
(s) möglich. Damit ergeben sich relative
Auflösungen, die kein anderes Längenmessverfahren
bietet (für s = 10 m und
sq = 1 nm ergibt sich beispielsweise eine
relative Auflösung von 10 -10 m).
Verschiedene Einflussfaktoren bestimmen
die Grenzen der laserinterferometrischen
Messverfahren. Gleichung 2 beschreibt
deren Einfluss auf das Messergebnis
s. Der Brechungsindex n der Luft
ist eine Funktion der Temperatur, des
Drucks, der Luftfeuchte und weiterer Einflussgrößen.
In welchem Maße diese Größen
das Messergebnis beeinflussen, ist in
Tabelle 1 dargestellt. Werden die Einflussgrößen
gemessen, kann eine Korrektur
erfolgen. Diese Korrektur wird rechnerisch
mit Hilfe der Edlén-Formel ausgeführt
[11].
Die Stabilität der Wellenlänge λ0 der
verwendeten Laserlichtquelle ist ein
zweiter wichtiger Einflussfaktor. Die relativen
Frequenzstabilitäten verschiedener
Laserlichtquellen enthält Tabelle 2. Damit
die absolute Modenwellenlänge der
stabilisierten He-Ne-Laser bestimmt werden
kann, werden diese an einen jodsta-
bilisierten He-Ne-Laser angeschlos-
»
LASER+PHOTONIK 31 APRIL 2003

Tabelle 1. Einflüsse
von Umweltgrößen auf
den Brechungsindex n
Tabelle 2. Frequenzstabilitätenverschiedener
Laserlichtquellen
sen. Die Anzahl der Inkremente (Zählimpulse)
ergibt sich aus der Ordnungszahl δ
und dem elektronischen Interpolationsfaktor
e. Dieser Interpolationsfaktor gibt
also an, in wie viele Impulse eine Signalperiode
aufgeteilt wird. Die dabei entstehenden
Interpolationsfehler sind ebenfalls
zu berücksichtigen.
Miniaturinterferometer
mit Retroreflektor
Bild 2 zeigt den Aufbau des Miniaturinterferometers
mit Retroreflektor. Ein
Lichtwellenleiter verbindet den separaten
Sensorkopf mit der elektronischen
Versorgungs- und Auswerteeinheit, wobei
der Sensorkopf alle notwendigen optischen
und mechanischen Komponenten
des Interferometers enthält. Der Messreflektor
ist in ein Gehäuse gefasst und
wird am Messobjekt befestigt.
Ein Singlemode-Lichtwellenleiter überträgt
die Laserstrahlung des frequenzsta-
Bild 2. Komplettgerät des Miniaturinterferometers mit Retroreflektor
LASER+PHOTONIK 32 APRIL 2003
PRODUKTIONSTECHNIK
bilisierten He-Ne-Lasers zum Sensorkopf.
Die Lasereinheit ist in der Versorgungsund
Auswerteeinheit integriert. Zwei
Lichtwellenleiter bringen das optische
Interferometersignal zurück zur Auswerteeinheit,
in der die optoelektronische
Signalwandlung, die Aufbereitung der
Analogsignale, die Interpolation, Triggerung
und Zählung der Impulse sowie die
Berechnung des umweltkorrigierten Längensignals
erfolgen. Die Ausgabe der
Messwerte kann zum einen in Form der
Inkrementalsignale (Encodersignale) oder
über ein serielles oder paralleles Interface
erfolgen.
Wesentliche messtechnische Eigenschaften
der Miniaturinterferometer mit
Retroreflektor sind:
■ Messbereich ≤ 5 m,
■ Auflösung bis 0,1 nm,
■ Verschiebegeschwindigkeit des Messreflektors
≤ 600 mm/s,
■ Verkippbarkeit des Messreflektors zum
Messstrahl ± 3°,
■ Arbeitstemperaturbereich 15 bis 30 °C.
Im Jahr 2002 hat die Physikalisch-
Technische Bundesanstalt Braunschweig
ein Miniaturinterferometer ›MI 5000‹ kalibriert.
Bei einer kalibrierten Länge von
2m ergab sich eine mittlere systematische
Messabweichung von Gleichung 4:
Besondere Anwendungsvorteile ergeben
sich, weil der Sensorkopf (Bild 3)
keine Wärmequellen enthält; eine Wärmeübertragung
auf das Messobjekt findet
somit nicht statt. Auf Grund dieser Merk-
Bild 3. Sensorkopf des Miniaturinterferometers
mit Retroreflektor
male werden Miniaturinterferometer als
Einbaumessgeräte in Werkzeugmaschinen,
Mess- und Mikroskoptischen, Koordinatenmessmaschinen,
Härteprüfgeräten
und Materialprüfmaschinen verwendet.
Miniaturinterferometer dienen außerdem
der Kalibrierung anderer Längenmessgeräte
(zum Beispiel Glasmaßstäbe)
oder als Präzisionslängenmesssystem in
Forschung und Entwicklung.

Bild 4. Sensorkopf mit
Messreflektor des
Mikrointerferometers
Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts
mit dem Institut für Prozessmess-
und Sensortechnik der TU Ilmenau
wurden Mikrointerferometer entwickelt,
die nach dem gleichen Prinzip
wie das Miniaturinterferometer mit Retroreflektor
arbeiten (Bild 4). Sie zeichnen
sich durch extrem kompakte Maße,
die Lichtwellenleiterkopplung sowie einen
sehr geringen Justageaufwand aus.
Diskrete mikrooptische Bauteile sowie
Aufbau- und Verbindungstechnik ermög-
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SIOS Meßtechnik GmbH,
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lichen einen Sensorkopf von 28 x 25 x
15,5 mm 3 Größe bei einer Masse von nur
35 g. Die messtechnischen Eigenschaften
stimmen mit denen des Miniaturinterferometers
mit Retroreflektor überein.
Fazit: Höchste Genauigkeit
für vielfältige Anwendungen
Die Miniatur- und Mikrointerferometer
mit Retroreflektor für die hochgenaue
Längenmessung zeichnen sich besonders
durch folgende Merkmale aus:
■ höchste Genauigkeit,
■ modularer Aufbau,
■ problemlose Anpassung an unterschiedliche
Messaufgaben,
■ kleine Abmessungen der Interferometermodule,
■ vollständige Lichtwellenleiterkopplung
(Besonderheiten: keine Wärmequellen
im Sensorkopf, störsichere Messsignalgewinnung
und -übertragung, flexible
Anordnung des Sensorkopfs, schnelle
und einfache Justage des Sensorkopfs),
■ Auflösung bis 0,1 nm bei Messbereichen
bis 5 m,
■ vergleichsweise niedrige Kosten.
«
Literatur
1 G. Jäger: ›Precision distance measurement by means
of miniaturized interferometers‹; Proceedings of the
XIII IMEKO World Congress, Volume 3, Torino 1994, S.
1712-1716
2 G. Jäger, R. Grünwald, E. Manske: ›Lichtwellenleitergekoppelte
interferenzoptische Sensoren‹; tm 57, 1990, 9,
S. 319-322
3 G. Jäger: ›Laserinterferometrische Messverfahren –
Möglichkeiten, Grenzen und Anwendungen‹; Vortrag zur
3. ITGI GMA-Fachtagung Sensoren und Messsysteme,
Bad Nauheim 1998
4 G. Jäger: ›Lasernanomesstechnik- Möglichkeiten,
Grenzen und Anwendungen in der modernen Gerätetechnik‹;
Vortrag zum 44. IWK, Ilmenau 1999
5 G. Jäger, R. Grünwald: ›Mikrooptische Systeme für die
Präzisionstechnik (MOSEP)‹; Infobörse VDI/VDE-TZ IT
GmbH, Teltow 2002
6 W. Schott, W. Pöschel, G. Jäger, R. Grünwald,
E. Manske, H. Wurzbacher: ›Fibre-Coupled Microinterferometer‹;
OPTO 2002 Conference, Erfurt 2002
7 W. Schott: ›Anwendung von Mikrointerferometern‹;
Technische Akademie Esslingen, Juni 2002
8 W. Schott, G. Jäger: ›Miniature Interferometers for
Precise Distance Measurements‹; ASPE 2002, Annual
Meeting, St. Louis 2002
9 Datenblatt Miniaturinterferometer mit Retroreflektor,
Serie MI, SIOS Messtechnik, 2001
10 Mikrointerferometer, Gelbe Seiten 21/2001,
VDI/VDE-IT Teltow, Projektträger Mikrosystemtechnik
11 G. Bönsch, E. Potulski: ›Fit of Edlén’s formulae to
measured values of the refractive index of air‹; SPIE
Conference on Recent Developments in Optical Gauge
Block Metrology, San Diego, California, Juli 1998
Dr.-Ing. Walter Schott
ist Geschäftsführer bei SIOS Meßtechnik in Ilmenau.
Dipl.-Ing. Wolfgang Pöschel ist Technischer Leiter, und
Dipl.-Ing. Susanne Ecke leitet das Marketing bei SIOS
Meßtechnik in Ilmenau.
Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd Jäger
ist Institutsleiter der Technischen Universität Ilmenau,
Institut für Prozessmess- und Sensortechnik.
Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Grünwald, Dr.-Ing. Hans-
Joachim Büchner, Dr.-Ing. Eberhard Manske und
Dr.-Ing. Holger Wurzbacher sind ebenfalls am Institut
für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau
tätig.
Die Entwicklungsarbeiten wurden gefördert durch das
BMBF, Projektträger VDI/VDE-IT Teltow, und das
ThMWFK. Die Autoren danken allen Kollegen, die an der
Bearbeitung der Forschungsthemen mitgewirkt haben.