Untersuchung von Umlenkelementen zur Anwendung in der interferometrischen Längenmesstechnik

John, Kerstin GND

Aufgrund ihrer hohen Auflösung in Kombination mit einem großen Messbereich nehmen Interferometer eine Spitzenrolle in der Präzisionslängenmesstechnik ein. Sie müssen üblicherweise so angeordnet werden, dass der Messstrahl das Messobjekt auf geradem, unabgeschattetem Weg erreicht. Durch eine Umlenkung und Faltung des Interferometermessstrahls lassen sich Flexibilität des Aufbaus und Zugänglichkeit des Messobjektes verbessern. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von reflektierenden und refraktiven Strahlumlenkelementen in interferometrischen Messanordnungen im Hinblick auf ihre Übertragungseigenschaften sowie insensitive Bewegungsachsen, die die Strahleigenschaften nicht beeinflussen. Die durch Strahlumlenkung entstehenden Messfehler und Möglichkeiten ihrer Kompensation und Korrektur werden untersucht und in Gestaltungsrichtlinien zusammengefasst.

Interferometers are an important group among high precision length measuring systems due to their high resolution and large measurement range. Their setup requires the measurement beam to reach the object under test in a straight and unobscured line. This thesis investigates the possibility of increasing the flexibility of the measurement setup and the accessibility of the object by deflecting the interferometric beam and folding the beam path. Errors introduced to the system by additional deflecting elements are investigated and suggestions for compensation or correction are made. This thesis starts with the description of the basic interferometric measurement principle along with possible error sources with regard to beam deflection. The impact of geometrical and polarisation changes of the beam on the measurement is investigated. To analyse the transmission behaviour of deflecting elements this thesis gathers and refines models for the mathematical description of light, its polarisation and the geometrical beam path through reflective and refractive elements. It discusses which mechanisms can alter the polarisation, and points out examples to show what properties of the deflecting element have an influence and how these can be used to counteract undesired changes. Reflective and refractive deflecting elements are classified according to common geometrical and functional properties. An emphasis is placed on axes of invariance for rotation or translation which allow a movement of the deflecting element without the change of a certain functional property. Such axes are pointed out for each group of deflecting elements. The theoretical findings are validated by experiments focused on proving the existence of aforementioned axes of invariance and confirming the qualitative behaviour of the deflecting elements. Finally, the main insights of this thesis are summarised and condensed into design guidelines to support the reader in implementing an interferometric setup with deflective elements.

Aufgrund ihrer hohen Auflösung in Kombination mit einem großen Messbereich nehmen Interferometer eine Spitzenrolle in der Präzisionslängenmesstechnik ein. Sie müssen stets so angeordnet werden, dass der Messstrahl das Messobjekt auf geradem, unabgeschattetem Weg erreicht. Durch eine Umlenkung und Faltung des Interferometermessstrahls lassen sich Flexibilität des Aufbaus und Zugänglichkeit des Messobjektes verbessern. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von Strahlumlenkelementen in interferometrischen Messanordnungen sowie die dadurch entstehenden Messfehler und Möglichkeiten ihrer Kompensation und Korrektur. Zunächst wird das grundlegende Messprinzip von interferometrischen Längenmessungen vorgestellt sowie auf mögliche Fehlerquellen insbesondere im Hinblick auf Strahlumlenkung hingewiesen. Es wird untersucht, wie sich die Änderung von geometrischen und Polarisationseigenschaften des Messstrahls durch ein Umlenkelement auf die interferometrische Messung auswirken. In dieser Arbeit werden verschiedene Modelle vorgestellt, mit denen die Lichtausbreitung und Polarisation sowie das geometrische Übertragungsverhalten von Umlenkelementen untersucht werden können. An Beispielen werden Einflussfaktoren herausgestellt, die auf die Polarisation des Lichtes wirken. Darüber hinaus wird deren Nutzung zur Kompensation von unerwünschten Polarisationsänderungen diskutiert. Eine Übersicht teilt reflektierende und refraktive Umlenkelemente auf Basis von Gemeinsamkeiten in Geometrie und Übertragungsverhalten in Kategorien ein. Der Fokus liegt dabei auf Invarianzachsen für Translation und Rotation der Elemente. Diese erlauben eine Bewegung der Umlenkelemente, ohne dass die untersuchte Funktionsgröße beeinflusst wird. Auf die Existenz und Lage dieser Achsen wird für jede Gruppe von Umlenkelementen hingewiesen. Zusätzlich erfolgt der Nachweis im Experiment, der das qualitative Übertragungsverhalten ausgewählter Umlenkelemente bestätigt. Schließlich werden die Erkenntnisse dieser Arbeit in Gestaltungsrichtlinien zusammengefasst, die den Anwender bei der Auslegung von Umlenkelementen für interferometrische Längenmesssysteme unterstützen.

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John, Kerstin: Untersuchung von Umlenkelementen zur Anwendung in der interferometrischen Längenmesstechnik. Ilmenau 2019.

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