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31.03.2015

Länge- und Winkelmessung mit Dreistrahl-Interferometer von Sios

Ein Laser, drei separate Kanäle

Länge- und Winkelmessung mit Dreistrahl-Interferometer (Foto: Sios)

Die Dreistrahl-Interferometer von Sios Messtechnik, Ilmenau, sind eine Weiterentwicklung der einachsigen Interferometer mit Planspiegelreflektor. Die Strahlen werden nur von einem Laser versorgt, jedoch von drei separaten Interferometerkanälen ausgewertet (Bild 1). Besonderer Wert wurde auf einen vollständig symmetrischen optischen Aufbau gelegt, sodass simultan drei Längenwerte mit Nanometergenauigkeit erfasst werden. Aus der Differenz jeweils zweier Längenwerte und dem zugehörigen Strahlabstand lässt sich der Kippwinkel des Messspiegels hochgenau bestimmen. Die synchrone Datenübernahme aller Messkanäle ist gegeben.

Dreistrahl-Interferometer für die hochgenaue Längen- und Winkelmessung lassen sich aufgrund ihres kompakten Aufbaus problemlos an unterschiedlichste Messaufgaben anpassen und in bestehende Anordnungen integrieren. Die Standard-Dreistrahl-Interferometer verfügen über einen Winkelmessbereich von ± 1,5 Winkelminuten und einen Wegmessbereich von 2 m. Bei Längenauflösungen von 20 Pikometern werden Winkel mit < 0,002 Winkelsekunden aufgelöst.

In einem gemeinsamen Projekt mit dem Institut für Synchrotronstrahlung am Karlsruher Institut für Technologie wurde eine spezielle Ausführung des Dreistrahl-Interferometers zur hochpräzisen Ausrichtung der Magnetspulen (Undulatoren) im Elektronenspeicherring genutzt. Undulatoren sind periodische Magnetstrukturen, die in die geraden Strecken von Synchrotronstrahlungsquellen zur Erzeugung hochbrillanter Synchrotronstrahlung eingebaut werden. Sie bestehen im vorliegenden Fall aus zwei, durch den Undulatorspalt getrennten, periodischen Anordnungen von supraleitenden Undulatorspulen. Die Intensität und das Spektrum der Synchrotronstrahlung werden durch die Periodenlänge und die Feldstärke des Undulatorfelds bestimmt, die wiederum von der Geometrie und den Eigenschaften der Magnete abhängig ist.

Schematischer Aufbau: hochpräzise Ausrichtung der Magnetspulen im Elektronenspeicherring (Foto: Sios)

Zur präzisen Ausrichtung der Undulatorspulen wird ein Messschlitten mit drei Hallsensoren über eine Länge von 2,5 m durch einen 4 mm hohen Spalt zwischen den Spulen hindurchgezogen. Die Hallsensoren messen während der Bewegung das lokale magnetische Feld entlang der Strahlachse in Abhängigkeit vom Nick- und Gierwinkel des Messschlittens.

Die Nick- und Gierwinkelmessung wird mit einem modifizierten Dreistrahl-Interferometer der Sios Meßtechnik GmbH realisiert. Beim Standard-Dreistrahl-Interferometer beträgt der Strahlabstand der drei Laserstrahlen zueinander jeweils 12 mm. Durch einen für dieses Projekt entwickelten optischen Vorsatz wurde der vertikale Strahlabstand des Interferometers auf 4 mm reduziert, um im Spalt zwischen den Spulen messen zu können. Die Winkelbestimmung basiert auf der hochgenauen und hochauflösenden laserinterferometrischen Längenmessung mittels dreier Teilstrahlen über eine Länge von 2,5 m. Die Messung erfolgt im Vakuum. Die Interferometerstrahlen werden durch ein optisches Fenster auf den Spiegel des Messschlittens geführt (Bild 2).

Die Interferometer mit Planspiegelreflektor von Sios zeichnen sich nach eigenen Angaben durch hohe Genauigkeit, großen Dynamikbereich und einfache Handhabung aus. Die Messungen mit diesen Systemen sind rückführbar und mit einer Linearität unter ± 1,5 nm streng linear. Diese Interferometer kommen mit einem einzigen Messstrahl pro Messachse aus, der von einer reflektierenden Oberfläche in sich zurückreflektiert wird. Für kurze Messlängen von bis zu 2 m wird ein Spiegel als Reflektor eingesetzt. Durch eine spezielle optische Anordnung im Interferometer arbeiten diese Systeme bis zu einer Verkippung des Messspiegels von ± 1,5 arcmin. Die relativ kleine Kippinvarianz minimiert die oft vernachlässigten Messabweichungen zweiter Ordnung. Der Messspiegel kann dabei auch lateral verschoben werden, wie es bei x-y-Planartischen der Fall ist. Bei größeren Messlängen oder stärkeren Verkippungen (bis ± 12,5°) können diese Interferometer mit einem kompakten, kippinvarianten Reflektor ausgestattet werden.

Zu den weiteren Vorteilen der Interferometer mit einem einzigen Messstrahl pro Messachse zählen laut Hersteller der einfache Aufbau von Abbe-Fehler-freien Messanordnungen und problemlose Strahlmodifikationen. Beispielsweise kann der Messstrahl durch ein Objektiv oder eine Fokussieroptik geführt werden. Auch wird das flexible Design von Mehrstrahlinterferometern zur simultanen Erfassung mehrerer Bewegungen bzw. Freiheitsgrade genutzt.

Peter Grundschok, Dr. Denis Dontsov, Dr. Walter Schott, Sios Meßtechnik GmbH, Dr. Andreas Grau, Karlsruher Institut für Technologie KIT

Sios Meßtechnik GmbH
www.sios.de
Control, Halle 1, Stand 1111

Unternehmensinformation

SIOS Meßtechnik GmbH

Am Vogelherd 46
DE 98693 Ilmenau
Tel.: 03677 6447-0
Fax: 03677 6447-8

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